摘要: 以德國VMT公司的單圓盾構機為例，介紹盾構機和激光導向系統的組成，探討激光導向系統的工作原理。重點揭示激光導向系統的測繪學原理。總結提高激光導向系統測量精度應采取的措施。

關鍵詞:隧道施工；盾構機；地鐵；控制測量；導向系統；姿態解算；修正曲線

Abstract：Based on the sample of single-circle TBM made in Germany VMT Co.， the components of TBM and the Laser Navigation System are described， and the principles of the Automatic Laser Navigation System， especially in terms of Surveying Science， are discussed. Finally， the measures to improve the surveying precision of the Navigation System are summarized.

Keywords: tunnel construction; TBM; Metro; control survey; navigation system; positioning; correction curve 0 引言： 20世紀70年代以來，盾構掘進機施工技術有了新的飛躍。伴隨著激光、計算機以及自動控制等技術的發展成熟，激光導向系統在盾構機中逐漸得到成功運用、發展和完善。激光導向系統，使得盾構法施工極大地提高了準確性、可靠性和自動化程度，從而被廣泛應用于鐵路、公路、市政、油氣等專業領域。 全面理解激光導向系統的原理，有助于工程技術人員在地鐵的盾構施工中及時發現問題，解決問題，保證隧道的正確掘進和最后貫通；有助于國產盾構機研制工作的開展。 1 盾構機和激光導向系統的組成 1.1 盾構機的組成 盾構機按推力方式可分為網格式、壓氣式、插板式以及土壓式和水壓式；按形狀劃分，除典型的矩形、單圓筒形外，近年來又出現了雙圓、三圓及多圓等異構形。它們的組成有一定差異。其中，土壓式單圓盾構機在我國應用比較普遍。它主要由盾體（含刀盤等）、管片拼裝機、排土機構、后配套設備、電氣設備、數據采集系統、SLS-T激光導向系統及其他輔助設備組成。 1.2 激光導向系統的組成 激光導向系統是綜合運用測繪技術、激光傳感技術、計算機技術以及機械電子等技術指導盾構隧道施工的有機體系。其組成(見圖1：激光全站儀（激光發射源和角度、距離及坐標量測設備）和黃盒子（信號傳輸和供電裝置）；激光接收靶（ELS Target，內置光柵和兩把豎向測角儀）、棱鏡（ELS Prism）和定向點（Reference Target）；盾構機主控室（TBM Control Cabin）：由程控計算機（預裝隧道掘進軟件，具有顯示和操作面板）、控制盒、網絡傳輸Modem和可編程邏輯控制器（PLC）四部分組成；油缸桿伸長量測量（Extension Measurement）裝置等。其中，隧道掘進軟件是盾構機激光導向系統的核心。

從盾構施工基本過程（圖3）可以看出，激光導向系統不能夠獨立完成導向任務，在盾構機始發、該系統啟用之前，還需要做一些輔助工作：首先，激光全站儀首次設站點及其定向點坐標，需用人工測定。其次必須使用人工測量的方法，對盾構機姿態初值進行精確測定，以便于對激光導向系統中有關初始參數（如激光標靶上棱鏡的坐標，內部的光柵初始位置及兩豎角測量儀初值等）進行配置。 盾構機姿態是指盾構機前端刀盤中心（以下簡稱“刀頭”）三維坐標和盾構機筒體中心軸線在三個相互垂直平面內的轉角等參數。盾構機姿態除了可以通過人工測量、單獨解算方式獲得外，還可以由導向系統實時、自動地獲取。用人工測量方式獲得盾構機姿態的過程，被稱作“盾構機控制測量”。盾構機控制測量的另一個作用是：在盾構機掘進過程的間隙，對激光導向系統采集的盾構機姿態參數進行檢核，對激光導向系統中有關配置參數進行校正。 3 盾構機激光導向系統原理： 3.1盾構機激光導向系統涉及的坐標系 為了闡明激光導向系統的原理，首先介紹一些與盾構機及隧道有關的坐標系（見圖4）： (1) 地面直角坐標系（O-XYZ）：簡稱地面坐標系，根據隧道中線設計而定，一般為地方坐標系。洞內(外)控制點、測站點、后視點以及隧道中線坐標，均用該系坐標表示。 (2) 盾構機坐標系（F-xyz）：在盾構機水平放置且未發生旋轉的情況下，以盾構機刀頭中心前端切點為原點，以盾構機中心縱軸為x軸，由盾尾指向刀頭為正向；以豎直向上的方向線為z軸， y軸沿水平方向與x、z軸構成左手系。盾構機坐標系是連同盾構機一起運動的獨立直角坐標系。盾構機尾部中心參考點、盾構機棱鏡等相對盾構機的位置都以此系坐標表示，這些坐標由盾構機制造商測定并給出 。 (3) 棱鏡中心坐標系（P-x’y’z’）： 原點為安裝在盾構機尾部的棱鏡的中心，與盾構機坐標系平行。 除此之外，為了解算還引入了其他一些空間輔助坐標系，從略。

3.3.3刀頭、盾尾里程及盾構機與隧道中線相對偏差的解算： 根據解出的刀頭、盾尾地面坐標和隧道中心軸線設計參數，計算刀頭、盾尾里程（難點是刀頭和盾尾位于隧道中線緩和曲線段的情形，解法可