盾构机在隧道掘进过程中，需要及时控制机位和方向。国外盾构机已普遍采用掘进自动导向系统，该系统可及时提供纠偏的决策依据，从而提高控制隧道轴线的精度。目前，国内进口的盾构设备主要配置两种类型的盾构掘进自动导向系统，即德国的VMT和日本的Robtec。在工程实际应用中，因涉及知识产权保护，若需修改导向系统初始化参数、改变隧道设计的线型、排除故障等，都要请供货方提供服务，这就极不方便。因此，开发具有自主知识产权的盾构掘进自动导向系统，是国内隧道施工管理和国产化盾构急需解决的问题。
1 国外盾构掘进自动导向系统的现状
20世纪90年代末，日本MAC公司研制了以陀螺惯量原理为主的盾构掘进导向系统，英国ZED公司研制了ZED盾构导向系统。由于陀螺仪不适应于盾构慢速运动状态;ZED产品换站过程中需用人工计算，也不适应现场需求。所以，两个系统相继被市场淘汰。之后，德国VMT公司研制了以激光电子检测技术为主的VMT盾构掘进导向系统;日本演算工房研制了以光学棱镜测量技术为主的Robtec盾构掘进自动导向系统。前者是将激光束照射在置于盾构内专用的电子目标靶上，测出激光光束和标靶的位置关系，再推算出盾构机姿态;后者是通过测量设置在盾构机中固定位置上的若干个棱镜的绝对坐标，根据棱镜与盾构机切口和盾尾的相对位置关系，推算出盾构机的位置和姿态。两者的共同特点是:充分运用现代计算机、信息、测量技术，结合盾构施工技术，使所研制的系统测量精度符合盾构姿态连续检测的要求。两者的差异是:VMT系统的激光始终落在定制的目标靶上，目标测量和数据处理的周期为1s左右;Robtec系统循环检测盾构内不同位置的标准棱镜，巡回检测周期为40s以上。
2 具有自主知识产权的盾构掘进自动导向系统
2.1 设计依据
采用光学棱镜测量技术为主的技术方案。在盾构内部正上方布置3个光学棱镜，全站仪检测盾构内3个棱镜的位置，由计算机根据空间测量计算得出盾构的运动姿态，包括盾构掘进施工需要掌握的切口平面、切口高程、盾尾平面、盾尾高程等偏差，以及盾构倾斜角和盾构转角数据。如果盾构内某棱镜受到施工环境干扰，只要测出2个目标棱镜，结合安装在盾构内的电子倾斜仪数据也可以计算出盾构姿态(见图1)。后视棱镜作为地面绝对坐标引入的参考基准，以动态校验全站仪的空间位置。
图1 盾构姿态光学棱镜自动测量技术方案示意图
盾构掘进过程中，需要及时掌握盾构的姿态变化数据，以提供纠偏依据。根据目前盾构掘进的速度和盾构姿态数据尚未参与盾构掘进自动控制的现状。一般认为1min的采样周期就能满足工程应用要求。
2.2 自动导向系统的组成
1)系统由全站仪、目标棱镜、倾斜仪、计算机组成(见图2)。
图2 系统硬件组成
(1)该系统选用徕卡公司生产的TPS1200全站仪，利用ATR功能，可自动搜索棱镜，并使望远镜十字丝精确照准目标。该全站仪可实现与其他设备的通信。
(2)采用徕卡小棱镜或360°小棱镜，目标棱镜固定在盾构机内，为系统自动跟踪测量提供目标。
(3)采用NS-15/P2SAMS-A型高精度双轴传感器，检测盾构机的坡度与滚角。该传感器精度为0.01°，为数字量输出的倾角传感器，量程范围为±15°，输出的是RS232信号。
(4)选用无线收发转换器(SAMS-C和SAMS-B)，建立盾构内计算机和置于隧道内测量平台上的全站仪的通信链路。
(5)计算机实现测控运算和系统集成功能。
2)盾构姿态实时测量应用软件采用MicrosoftVisualC++6.0开发。
(1)测量计算功能由棱镜安装参数计算、棱镜坐标自动测量、自动选择观测模式等模块组成，其功能是控制全站仪连续测量目标棱镜。根据测量结果计算盾构的切口中心坐标、盾尾中心坐标，并将其和DTA比较，得出切口的水平偏差、垂直偏差和盾尾的水平偏差、垂直偏差。
(2)控制维护功能由系统自检模块、倾斜仪修正功能、自动换站模块、界面交互查询模块组成。其功能是实现DTA列表浏览、目标棱镜复测维护、辅助移站、参数设置、用户接口界面、模块调用和控制等。
2.3 基本工作原理
全站仪测量安装在盾构机中多个棱镜的空间位置，由观测棱镜的个数，自动选择工作模式。根据棱镜与盾构机中轴线的相对位置关系、结合从倾斜仪检测的盾构机倾斜角和旋转角，计算出盾构切口和盾尾的绝对坐标。将计算结果与预先输入的隧道设计轴线DTA进行比较，得出盾构切口和盾尾相对设计轴线的平面偏差和高程偏差(见图3)。
图3 盾构切口和盾尾相对设计轴线的平面偏差和高程偏差图
2.4 自动导向系统的关键技术
2.4.1 盾构姿态自动测量核心算法
系统工作时，测出2个棱镜的绝对坐标(X1，Y1，Z1)和(X2，Y2，Z2)，同时由倾角传感器测得盾构机的坡度β和侧滚角度φ。式(1)和式(2)定量表达了盾构姿态自动测量的变量关系。其中式(1)中的α0为两棱镜在局部坐标系中的方位角，式(2)中的γ为盾构机的偏航角。
（1）(X,Y,Z)=(X1,Y1,Z1)-(X’,Y’,Z’)z×(2)式(1)中:α0——两棱镜在局部坐标系中的方位角。式(1)、(2)中:γ———盾构机的偏航角。
利用式(1)、式(2)计算出盾构机切口、盾尾中心的三维坐标(X、Y、Z)，式中X'、Y'、Z'为棱镜在局部坐标系中的相对坐标，最后将盾构机切口、盾尾中心的三维坐标和预先输入系统的隧道设计轴线DTA比较，就可以得到盾构机切口中心、盾尾中心与DTA的偏差值以及盾构机的掘进趋势。
2.4.2 优化全站仪通信接口控制技术
在传统的全站仪和计算机通信过程中，一般采用把计算机作为客户端、全站仪作为服务器端的通信方式，即计算机向全站仪发出操作指令，然后等待全站仪的执行结果。但全站仪由于搜索目标、照准目标、测量等工作耗时较长，使计算机大量处于等待状态，容易引起计算机“死机”。为此，采用了如下优化方案:
1)系统把全站仪操控部分分为应用层、控制层和通信层3个层次(见图4)。
图4 全站仪控制结构图
1)应用层提供应用接口，负责和系统程序进程的通信、数据交互以及全站仪操作流程的建立等工作;控制层负责全站仪操作流程控制和通信协议解析;通信层负责系统通信端口等硬件控制工作，各层之间采用消息机制进行通信。
(2)当系统需要全站仪工作时，向全站仪控制模块发出指令，应用层根据指令建立全站仪操作命令序列，并将命令序列发送到控制层;控制层将接收到的指令序列存储于1个FIFO队列结构中，然后启动通信过程，按FIFO队列中的命令，通过通信层向全站仪发送控制命令。
(3)当全站仪执行完指令后，向通信层发送命令的执行结果。通信层接收到数据后，向控制层发送消息，请求处理数据。此时控制层可以根据自身的状况，决定是否响应通信层的请求。控制层响应后，先进行数据格式检查，根据结果判断全站仪工作是否正常，并决定是否继续将FIFO队列中的指令继续发向通信层。当控制层认为已经完成全部控制流程时，向应用层发送消息。应用层响应该消息后，判定结果是否正确，如果正确，通过应用层向系统传输结果数据，系统可以根据结果进行有关运算。
(4)结合系统的传感器读数校核技术，可以保证系统传感器的精度始终处于良好状态。上层发送指令后不再等待下层的运行结果，直到下层指令执行完成后，再向上层发出请求处理信号，由上层决定是否响应下层请求。这样下层应用就成为上层应用的客户端;上层程序是下层的控制源或服务器端，避免了应用程序长时间等待全站仪工作结果的状况，从而大大提高了系统的可靠性，也提高了计算机的运行效率。
2.4.3 光学测量和电子检测相结合
3个棱镜可以确定1个盾构机的相对空间坐标系，而且棱镜在空间上分布的距离越远，则系统精度越高。但是由于受到盾构法隧道施工现场环境条件的影响，通视条件经常受干扰，特别是在小直径、小曲线半径隧道施工中，通视区域受限制，单纯使用3棱镜会造成频繁换站，增加现场测量人员工作量。另外，由于观测3个棱镜是依次进行的，而在掘进过程中盾构机始终处于运动状态。所以，观测间隔越长，需要观测的棱镜越多，系统的动态精度也就越低。
该系统不但加装检测盾构旋转和倾斜的传感器，而且增加了自动观测模式判别功能。通过自动目标识别全站仪检测可观测目标的情况，判别采用的观察模式，并在盾构静止时利用3个棱镜确定的相对空间坐标系计算盾构姿态数据，校核倾斜传感器。盾构掘进时利用倾斜传感器的参数，自动从3个棱镜中选用2个参与测量计算。此方法的优点是:通过观测模式的自动判别功能和倾斜仪修正功能，解决了传感器的非线性问题，提高了测量精度，提高了系统稳定性;利用两棱镜加倾斜仪的模式，降低现场测量通视要求(相对三棱镜而言)，缩短全站仪换站周期，扩大在小直径和小曲线半径隧道施工中的应用范围，同时也提高了在盾构运动状况下的系统精度。
2.4.4 解决现场无线通信干扰技术问题
盾构掘进机内装有变频器、高压柜、电动机等电气设备，系统运行的电磁环境复杂，全站仪和计算机之间的无线通信容易受到各种干扰。对于固定频率的干扰信号采用适当增加通信信号强度、调整通信频率、锁定通信地址等手段予以解决，效果良好，但是仍有少量随机干扰影响系统运行的稳定性。根据随机干扰的不确定性和系统实时性要求不高的特点，系统采用固定数据通信格式，在每次通信完成后检测格式是否正确，及时发现由于受干扰而发生格式改变的通信数据。对于格式正确的通信数据，根据测量对象的位置关系再进行校核，以求发现极少部分格式正确而数据受干扰被改变的通信数据。在发现数据受到干扰的基础上，根据干扰是随机的、持续时间短等特点，采用重发数据的方法，保证通信的正确性。
2.4.5 提高倾角仪安装调试灵敏度的装置
为保证倾角仪安装精度，设计了专用的倾角传感器安装装置(见图5)。在该装置中传感器固定底板上标注有平行于传感器中轴线的刻度线;锁定螺栓保证传感器安装完成后在盾构掘进过程中相对位置不发生变动。
图5 倾角传感器安装装置示意图
2.5 自动导向系统的主要功能和技术指标
1)本系统实现了盾构掘进姿态的连续自动测量，具有倾斜仪修正功能、辅助换台功能、数据查询、报表生成打印功能、后视检查及安装棱镜检查功能、测量数据管理等其他辅助功能。
2)系统实现了盾构掘进过程中的全自动测量，适用于各种类型及各种线型的盾构姿态自动测量。系统主要技术指标见表1。
表1 系统主要技术指标
3 工程应用效果
具有自主知识产权的盾构掘进自动导向系统已经在上海轨道交通9、11、13号线、上海打浦路隧道复线工程、上海军工路隧道工程、北京地铁亦庄线、杭州地铁1号线、郑州地铁1号线、杭州钱江通道等多个工程中得到应用，盾构直径从4.72m到15.43m，用户包括上海隧道股份、北京城建、上海建工、中国交通等多个施工单位，应用效果优良。表2是某工程采用进口导向系统与人工测量的数据;表3是该导向系统与人工测量的数据。
表2 某工程进口自动测量系统和人工测量误差比较
表3 某工程自行研发的自动测量系统和人工测量误差比较
以上推广应用的工程实践表明，该系统具有高可靠性和稳定性，达到国际同类产品的技术性能。研制的盾构掘进自动导向系统荣获“2010年上海市重点新产品奖”。