摘要：PPS导向系统利用虚拟现实技术、仿真技术，结合全站仪，在盾构法地铁施工中采用无线数据传输，快捷、准确地以图形和数字的双重效果实时显示在IPC电脑屏幕上，向盾构机操作手提供刀盘和盾尾的位置与姿态，供盾构机操作手及时调整盾构掘进参数，指导正常施工。
关键词：PPS导向系统,盾构,IPC电脑,TCA电子全站仪
1、引言
本文通过介绍PPS导向系统，以及维尔特盾构机在深圳地铁2号线东延段2226标盾构区间的应用、维护及应注意的情况。
2、PPS导向系统
2.1 导向系统介绍
PPS导向系统创始于上世纪70年代，总部位于德国Landau。为各种型号的隧道掘进设备提供服务，同时PPS也为盾体、模具、管片提供高精度的测量服务。
在地铁隧道盾构机掘进过程中,为了避免盾构机发生意外的运动及方向的突然改变，必须对盾构机位置和隧道设计中线(DTA)的相对位置关系进行持续地监控测量，便于盾构机操作手能够按照设计路线精确地掘进，PPS导向该系统为盾构机沿设计轴线掘进提供了重要的数据信息，PPS导向系统具有完善的功能，操作简便。
2.2 导向系统组件
2.2.1导向系统组件配置及连接线路
PPS导向系统是由TCA全站仪、全站仪供电器、数据多路器、自动棱镜、参考棱镜、双轴倾斜仪和IPC电脑及TBM3计算软件组成。其组件布置见图2-1。
图2-1 PPS组件布置图
2.2.2主要系统组件功能简介
(1) TCA激光全站仪
安装有自动马达，具有自动照准目标和跟踪，并可发射激光束，与全站仪供电器直接连接，并通过无线方式将测量结果发送给数据多路器传输至IPC电脑。
(2) 数据多路器
是PPS导向系统的数据交换控制中枢，它能接收全站仪通过供电器发射的数据信号和发送IPS电脑给全站仪的控制信号、接收双轴倾斜仪俯仰和滚动的角度数据和盾构机PLC提供的铰接、油缸的伸长量数值，然后直接传输至IPC电脑，协调它们之间的数据信号传输，确保数据间通讯的有序工作。
(3) 双轴倾斜仪
是一台智能性型的传感器，它为数据多路器提供电源，并且同时发送俯仰和滚动的角度数值至数据多路器，通过数据多路器的协调传输至IPS电脑。
(4) IPC电脑
IPC电脑安装有TBM3计算软件，是导向系统数据处理和控制中心，分别与TCA全站仪、数据多路器、双轴倾斜仪和盾构机PLC数据信号进行传输和处理。
(4)工作过程概述
PPS导向系统由以上硬件组成，为TBM3程序提供测量数据和交换信息。工作过程如下：TCA全站仪对参考棱镜进行测量后，再对两个固定在盾构机头上的自动棱镜的位置进行测量，并把观测的数据通过全站仪供电器无线传输至数据多路器，TBM3软件通过IPC电脑调用双轴倾斜仪的俯仰和滚动的角度、推进油缸与铰接油缸的伸长量，以及一些预先设定的参数，然后对数据进行及时计算和分析盾构机的实时位置和设计线路在平、纵面上的位置和较差，并把结果通过数据和图形的形式显示在屏幕上。工作过程线路和测量界面如下图2-2所示：
图2-2 PPS工作过程线路和测量界面
2.3 PPS导向系统测量原理
2.3.1 坐标系统
任何测量工作的基础都是坐标系统，PPS导向系统采用了3种不同的坐标系统。
(1) 大地坐标系统：整个工程路段在局部或全国意义上的控制网中的位置描述，用来计算所有的固定点，起点和中间点，盾构机掘进线路。
(2) DTA系统：IPC电脑屏幕显示盾构机前、中、后基准点的里程和偏离值，如上图2-2。该坐标系统应以动态的意识来进行理解，它是实时的显示盾构机相对于DTA的偏移值，是相对位置关系的体现。
(3) 盾构机自身坐标系统：在盾构机前盾位置安装了两个自动棱镜和5个固定参考点，这些点位在本系统中有着固定的相对关系，每个点位和两个自动棱镜分布在不同的平面上，构成了盾构机的立体空间结构，其中盾构机的中轴线作为本坐标系的纵向轴，与其垂直的两条线作为本坐标系的横向轴和竖向轴，如下图2-3所示：
图2-3 盾构机自身坐标系统
2.3.2原理概述
在盾构机掘进过程中，首先是全站仪自动测量参考棱镜，然后测量自动棱镜的位置，根据自动棱镜和固定参考点之间的相对关系，推算整个盾构机的实际位置，然后模拟出盾构机中心线位置关系，对自动棱镜的数据通过全站仪供电器无线传输到数据多路器中，数据多路器汇合全站仪的定位数据、倾斜仪的俯仰和滚动角度数据传输至IPC电脑，IPC电脑将所有测量数据汇总，就可以确定盾构机在全球坐标系统中的精确位置。TBM3软件将前后两个参考点的三维坐标与事先输入计算机的DTA(隧道设计中线)比较，对这些数据进行调用和计算，进而显示盾构机的实际姿态。
2.4 在深圳地铁2号线东延段2226标盾构区间应用
在PPS导向系统安装完成后，就可以在IPC电脑上进行相应的操作，把维尔特盾构机的初始参数、左线隧道中线的DTA数据输入TBM3软件中和进行移站操作。
初始参数编辑是对整个PPS测量系统参数的设置，是测量系统各参照要素间相对位置关系的数据描述，也是软件准确运行的基础。
DTA数据是整个软件运行的核心，是测量专业人员利用相应的软件进行计算，然后输入到计算机中。DTA是盾构机掘进的轨迹，盾构机操作手就是根据软件的图形和数据显示，才能正确得出盾构机的实际推进位置和隧道设计轴线之间的偏差，并不断改变掘进参数。
图2-4 PPS软件参数编辑页面(限值)
图2-5 PPS软件DTA数据格式
维尔特盾构机掘进时的姿态控制是通过全站仪的实时测设自动棱镜的坐标，反算出前盾、中盾和盾尾的实际三维坐标，通过比较实测三维坐标与DTA三维坐标，从而得出盾构姿态参数。
随着盾构机的往前推进，每隔规定的距离就必须进行激光站的移站。激光站的专用托架可以安装在拼装好的管片上，具有一定的稳定性。底板中心焊上仪器连接螺栓，采取强制对中，减少仪器对中误差。托架安装位置在隧道左侧顶部不受台车的影响和破坏的地方。安装时，用水平尺大致调平托架底板后，将其固定好，然后可以安装前视棱镜或仪器。
移站一般在参考棱镜托架即将脱出盾构机最后一节台车后进行，把前视棱镜安装在预先安装好的托架上，PPS导向软件有自动移站功能，移站的过程除了托架和全站仪及参考棱镜的安装，其它测量工作都可以通过此功能完成。
3 结束语
PPS导向系统以简单、方便、及时和直观的交互界面充分发挥了“盾构机眼睛”的作用，在目前盾构法施工工艺中具有良好的应用前景。
PPS导向系统是建立在传统测量基础上技术研发，因此要求我们的主管人员必须具备基本的测量操作技能。在实际的运用过程中仍然某些操作细节不如VMT导向系统简单，需要不断的改进和完善，需要我们一线操作人员不断地提出建议，进行理论研究，最终探讨出在隧道相对恶劣环境下最理想的操作模式。
参考文献：
[1]GB50026-2007，工程测量规范.
[2]GB 50308-2008，城市轨道交通工程测量规范.
[3]《PPS 盾构导向系统使用培训》，PPS中国分公司技术培训班.
