有关盾构机姿态人工测量及计算方法的论证.docx

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有关盾构机姿态人工测量及计算方法的论证

盾构机姿态人工测量计算方法论坛

作者：

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【摘要】本文针对地铁隧道盾构法施工中盾构机的姿态位置，提出盾构机姿态的人工测量原理，简明地介绍了地铁建设中盾构及姿态人工测量过程,并着重对盾构机姿态定位中的测量工作做了深入细致的研究,阐述了盾构机自动导向系统姿态定位测量的原理和方法,以及如何使用人工测量的方法来检核自动导向系统的准确性,分析了盾构机姿态定位检测的情况。

确保盾构机按照设计的线路进行掘进。

【关键词】城市地铁；盾构机姿态；人工测量原理

1、概述

随着城市建设的飞速发展,我国在各大城市都开展了地铁建设,为了满足盾构掘进按设计要求贯通（贯通误差必须小于±50mm）,必须研究每一步盾构机姿态人工测量的方法。

2、人工测量原理简介

盾构机姿态的人工测量原理是利用安装在管片顶部小吊篮上采用强制归心的全站仪来测量盾构机上自设的三个人工标靶，通过专业的盾构掘进姿态解算程序来计算盾构机的掘进姿态，及时指导盾构机纠偏，确保盾构机按照设计的线路进行掘进。

3、盾构机姿态位置的检测方法和计算

由于盾构机在隧道内推进过程中有各项因素都可能影响ENZAN系统的稳定性，这时候我们就需要通过其他方法来检测盾构机姿态是否在设计轴线内。

间隔时间取决于隧道的具体情况,在有严重的光折射效应的隧道中,每次检查之间的间隔时间应该比较短。

这主要是由于空气温度差别很大的效应。

论述折射及其效应的题目有大量的文献资料,此处不再详述。

在隧道测量时必须始终考虑这一效应。

低估这个问题可能会引起严重的困难,尤其在长隧道中。

我们采用在盾构机上焊接钢筋头来对盾构机的姿态进行检查，在盾构机1、2、3号棱镜边焊接一根5cm左右长度的钢筋头，并在钢筋头上凿好十字丝，在盾构始发前应多次测设钢筋头与盾构机三维轴线坐标，他们相对于盾构机的轴线有固定的参数关系，即它们与盾构机的轴线构成局部坐标系。

测量时只需测出三个钢筋头位置，通过始发前建立的局部坐标系，就可以计算出盾构机的姿态与位置参数与ENZAN系统上显示的实时姿态的差别，推断实时姿态是否准确。

盾构机推进时，若是在管片拼装中施工操作人员无意中破坏了三个前视棱镜，也能通过始发前焊接好的钢筋头推算盾构机姿态，从而恢复三个前视小棱镜与盾构机的相对姿态（即它们与盾构机的局部坐标系）。

如图所示：

首先需要测量出刀尖及盾尾中心的三维坐标，其中盾尾中心坐标只能间接测量，一般通过测量盾尾圆边左右水平对称的点的平面坐标，取其平均值为盾尾中心平面坐标。

盾构机平面坐标测量

测量方法如下图：

可以在刀尖和盾尾分别吊一根钢丝对称吊下，在钢丝下面绑一重锤且对称同时绑定使其悬空放置，并把重锤分别放与油桶内使其完全稳定后让其钢丝上的反射片对准仪器，同时在对称两侧分别架一台全站仪两台全站仪同时测量两对称钢丝上反射片的平面坐标。

在测量过程中直至盾构机测量导向系统调试完成前任何人不得移动或碰撞盾构机，为了提高精度，应至少测四组以上对称点坐标，剔除可能存在的初差值，取平均值为盾尾中心平面坐标；刀尖测量方法与盾尾测量方法一致。

如图所示：

盾构机高程测量

可通过水准尺测量盾尾圆内壁顶部和底部的高程，取其平均值作为中心高程，刀尖高程可通过水准尺测量刀尖最顶部高程然后减去刀尖直径的一半作为刀尖中心高程。

盾构机俯仰角人工测量

同盾构机高程测量一致测量出刀尖中心高程H1和盾尾中心高程H2取其刀尖和盾尾中心高程之差H1-H2等于高差H，然后用卷尺量取刀尖至盾尾中心距离S，通过反正切三角函数计算出来盾构机俯仰角，具体如下：

arctan（H/S）得到一角度即为盾构机俯仰角负值代表盾构机下坡、正值代表盾构机上坡。

盾构机回转角人工测量

首先我们在盾尾内找一盾尾两边对称注浆管，分别测量出两对称点高程左H1、右H2然后取两对称点高差（H1-H2）等于H,在用钢尺量取两对称点高程之间距离S，通过反正切三角函数计算出来盾构机回转角，即arctan（H/S）得到一角度即为盾构机回转角，负值代表左回转、正值代表右回转。

盾构机标靶测量

我们应保证盾构机在完全静止的状态下完成这项测量工作，打开我们的标靶保护装置使标靶上的反射片上无任何污债，我们首先在盾构机上方做两个吊蓝，然后把全站仪架立与站点吊篮上且与前视三个目标靶都通视，照准盾构机上后视吊篮，采用全圆测回法进行导线测量。

由于盾构机下井所以里面标靶采光不好可采用人工照明。

高程可采用三角高程正倒镜测量四测回取其平均值作为三个标靶的高程。

我们已经测出左,中,右（1,2,3号）三个参考点的实际三维坐标,分别为（X1,Y1,Z1）,（X2,Y2,Z2）,（X3,Y3,Z3）,并测知盾首中心的实际三维坐标（X首,Y首,Z首）和盾尾中心的实际三维坐标（X尾,Y尾,Z尾）。

三个方程三个未知量,采用专业软件解算方程组。

我们测出某一里程盾构机上三个参数点（1,2,3）的实际三维坐标分别为:

从以上数据可以得知,在与对应里程上盾首中心和盾尾中心设计的三维坐标比较后,就可以得出盾构机轴线与设计轴线的左右偏差值和上下偏差值,以及盾构机的坡度,这就是盾构机的姿态。

把计算得出的盾构机姿态与自动导向系统在计算机屏幕上显示的姿态作比较,据我们的实践经验,只要两者的差值不大于10mm,就可以认为自动导向系统是正确的。

自动导向系统的组成

自动导向系统总体组成示意图

1有自动照准目标功能的全自动马达全站仪，主要用于测量角度（水平角、垂直角）、距离和发射激光。

2高精度圆棱镜，主要用于接收、反射激光信号。

3计算机和隧道掘进软件，演算工坊（ENZAN）软件是自动测量系统的核心，它从全站仪等通信设备接收数据，并通过软件计算，把数据以数字和图形的形式显示在计算机上。

4系统组装：

本系统组装前，应找有经验的电工检查各类线缆是否能正常通讯，不能通讯的线缆应续接好。

组装步骤如下：

1好三个前视棱镜位置，要考虑后期盾构机在推进时不能有遮挡，最少有两个棱镜能测到（1#和3#，或者2#和3#，3#棱镜为必测棱镜）。

有的盾构机因为机械老化的原因有盾尾漏浆现象，建议对前视棱镜加上保护挡板，以免浆液溅入棱镜内凝固后导致棱镜损坏。

2棱镜装好后，将线缆接入白盒子，4芯插头插入白盒子上带编号内接口，5芯插口接入右侧插头，棱镜插头分别插入前视挡板以及回光信号接口处。

3白盒子上插头全部接好后，将5芯带针头的插头顺着盾构机与台车连接的线槽接入ROBOTECInterface控制盒内。

4将黄盒子固定后，接入控制全站仪的信号线，电源线，先将7芯的信号线插口从ROBOTECInterface控制盒接入黄盒子另一端的7芯插头。

5将ROBOTECInterface控制盒内线头接好后，接入黄盒子的电源线，信号线。

盾构机测量导向系统工作原理

地铁隧道贯通测量中的地下控制导线是一条支导线,它指示着盾构的推进方向,导线点随着盾构机的推进延伸,导线点通常建立在管片的侧面仪器台上和右上侧内外架式的吊篮上,仪器采用强制归心,为了提高地下导线点的精度,应尽量减少支导线点,拉长两导线点的距离（但又不能无限制的拉长）,并尽可能布设近乎直伸的导线。

一般两导线点的间距宜控制在150m左右。

演算工坊（ENZAN）自动导向系统的姿态定位主要是依据地下控制导线点来精确确定盾构机掘进的方向和位置。

在掘进中盾构机的自动导向系统是如何定位的呢?

它主要是根据地下控制导线上一个点的坐标（即X、Y、Z）来确定的,这个点就是带有激光器的全站仪的位置,然后全站仪将依照作为后视方向的另一个地下导线的控制点来定向,这样就确定了北方向,即方位角。

再利用全站仪自动测出的测站与三个TGT棱镜之间的距离和方位角（一般设置三个，其中一个备用）,根据预先测定棱镜与盾构机切口和盾尾的相对位置关系以及盾构机的俯仰角、滚转角推算出切口和盾尾的绝对坐标。

然后将切口和盾尾的绝对坐标与设计轴线相比较得出盾构的偏离情况，即水平偏差和垂直偏差。

就可以知道TGT棱镜的平面坐标（即X、Y）,利用三角高程测出TGT棱镜的高程值（即Z）。

激光束射向TGT,TGT就可以测定激光相对于TGT平面的偏角。

在TGT入射点之间测得的折射角及入射角用于测定盾构机相对于隧道设计轴线（DTA）的偏角。

坡度和旋转直接用安装在盾构机前头内的倾斜仪测量。

这个数据大约每三秒钟更新一次传输至控制用的计算机。

通过全站仪测出的与TGT之间的距离可以提供沿着DTA掘进的盾构机的里程长度。

所有测得的数据由无线发射盒发送至无线接收盒在由无线接收盒通过通信电缆传输至计算机,通过软件组合起来用于计算盾构机轴线上前、后、及铰接三个参考点的精确的空间位置,并与隧道设计轴线（DTA）比较,得出的偏差值显示在屏幕上,这就是盾构机的姿态,在推进时只要控制好姿态,盾构机就能精确地沿着隧道设计轴线掘进,保证隧道能顺利准确的贯通。

自动导向系统调试方法

在盾构机始发前要对导向系统进行调试：

系统调试是在线路全部连接，且棱镜安装完毕后，通过控制室电脑操作看是否能控制全站仪和前视棱镜，自动全站仪安装完后，要将键盘拆下，否则无法自动测量。

始发前根据控制网人工测量出切口中心、盾尾中心、铰接中心、全站仪站点、后视点绝对坐标以及盾构机俯仰角、回转角。

将全站仪站点、后视点的三维坐标输入到计算机，机械校正盾构机俯仰角（头高为正）、回转角（顺时为正）。

通过全站仪自动测量盾构机三个目标棱镜的绝对坐标。

进入TargetCalc.exe程序，输入全站仪自动测量的三个目标棱镜、人工测量的切口中心、盾尾中心绝对坐标以及俯仰角、滚转角。

程序会生成三个棱镜以切口中心为坐标原点建立的相对坐标系的坐标。

其中平移长度请输入0即可，都输入完成后单击计算（俯仰角和滚转角须确认和盾构机上的已经调试到一样）。

则棱镜几何坐标会出现计算结果，接着将结果输到测量系统的棱镜设定画面中，进行目标间确认，保证三个目标棱镜的相对误差小于10mm。

将设计轴线坐标文件拷贝到测量文件目录下，系统将会在线形图表里显示设计轴线图形（平、纵断面图）。

调试完成后在计算机上进行ROBOTEC测量操作，即可显示盾构机轴线相对隧道理论轴线的位置关系。