盾构隧道测量.ppt

盾构隧道测量.ppt

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盾构施工中的测量工作,盾构：

是在软土地层中暗挖隧道的一种施工工法。

盾构机：

一种隧道掘进机械。

是利用回转刀具开挖，破碎洞内围岩，同时掘进、支护、衬砌形成完整隧道断面的隧道施工机械；广泛应用于水利水电、地铁、矿山开采、交通、市政、国防等工程，盾构机的分类：

盾构机根据工作方式和出渣方法分为泥水气压平衡（在刀盘的开挖仓后部还有一个气平衡仓），土压平衡（是通过控制刀盘开挖仓内的渣土压力，来控制开挖处地面的沉降），敞开式硬岩掘进机（开挖仓的门掘进时一直处于开启状态，渣石由刀盘的导流槽刮起流出，用皮带运输机带走），土压平衡和敞开硬岩双模式以及超大直径环形管预挖盾构机。

盾构机的基本工作原理由机手操作液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，然后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。

当盾构机掘进一环的距离后，此时停下刀盘驱动马达，再由拼装机操作手操作拼装机拼装衬砌环片，使隧道一次成型。

盾构机操作室,测量工作在盾构施工中的目的和作用,保证盾构机能够按照设计路线精确地掘进，并准确地从预留洞门贯通。

内容提要,一.地下洞内轴线的控制二.自动测量系统的应用盾构施工测量的关键工作在于地下洞内导线（轴线）的控制。

其中地下洞内轴线的传递方式主要为竖井联系测量。

其中竖井联系测量分为联系三角形测量、陀螺仪定向测量、导线直接投点法。

在盾构施工的掘进中,自动测量系统起着指导盾构机沿设计线路中心线推进的作用.,一、地下洞内轴线的控制,

（一）、地下洞内轴线控制的目的和意义目的是用一定的方式（竖井联系测量）将地面坐标系统传入到地下洞内的起始点、起始边。

以起始边为首向洞内敷设一条支导线，并以此支导线作为地下洞内的控制轴线，将坐标导入到盾构机上的自动测量系统，从而引导盾构机的掘进方向。

因此洞内轴线控制的好坏直接决定了隧洞的贯通质量，也是整个盾构工程成败的关键因素之一。

（二）、地下洞内轴线控制的内容地下平面控制测量1.竖井联系三角形测量2.陀螺经纬仪定向测量3.导线直接投点法地下高程控制测量1.悬挂钢尺导入法2.全站仪三角高程法传递高程3.全站仪天顶测距法传递高程,联系三角形测量在竖井中悬挂两根钢丝，在地面近井点与钢丝组成三角形，并测定近井点与钢丝的距离和角度，从而算得两钢丝的坐标以及他们之间的方位角。

在井下，同样井下近井点也与钢丝构成三角形，并测定井下近井点与钢丝的距离和角度，由于钢丝处在自由悬挂状态，可以认为钢丝的坐标和方位角与地面一致，通过计算便可获得地下导线起算，这样就把地面与地下的坐标系统统一起来。

地下三角形的角度可通过正弦定理求得：

联系三角形测量，每次定向应独立进行三次，取三次平均值作为定向成果。

在同一竖井中内可悬挂两根钢丝组成联系三角形。

井上、井下联系三角形布置应满足下列要求：

1.竖井中悬挂钢丝间的距离a应尽可能长；2.联系三角形锐角宜小于1，呈直伸三角形；3.c/a及c/a宜小于1.5，c、c为近井点至悬挂钢丝的最短距离。

做联系三角形测量的钢丝宜选用直径0.3mm的钢丝，悬挂重物重量10kg，重物应浸没在阻尼液中。

经过竖井用联系三角形法将方位角传递到地下去时，地下导线起始边方位角的误差可以用下列公式：

边长测量误差所引起的计算角度的误差,角度观测误差的影响,用吊锤投点误差的影响,联系三角形测量向洞内投点时应尽量拉大点间距，在竖井底板，最好投四个点，保证竖井两端都各有两个控制点。

且尽量保证每次联系测量投点时都投在这四个点上。

以便取多次联系测量的加权平均值做为最终的地下洞内轴线控制的起算点坐标。

陀螺经纬仪定向测量,陀螺经纬仪是一种全天候、不依赖其他条件能够测定真北方位的物理定向仪器。

凡是绕自身轴高速旋转的任意刚体都可以看作是一个陀螺，自由陀螺仪有两个基本特性：

定轴性和进动性。

进动性自由陀螺仪的基本特性之，当绕内框架轴作用外力矩时，将使高速旋转的转子自转轴产生绕外框架轴的进动，而绕外框架轴作用外力矩时，将使转子轴产生绕内框架轴的进动。

定轴性是自由陀螺仪的另一基本特性。

无论基座绕陀螺仪自转轴转动，还是绕内框架轴或外框架轴方向转动，都不会直接带动陀螺转子一起转动（指转子自转之外的转动）。

由内、外框架所组成的框架装置，将基座的转动与陀螺转子隔离开来。

这样，如果陀螺仪自转轴稳定在惯性空间的某个方位上，当基座转动时，它仍然稳定在原来的方位上。

在隧道等挖掘工程中，坑内的中心线测量一般采用难以保证精度的长距离导线。

特别是进行盾构掘进的情况，从立坑的短基准中心线出发必须有很高的测角精度和移站精度，测量中还要经常进行地面和地下的对应检查，以确保测量的精度。

特别是在密集的城市地区，不可能进行过多的检测作业而遇到困难。

如果使用陀螺经纬仪可以得到绝对高精度的方位基准，而且可减少耗费很高的检测作业（检查点最少），是一种效率很高的隧道轴线定向的测量方法。

陀螺经纬仪定向的一般步骤如下：

1）在地面已知边上测定测前仪器常数；2）在待定边上测定该边的陀螺方位角；3）在地面已知边上测定测后仪器常数；4）计算待定边坐标方位角和精度评定。

导线直接投点法,导线直接传递测量应符合下列要求：

1.竖直角应小于30；2.仪器和棱镜安置宜采用强制对中或三联脚架法；3.各测回间应检查仪器和棱镜气泡的偏离情况，必要时重新整平；4.导线边长必须对向观测。

高程传递测量,高程传递测量是将地面坐标系统中的高程传递到地下隧道高程起算点上的测量工作。

根据不同的精度要求，可采取不同的测量方法。

悬挂钢尺导入法全站仪三角高程法传递高程全站仪天顶测距法传递高程,悬挂钢尺导入法,悬挂钢尺导入法利用悬挂的钢尺向地下传递高程是经常采用的测量方法，测量时，首先应建挂尺架，在挂尺架上悬挂经检定过的钢尺至底部，钢尺零刻化端朝下，并在下端挂一个重锤（一般为10kg），重锤重量应与钢尺检定时拉力相同；然后在地上和地下各安置一台水准仪（在盾构施工测量中一般采用LeicaNA2/GPM3精密水准仪，0.7mm/km）进行测量。

全站仪三角高程法传递高程,当竖井联系测量采用导线直接传递法将方位角传递到井下时，可同时采用全站仪三角高程法将高程传递到井下。

全站仪天顶测距法传递高程,地铁盾构施工中，车站施工竖井或定向测量投点孔，为采用全站仪天顶测距法传递高程步骤如下：

在竖井或隧道中钻孔下安置配有弯管目镜的全站仪，并将望远镜放置水平，即竖盘天顶距读数为90，读取立于井下待测高程的控制点上的水准尺读数，得到仪器高。

在地面投点孔上方安置有孔的钢板，在钢板孔上安置反射棱镜。

然后将望远镜指向天顶，显示天顶距读数为0的状态，并瞄准反射棱镜，按测距键测定垂直距离；仪器高程加垂直距离后，即得到仪器与钢板面的高差。

在地面上用水准仪将钢板面与地面水准控制点联测，得到钢板面高程后，根据已经测得的仪器高、仪器与钢板面的高差，从而计算出井下高程控制点的高程。

二、盾构机（TBM）掘进中的自动测量系统,

（一）、VMT导向系统的基本组成、功能和原理此系统是由激光全站仪（TCA）、中央控制箱、ESL靶、后视棱镜、黄盒子和工业电脑及隧道掘进软件组成。

1.激光全站仪：

具有伺服马达，可以自动照准目标和跟踪，并可发射激光束，主要用于后视定向，测量距离、水平角和竖直角，并将测量结果传输到操作室的工业电脑上。

2.ESL靶是一台智能性型的传感器，用来确定盾构机的偏航角、滚动角及俯仰角。

ELS接收激光全站仪发射的激光束，测定激光光束的X坐标及Y坐标。

偏航角是由ELS内置的光学元件“阴屏”通过感光角度来确定，滚动角和俯仰角则由该系统内置的两个倾斜仪测量，一个纵向放置，一个横向放置。

ELS靶在盾构机机体上的位置是固定的，即相对TBM坐标系的位置是确定的。

3.后视棱镜,3.中央控制箱VMT系统各线路的主要的接口箱，它为黄盒子（间接为激光全站仪）及ELS靶供电，是此系统的关键部分之一。

4.黄盒子它主要为激光全站仪供电，并与操作室的工业电脑保持通信和传输数据。

一般位于激光全站仪旁边，和全站仪一起置于托架上。

5.工业电脑及隧道掘进软件SLS-T软件是VMT导向系统数据处理和自动控制的核心，通过这台工业电脑分别与全站仪和ELS靶通信并交换数据，将盾构机在线路的平面、纵断面上的位置计算出来后，以数字和模拟图形在计算机上显示出来。

导向系统的工作原理：

地下洞内轴线控制点是支持盾构机掘进导向定位的基础。

激光全站仪安装在位于盾构机掘进方向右上侧管片上的托架上，后视一个基准点（后视靶棱镜）定位后。

全站仪自动掉转方向，搜索前视ELS靶，ELS靶接收到全站仪发出的激光定向光束，即可获取激光站至ELS靶的方位角、竖直角，通过ELS靶上的小棱镜和激光全站仪就可以测量出激光站至ELS靶间的距离。

TBM的仰俯角和滚动角通过ELS靶内置的两个倾斜仪来测定。

ELS靶将各项测量数据传输给操作室的工业电脑，计算机将所有测量数据汇总，就可以确定TBM在隧道内的坐标系统中的精确位置。

将前后两个参考点（盾头和盾尾）的三维坐标与工业电脑内的DTA（隧道设计中心线）相比较，以毫米为单位显示出盾构机的实时姿态。

盾构机在掘进时的姿态控制是通过全站仪的实时测设ELS靶的坐标，反算出盾构机盾头、盾尾的实际三维坐标，将实测的三维坐标与DTA相比较，从而计算出盾构机的姿态参数。

随着盾构机不断往前推进，每隔一定的距离就必须进行激光站的前移（这是因为盾构隧道设计的线路会因不同的上下坡度和左右转弯，导致TCA发生视场死角，且当距离过远时，ELS靶接收的激光信号强度变弱，因而无法正常工作）。

激光站的支架用角钢和钢板做成可以安装在管片螺栓的托架形式,采取强制对中，减少仪器对中误差。

托架安装的位置在隧道右侧管片的顶部。

安装时，用水平尺大致调平托架底板，将其固定好，然后安装后视棱镜和仪器。

激光站人工移站,自动测量系统的维护和检修,ELS靶：

.由于ELS靶的安装位置附近有注浆管片，在注浆的过程中很容易被人碰到，而前面板又是由玻璃制成的，所以很容易被破坏。

特别是ELS靶上的小棱镜更是容易松动，因此需要对其采取防护措施，例如在其四周加装木版或加焊铁板等。

.ELS靶前面板保护屏要经常擦干净，防止激光束难以穿透而导致ELS靶里面的光学元件接收的信号太弱以至系统不能正常工作；.ELS靶附近不能有强光干扰，否则会影响盾构机姿态的显示。

2）电缆：

在盾构机向前推进的过程中，常常会把传输电缆拉断。

问题严重的时候，甚至可以把激光站托架和黄盒子都拉动，从而威胁到激光全站仪的安全。

要避免此类问题，只需用一个线盘把VMT导向系统的传输电缆卷安装在激光站点的前面，这样当盾构机向前推进时，线盘里面的电缆一直是顺着拉；为安全起见可以在盾构机台车顶部电缆可能经过的地方用安全网覆盖起来，把每节台车顶上的各个突起物盖住或者干脆取下来防止电缆被勾断，最后再经常整理一下传输电缆线以确保其万无一失。

3）激光站和黄盒子：

盾构机始发时，由于激光站托架是安装在竖井里面，激光全站仪和黄盒子容易被雨水淋湿，所以有必要在托架周围加装挡板以阻挡雨水的侵入和皮带机上的掉下的泥土。

在隧道里面工作时，激光全站仪和黄盒子要经常将其上面的灰尘和泥土擦洗干净，保证其信号传输的顺畅。

盾构姿态和管片安装的人工测量,对于安装有自动测量系统的盾构机也要采用人工测量的方法进行盾构姿态和管片测量。

这是因为受所配置的盾构机导向系统的精度限制，超过一定的距离测量的精度就不能满足施工对隧道偏差的要求，加之隧道内测量条件差，同时也是为了加强检核，必须独立于自动测量系统，在每掘进一定的距离后应对盾构机的姿态和位置进行检核测量。

测量方法：

1）对盾构机上所设置的测量标志的测量一般采用极坐标法，测量其三维坐标。

2）对管片安装测量使用全站仪、水准仪和带有水平气泡的板尺，分别采用极坐标法、水准测量的方法和直接丈量的方法。

在管片出车架，管片壁后注浆完成后，将板尺水平横放在衬砌环上，测量板尺中心和该处的顶、底版高程等直接或间接得到衬砌环的中心坐标、底部高程、水平直径、垂直直径和前端面里程，测量误差在3mm以内。

谢谢,