盾構(gòu)姿態(tài)人工測量方法

1、盾構(gòu)姿態(tài)人工測量方法隧道公司哈爾濱地鐵項目部 王維鵬摘要：本文以哈爾濱地鐵哈-南區(qū)間兩臺維爾特盾構(gòu)機盾構(gòu)姿態(tài)人工復(fù)核方法為例，運 用布設(shè)特征點、在CAD中建立特征模型等方式，總結(jié)出了在盾構(gòu)施工中人工檢查盾構(gòu)機姿態(tài) 的方法。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機姿態(tài)人工復(fù)核Auto CAD在盾構(gòu)法隧道施工中，為了確定盾構(gòu)推進過程中盾構(gòu)機的實時姿態(tài)，需要在其推進時實時的進行測量，為此一般盾構(gòu)機上都配有自動導(dǎo)向系統(tǒng)。 根據(jù)施工中的實際情況， 無論盾構(gòu) 機有沒有配備導(dǎo)向系統(tǒng)，對盾構(gòu)姿態(tài)進行人工復(fù)核都是非常必要的。在哈爾濱地鐵哈東站一 南直路區(qū)間施工中，由于我公司兩臺維爾特盾構(gòu)機的導(dǎo)向系統(tǒng) PPS經(jīng)過了長途運輸并多次拆解安裝，

2、原有的機械參數(shù)都不同程度的發(fā)生了變化，我們在該 區(qū)間始發(fā)時對導(dǎo)向系統(tǒng)進行了全面的檢修，并自主進行了導(dǎo)向系統(tǒng)硬件及軟件的安裝，并在此基礎(chǔ)上摸索出一套簡單的人工對盾構(gòu)機姿態(tài)進行復(fù)核的方法。下面分步驟進行簡述。1 .概述盾構(gòu)機裝完成始發(fā)前， 實地或運用相對局部坐標(biāo)系，或直接用大地坐標(biāo)系， 在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)下用一定測量方法測出盾構(gòu)機中軸線及特征點的空間三維坐標(biāo)。這些三維坐標(biāo)之間的關(guān)系本身就代表了特征點與盾構(gòu)機中軸線之間的關(guān)系。而這一關(guān)系即是我們建立特征模型的基礎(chǔ)。一般我們將盾構(gòu)機定義為一個剛性圓柱體，其前端面圓心0?與后端面圓心01的連線 為0二定義為盾構(gòu)機的中軸線。2 .特征模型的建立2.1 特征點

3、的制作根據(jù)盾構(gòu)機導(dǎo)向系統(tǒng)本身的特點，特征點有時候需要我們自己根據(jù)盾構(gòu)機的特征進行制作，布設(shè)。最簡單的方法就是用反射貼片直接貼在盾體的剛性結(jié)構(gòu)上，粘貼位置根據(jù)通視情況而定。當(dāng)然也可以采用螺桿焊接的方法，制作一些特殊裝置可以將棱鏡安裝在上面，如圖一所示。a、反射貼片特征點示意b、螺桿焊接特征點制作簡圖圖1盾構(gòu)機特征點制作簡圖2.2 盾構(gòu)機中軸線及特征點坐標(biāo)測量圖2特征斷面及測量點位分布圖盾構(gòu)機的中軸線一般采用測切口及盾尾兩個截面的幾何中心求得，如圖2所示，一般在特征斷面（如切口和盾尾）上等距的測量如上圖中若干點位的三維坐標(biāo)（X,Y,Z）。再根據(jù)任何三點一定在一平面上， 以及任何三點所構(gòu)成的三角形均

4、有一個外接圓的幾何理論，我們可以將各測點組合成若干個三角形，然后得出若干個圓心，將這些圓心的坐標(biāo)進行平差計算， 得出最佳圓心。當(dāng)然由于盾殼本身的材質(zhì)的粗糙度和制作工藝，不可能是正圓，另外測量過程中不可避免的會附帶測量誤差，導(dǎo)致我們的測量結(jié)果有一定的偏差，這就要求在實際操作中盡可能的去消除粗差。下面對測量過程中粗差的消除談?wù)勎易约旱男牡茫?2.2.1準(zhǔn)備工作盾構(gòu)姿態(tài)測量前準(zhǔn)備工作極為重要， 首先需要復(fù)測主控導(dǎo)線， 結(jié)果要符合規(guī)范及設(shè)計的 要求；其次，聯(lián)系測量必須符合規(guī)范要求，包括平面和高程聯(lián)系測量。另外在條件允許的前提下，盡量使用強制對中裝置。除此之外，測量前應(yīng)檢查所使用儀器的狀態(tài)，必要時實時參

5、考濕度、溫度及氣壓參數(shù)。2.2.2 建站建站是整個測量過程的基礎(chǔ)，其本質(zhì)就是確定儀器中心實際的平面坐標(biāo)及方位角和高 程，所以一般情況下將建站分為兩部分：平面和高程。目前行業(yè)中使用的大多是全站儀， 拋去儀器本身的機械誤差， 平面上人為可控的決定全 站儀建站精度的無非對中精度和后視時確定的方位角的精度；儀中高程的確定可使用精測過儀高的對中桿反測高差進行計算。如圖 3所示。圖3儀中高程反測示意2.2.3 碎部點測量建站完畢后即可進行碎部點的測量，這個過程要保證測得準(zhǔn)，測得合理，并能反映待測物體的幾何形狀。為此我們在實際操作中如圖4所示。圖4測點棱鏡擺放示意圖擺放的要點是要使棱鏡頭下部端頭與盾殼外表面

6、緊貼，盡量讓棱鏡頭中垂線接近盾殼外表面所在圓的法線方向。由于每個點均采用此法測量，所以在計算結(jié)果中半徑存在一致的誤 差值，用游標(biāo)卡尺等工具精確測量棱鏡的高度Hl后，即可將此誤差降為最小。在統(tǒng)一坐標(biāo)系下，按照上述方法采集盾構(gòu)機的中軸線及已經(jīng)做好的特征點的坐標(biāo)。為了提高測量結(jié)果的精度，可以采用多次測量求平均值的方法，另外對每個測點都分別用盤左和盤右各測一個值，計算時取均值為此點坐標(biāo)。3 .建立模型如圖5所示，通過測量1-7號三維坐標(biāo)計算01點坐標(biāo)，同理可得Or點坐標(biāo)。在同一坐 標(biāo)系下再測得 A、日C D坐標(biāo)。這些點即可組成所需的特征模型。Z圖5特征點一盾構(gòu)機中軸線模型示意圖3.1 利用Auto C

7、AD計算點坐標(biāo)將經(jīng)過簡單平差過的1-7號點三維坐標(biāo)展入 CAD同日將DTA數(shù)據(jù)也展入CADo按照如下操作建立用戶UCS工具一 新建UCS三點命令:_ucs當(dāng)前UCS名稱：*沒有名稱*指定UCS的原點或面（F）/命名（NA）/對象（OB）/上一個（P）/視圖（V）/世界（W）/X/Y/Z/Z軸（ZA） 世界 :_3指定新原點0,0,0: *以下根據(jù)提示依次指定新原點、X軸及丫軸。在正X軸范圍上指定點 1,0,0:在 UCS XY平面的正 Y軸范圍上指定點 0,1,0:結(jié)果如圖6所示。接下來按如下操作繪制經(jīng)過三點的圓：繪圖一 圓一 三點以上述7個點鐘的1、4、7號點為例，做圓 01。如圖6所示。然

8、后再退回原大地坐標(biāo)系。操作：工具一新建UCS上一個在這個坐標(biāo)系下讀取圓心 &的坐標(biāo)，即在以 1、4、7號點確定的平面上外接于這三點 連線組成的三角形的圓的圓心坐標(biāo)。圖6用戶坐標(biāo)系UCS通過組合17號點，上述方法可以求得很多個 01, 0口的坐標(biāo)，將這些坐標(biāo)取均值作為最佳0工坐標(biāo)。3.2 建立特征模型將A、B C、D各點坐標(biāo)重新展入 CAD這些點組成的圖形即為所需的特征模型。并將其粘貼為三維圖形塊保存。4、運用AutoCAD計算盾構(gòu)姿態(tài)綜上可知，A、B、C D為特征點，我們可以通過測量任意最少三個特征點的大地坐標(biāo)結(jié)合特征模型確定盾構(gòu)機中軸線0#的大地坐標(biāo)。下面對過程分步概述。4.1 盾構(gòu)

9、掘進設(shè)計軸線繪制一般施工中盾構(gòu)中線按照每整米里程計算一個中線三維坐標(biāo)，該數(shù)據(jù)稱為DTA-一中線數(shù)據(jù)文件。在記事本中將DTA數(shù)據(jù)粘貼成如下格式：line X1,Y1,Z1X2,Y2,Z2X3,Y3,Z3Xn,Yn,Zn +Space 或 Enter備注：最后一行 Xn,Yn,Zn后需加空格或回車，否則最后一點不能成功展點。將記事本的后綴“ .txt ”改為CAD腳本文件" .scr ”格式，在Auto CAD中選擇“工具 ，運行腳本”，則可將上述文件中各點坐標(biāo)逐點展入。4.2 模型引入將粘貼為塊的特征模型粘貼到繪制好的隧道中線模型圖中。圖7特征模型引入如圖7所示，A' ,B&#

10、39; C'為在大地坐標(biāo)系下實測盾構(gòu)機上的特征點。利用CAD的“對齊”工具將圖中虛線框中的特征模型參照A、B、C三點對齊到圖7下部的隧道中線模型上，結(jié)果如圖8所示。對齊操作如下：命令:3dalign選擇對象：選擇特征模型指定源平面和方向.*選擇三點確定源平面和方向指定基點或復(fù)制(C): *選擇A點指定第二個點或繼續(xù)(C) <C>: *選擇B點指定第三個點或繼續(xù)(C) <C>: *選擇C點指定目標(biāo)平面和方向.*選擇三點確定目標(biāo)平面和方向指定第一個目標(biāo)點：*選擇A '點指定第二個目標(biāo)點或 退出(X) <X>: *選擇B'點 指定第三個目標(biāo)

11、點或 退出(X) <X>: *選擇C'點 說明：*后為操作說明。圖8對齊操作結(jié)果示意4.3 利用三維對齊計算盾構(gòu)機的姿態(tài)參數(shù)上述操作完成后，打開CAD的“對象捕捉”工具，選擇垂直和端點項， 分別過0八02做垂線叫盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)包括前切口o二及盾尾。二的平面及高程偏差、盾體的俯仰角。下面就這幾個參數(shù)的讀取及計算做簡要陳述。4.3.1 盾構(gòu)機前切口及盾尾平面高程偏差在對齊操作的結(jié)果圖中選擇二或%K：,在命令行輸入命令“l(fā)ist ”，回車后會返回所選線段的屬T如圖9所示為&&線段的屬性。圖9線段的屬性上圖中，當(dāng)前UC汕的長度可看做是01點在XY平面上偏離隧道設(shè)計中線的數(shù)值，增量z為01點在z軸高程偏離隧道設(shè)計中線的數(shù)值。一般情況下數(shù)值的正負(fù)做如下定義：平面以掘進方向為準(zhǔn)，偏左為負(fù)，偏右為正；高程已隧道中心高程為準(zhǔn)，偏低為負(fù)，偏高位正。4.3.2 盾構(gòu)機中軸線的實際坡度同上在圖8中選取備0?,同理讀取其屬性，可分別查出02點的高程，則盾構(gòu)中軸線。小0工坡度： %一比P _- D式中：H1生高程；H2-0：高程；D010h O3O2之間的平距。5.小結(jié)通過在哈爾濱地鐵項目盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)組裝及始發(fā)后盾構(gòu)姿