[PPT]盾構(gòu)法施工測(cè)量培訓(xùn)_ppt

1、TBM施工測(cè)量 2007年09月1、TBM施工測(cè)量的目的、依據(jù)及內(nèi)容 2、施工測(cè)量的一般要求 3、地面控制測(cè)量 4、地下控制測(cè)量 5、掘進(jìn)施工測(cè)量 6、貫通測(cè)量 7、竣工測(cè)量TBM施工測(cè)量1 TBM 施工測(cè)量的目的、依據(jù)及內(nèi)容 1.1目的：保證相向開挖的工作面，按照規(guī)定的精度在預(yù)定位置貫通；保證洞內(nèi)各項(xiàng)建筑物以規(guī)定的精度按照設(shè)計(jì)位置、幾何尺寸修建，不得侵入建筑限界。 1.2依據(jù)：現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)全球定位系統(tǒng)（GPS）鐵路測(cè)量規(guī)程、新建鐵路工程測(cè)量規(guī)范、工程測(cè)量規(guī)范等相關(guān)技術(shù)規(guī)定。 1.3內(nèi)容：地面控制測(cè)量 地下控制測(cè)量 掘進(jìn)施工測(cè)量 貫通測(cè)量 竣工測(cè)量2 施工測(cè)量的一般要求 1 施工測(cè)量工作開始

2、前，應(yīng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘，接受和收集相關(guān)的測(cè)量資料，辦理測(cè)量資料的交接手續(xù)，并對(duì)既有的測(cè)量控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)和保護(hù)。 2 了解掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)和其自身配置的導(dǎo)向系統(tǒng)的特點(diǎn)、精度以及人工測(cè)量?jī)x器的精度，制定科學(xué)的、適用掘進(jìn)機(jī)施工的測(cè)量方案。 3 地面施工控制測(cè)量控制點(diǎn)必須埋設(shè)在施工變形區(qū)以外。 4 測(cè)量外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使用規(guī)范的表格和軟件，并有復(fù)核手續(xù)。 3 地面控制測(cè)量 3.1一般要求 應(yīng)了解全線已有控制網(wǎng)的現(xiàn)狀、坐標(biāo)和高程系統(tǒng)、布網(wǎng)方法、布網(wǎng)層次和精度等狀況，并通過踏勘和檢測(cè)對(duì)本施工段測(cè)量控制點(diǎn)分布的合理性、可靠性等作出評(píng)價(jià)，選擇合適的坐標(biāo)、高程起算控制點(diǎn)，制定合理

3、的掘進(jìn)機(jī)施工控制測(cè)量方案。 直線隧道長(zhǎng)度大于1000m，曲線隧道長(zhǎng)度大于 500 m，均應(yīng)根據(jù)橫向貫通精度要求進(jìn)行隧道平面控制測(cè)量設(shè)計(jì)。 兩相鄰開挖洞口（包括橫洞口、斜井口）高程路線長(zhǎng)度大于5000m，應(yīng)根據(jù)高程貫通精度要求進(jìn)行隧道高程控制測(cè)量設(shè)計(jì)。 3.2 地面平面控制測(cè)量 對(duì)于直線隧道，洞外平面控制測(cè)量的目的主要是獲取兩端洞口較為精確的點(diǎn)的平面位置和引測(cè)進(jìn)洞的方向;對(duì)于曲線隧道，洞外平面控制測(cè)量除具有與直線隧道相同的目的外，還在于間接求算隧道所在曲線的轉(zhuǎn)向角及兩端洞口控制樁與交點(diǎn)的相對(duì)位置，進(jìn)而按設(shè)計(jì)選配圓曲線半徑和緩和曲線長(zhǎng)重新確定隧道中線的位置。 隧道洞外測(cè)量一般采用GPS及高精度全站

4、儀進(jìn)行測(cè)量，常用的方法有：中線法、精密導(dǎo)線法、三角鎖法。 3.3 地面高程控制測(cè)量 洞外高程控制測(cè)量的任務(wù)，是按照測(cè)量設(shè)計(jì)中規(guī)定的精度要求，以洞口附近一個(gè)線路定測(cè)點(diǎn)的高程為起算高程，測(cè)量并傳算到隧道另一端洞口與另一個(gè)定測(cè)高程點(diǎn)閉合。 隧道高程控制測(cè)量一般采用水淮測(cè)量，對(duì)于四、五等高程控制測(cè)量也可采用光電測(cè)距三角高程測(cè)量。洞外高程測(cè)量的等級(jí)劃分4 洞內(nèi)控制測(cè)量 4.1 洞內(nèi)控制測(cè)量的特點(diǎn) 洞內(nèi)控制測(cè)量起始于兩端洞口處的洞外控制點(diǎn)，隨著隧道的開挖而向前延伸。因此，只能敷設(shè)成支線形式，其形狀完全取決于隧道的形狀。 只能用重復(fù)觀測(cè)的方法進(jìn)行檢核。 洞內(nèi)觀測(cè)施工干擾大，環(huán)境條件差，明亮度差，邊長(zhǎng)較短等對(duì)

5、控制測(cè)量不利。 4.2 洞內(nèi)平面控制 洞內(nèi)平面控制通常有兩種形式，即中線形式和導(dǎo)線形式。 中線形式就是以定測(cè)精度或稍高于定測(cè)精度，在洞內(nèi)按中線測(cè)量的方法測(cè)設(shè)隧道中線。這種方法只適用于短隧道。 洞內(nèi)導(dǎo)線主要有以下幾種形式：a 單導(dǎo)線；b 導(dǎo)線環(huán)；c 主副導(dǎo)線環(huán)；d 交叉導(dǎo)線；e 旁點(diǎn)導(dǎo)線。 4.3 洞內(nèi)導(dǎo)線應(yīng)注意的問題 導(dǎo)線點(diǎn)應(yīng)盡量布設(shè)在施工干擾小、通視良好、地層穩(wěn)固的地方； 點(diǎn)間視線應(yīng)離開洞內(nèi)設(shè)施0.2 m 以上； 導(dǎo)線的邊長(zhǎng)在直線地段不宜短于200m，在曲線地段不宜短于70 m，并盡量選擇長(zhǎng)邊和接近等邊； 導(dǎo)線點(diǎn)應(yīng)布置于巖石穩(wěn)定的地段，并在上面蓋鐵板以保護(hù)樁面及標(biāo)志中心不受損壞，為便于尋找，

6、應(yīng)在邊墻上用紅油漆預(yù)以標(biāo)注。 4.4 洞內(nèi)高程控制 洞內(nèi)高程控制測(cè)量的目的，是由洞口高程控制點(diǎn)向洞內(nèi)傳遞高程，即測(cè)定洞內(nèi)各高程控制點(diǎn)的高程，作為洞內(nèi)施工高程放樣的依據(jù)。 洞內(nèi)應(yīng)每隔200500m設(shè)立一對(duì)高程控制點(diǎn)。高程控制點(diǎn)可選在導(dǎo)線點(diǎn)上，也可根據(jù)情況埋設(shè)在隧道的頂板、底板或邊墻上。 三等及以上的高程控制測(cè)量應(yīng)采用水準(zhǔn)測(cè)量，四、五等可采用水準(zhǔn)測(cè)量或光電測(cè)距三角高程測(cè)量; 當(dāng)采用水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，應(yīng)進(jìn)行往返觀測(cè)；采用光電測(cè)距三角高程測(cè)量時(shí)，應(yīng)進(jìn)行對(duì)向觀測(cè); 高程導(dǎo)線宜構(gòu)成閉合環(huán)。 5 掘進(jìn)施工測(cè)量 1 掘進(jìn)機(jī)始發(fā)前，應(yīng)將平面和高程測(cè)量數(shù)據(jù)傳入隧道內(nèi)的控制點(diǎn)上，并應(yīng)滿足掘進(jìn)機(jī)組裝、基座、反力架和導(dǎo)軌等的

7、安裝以及掘進(jìn)機(jī)始發(fā)對(duì)測(cè)量的要求。 2 掘進(jìn)機(jī)就位后應(yīng)利用人工測(cè)量方法準(zhǔn)確測(cè)定掘進(jìn)機(jī)的初始位置和姿態(tài)，掘進(jìn)機(jī)自身導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)得的成果應(yīng)與人工測(cè)量結(jié)果一致。 3 掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)測(cè)量應(yīng)滿足的要求：名稱單位取位精度平面偏差mm 1高程偏差mm1俯仰角1方位角1滾轉(zhuǎn)角1切口里程m0.01 TBM掘進(jìn)施工測(cè)量以洞內(nèi)控制測(cè)量為基礎(chǔ)，以其激光導(dǎo)向裝置為主體，由洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)和高程點(diǎn)為TBM的激光導(dǎo)向裝置提供定位和定向的依據(jù)，并提供相應(yīng)的坐標(biāo)信息，進(jìn)而由激光導(dǎo)向裝置監(jiān)控和指導(dǎo)TBM進(jìn)行掘進(jìn)施工。 激光導(dǎo)向系統(tǒng)主要由固定于洞壁上的激光源、固定于主機(jī)上的激光靶、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)及信息顯示器、黃盒子等組成。 激光全站儀安裝在固定

8、于已成型隧道洞壁上的拖架上，后視一基準(zhǔn)點(diǎn)（后視靶棱鏡）定位后。全站儀自動(dòng)掉過方向來，收尋ELS靶， ELS接收入射的激光定向光束，即可獲取激光站至ELS靶間的方位角、豎直角，通過ELS棱鏡和激光全站儀就可以測(cè)量出激光站至ELS靶間的距離。TBM的仰俯角和滾動(dòng)角通過ELS靶內(nèi)的傾斜計(jì)來測(cè)定。ELS靶將各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)傳向主控計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將所有測(cè)量數(shù)據(jù)匯總，就可以確定TBM在全球坐標(biāo)系統(tǒng)中的精確位置。將計(jì)算出的掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際三維坐標(biāo)與事先輸入計(jì)算機(jī)的DTA（隧道設(shè)計(jì)軸線）比較，就可以顯示掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)了。 激光導(dǎo)向系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)可通過遠(yuǎn)程接口與洞外主監(jiān)控室相連，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。 激光源發(fā)出的激光束一

9、般能傳輸200米而發(fā)散仍控制在0.5mm范圍內(nèi)。激光束受到洞內(nèi)空氣的含塵量和濕度影響容易造成折射和散射，影響導(dǎo)向效果。因而要求必須保持激光照射范圍內(nèi)空氣的清晰。 隨著TBM的不斷向前掘進(jìn)，激光源也要不斷向前移動(dòng)。6 貫通測(cè)量（誤差） 6. 1 定義及分類 兩個(gè)開挖面相向掘進(jìn)，在預(yù)定位置挖通稱為貫通。 相向開挖的兩條施工中線上，具有貫通面里程的中線點(diǎn)不重合，兩點(diǎn)連線的空間線段稱為貫通誤差。 貫通誤差分為：橫向誤差、縱向里程誤差和高程誤差。 貫通面隧道中線隧道中線 6.2 隧道貫通精度的估算 （1）導(dǎo)線測(cè)量誤差對(duì)隧道貫通精度的影響測(cè)角誤差的影響 設(shè)RX 為導(dǎo)線環(huán)在隧道兩洞口連線的一列邊上的各點(diǎn)至貫

10、通面的垂直距離（m），則導(dǎo)線的測(cè)角中誤差m （）對(duì)橫向貫通中誤差的影響為： （mm）RX11RX2RX3RX4RX5RX6RX7RX81234567xy貫通面測(cè)距誤差的影響 設(shè)導(dǎo)線環(huán)在鄰近隧道兩洞口連線的一列測(cè)邊上的各邊對(duì)貫通面上的投影長(zhǎng)度為 dy (m)，導(dǎo)線邊長(zhǎng)測(cè)量的相對(duì)中誤差為 ml / l ，則由于測(cè)距誤差對(duì)貫通面上橫向中誤差的影響為：dy2dy412345678dy1貫通面dy5dy7受角度測(cè)量誤差和距離測(cè)量誤差的共同影響，導(dǎo)線測(cè)量誤差對(duì)貫通面上橫向貫通中誤差的影響為：（2）三角測(cè)量誤差對(duì)橫向貫通精度的影響估算 方法1. 按照嚴(yán)密公式計(jì)算(公式與方法見新建鐵路測(cè)量規(guī)范（條文說明）)

11、方法2. 按導(dǎo)線估算（偏于安全，目前不提倡）（3） 高程控制測(cè)量對(duì)高程貫通誤差的影響估算 在貫通面上，受洞外或洞內(nèi)高程控制測(cè)量誤差影響而產(chǎn)生的高程中誤差為：式中，M為每千米水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差，以mm計(jì)；L為洞外或洞內(nèi)兩開挖洞口間高程路線長(zhǎng)度的公里數(shù)。（4）算例： 某鐵路隧道為直線隧道，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為L(zhǎng) = 1136. 29m，洞外平面控制設(shè)計(jì)為單導(dǎo)線，其布設(shè)如圖。試確定測(cè)量等級(jí)并判定該設(shè)計(jì)方案能否滿足貫通的精度要求。解：（1）圖解相關(guān)數(shù)據(jù)A、F為導(dǎo)線的始、終點(diǎn)，亦為隧道洞口控制點(diǎn)。以洞外導(dǎo)線的始點(diǎn)A做為坐標(biāo)系原點(diǎn)，以隧道中線按里程增加方向?yàn)閄 軸正向，建立測(cè)量坐標(biāo)系。在地形圖上，各導(dǎo)線點(diǎn)A、B、

12、C、D、E、F在貫通面方向上的垂足分別為A、B，C、D、E、F，量算出各導(dǎo)線點(diǎn)的垂距 RX 及各導(dǎo)線邊在貫通面方向上的投影長(zhǎng)度 dy，其結(jié)果于表1 中。表1洞外導(dǎo)線測(cè)量誤差對(duì)橫向貫通影響各導(dǎo)線點(diǎn)至貫通面的垂距RX各導(dǎo)線邊在貫通面方向的投影長(zhǎng)度dy點(diǎn)名RX（m）RX2（m2）導(dǎo) 線 邊dy（m）dy2（m2）B400160000AB14019600C15022500BC401600D25062500CD16025600E480230400DE704900EF1301690047540068600 （2）確定隧道洞外平面控制測(cè)量等級(jí) 本例隧道長(zhǎng)度小于 2 km，根據(jù)鐵路測(cè)量規(guī)范中表5.2.4-1

13、平面控制測(cè)量適用長(zhǎng)度及設(shè)計(jì)要素知，洞外導(dǎo)線可布設(shè)為五等，即 導(dǎo)線測(cè)角中誤差為 m=4.0， 邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為 ml / l =1/20000。 （3）估算洞外導(dǎo)線測(cè)量誤差對(duì)貫通的影響 洞外導(dǎo)線測(cè)量誤差對(duì)貫通的影響列表計(jì)算如下洞外導(dǎo)線測(cè)量中誤差對(duì)隧道的影響預(yù)計(jì)是18.7mm，其允許值是30mm，顯然該洞外導(dǎo)線測(cè)量設(shè)計(jì)可行。 注意： 計(jì)算洞外導(dǎo)線測(cè)角誤差影響值時(shí)，不應(yīng)計(jì)入始、 終點(diǎn)（即洞口控制樁）。但在引入洞內(nèi)導(dǎo)線時(shí)，兩洞口控制樁上需測(cè)角，故其測(cè)角誤差應(yīng)計(jì)入洞內(nèi)的測(cè)量誤差。七、竣工測(cè)量 隧道竣工以后，應(yīng)在直線地段每50m，曲線地段每20m，或者需要加測(cè)斷面處，以中線樁為準(zhǔn)，測(cè)繪隧道的實(shí)際凈空。測(cè)繪

14、內(nèi)容包括：拱頂高程、起拱線寬度、軌頂水平寬度、路面寬度、鋪底或仰拱高程等，如圖所示。 當(dāng)隧道中線統(tǒng)一檢測(cè)閉合后，在直線上每200500m、曲線上的主點(diǎn)，均應(yīng)埋設(shè)永久中線樁；洞內(nèi)每1km應(yīng)埋設(shè)一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)。無論中線點(diǎn)或水準(zhǔn)點(diǎn)，均應(yīng)在隧道邊墻上畫出標(biāo)志，以便以后養(yǎng)護(hù)維修時(shí)使用。 竣工測(cè)量成果應(yīng)按要求整理歸檔，并作為隧道驗(yàn)收的依據(jù)?？⒐y(cè)量激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理1 確定掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)的要素2 激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成及功能3 激光導(dǎo)向系統(tǒng)在控制測(cè)量中的地位和作用4 激光導(dǎo)向系統(tǒng)定位的原理5 掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)位置的檢測(cè)和計(jì)算6 提高激光導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量精度應(yīng)采取的措施 7 激光導(dǎo)向系統(tǒng)的維護(hù)8 容易出現(xiàn)的故障處

15、理學(xué)習(xí)目標(biāo)： 了解掘進(jìn)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成； 理解激光導(dǎo)向系統(tǒng)的工作原理。學(xué)習(xí)重點(diǎn)： 揭示激光導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)繪學(xué)原理； 總結(jié)提高激光導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量精度應(yīng)采取的措施。意 義： 有助于工程技術(shù)人員在施工中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，保證隧道的正確掘進(jìn)和最后貫通。1 描述掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)的要素描述掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)的參數(shù)有： 刀頭坐標(biāo)（x，y，z）；水平角A；傾角；旋轉(zhuǎn)角。由掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)及設(shè)計(jì)隧道中線，可推算如下數(shù)據(jù)： 平面偏角：掘進(jìn)機(jī)中心軸線和設(shè)計(jì)隧道中線在水平投影面的夾角； 傾角：掘進(jìn)機(jī)中心軸線和設(shè)計(jì)隧道中線在縱向（線路前進(jìn)方向）豎直投影面的夾角； 旋轉(zhuǎn)角：掘進(jìn)機(jī)繞自身中心軸線相對(duì)于水平位置旋轉(zhuǎn)的角度。2 激光導(dǎo)向系

16、統(tǒng)的組成和功能 激光導(dǎo)向系統(tǒng)是綜合運(yùn)用測(cè)繪技術(shù)、激光傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及機(jī)械電子等技術(shù)指導(dǎo)掘進(jìn)隧道施工的有機(jī)體系。其組成和各部分功能如下： (1)全站儀。具有伺服馬達(dá)，可以自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)和跟蹤，并可發(fā)射激光束，主要用于后視定向，測(cè)量距離、水平角和豎直角。 (2)ELS( electric laser system 電子激光系統(tǒng)),亦稱為標(biāo)板或激光靶板。這是一臺(tái)智能型傳感器,激光靶接受全站儀發(fā)出的激光束,測(cè)定水平方向和垂直方向的入射點(diǎn)。坡度和旋轉(zhuǎn)也由該系統(tǒng)內(nèi)的傾斜儀測(cè)量,偏角由激光靶上激光器的入射角確認(rèn)，ELS在掘進(jìn)機(jī)體上的位置是確定的，即相對(duì)于TBM坐標(biāo)系的位置是確定的。 (3)計(jì)算機(jī)及隧道

17、掘進(jìn)軟件。從全站儀和激光靶等通信設(shè)備接受數(shù)據(jù),掘進(jìn)機(jī)的位置在該軟件中計(jì)算,并以數(shù)字和圖形的形式顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上。 (4)黃色箱子。它主要給全站儀供電,保證計(jì)算機(jī)和全站儀之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。 激光導(dǎo)向系統(tǒng)掘進(jìn)中TBM顯示屏的顯示（主機(jī)軸線已偏離隧道設(shè)計(jì)軸線）控制室3 激光導(dǎo)向系統(tǒng)和掘進(jìn)機(jī)控制測(cè)量在施工中的地位和作用 在隧道掘進(jìn)模式下，激光導(dǎo)向系統(tǒng)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和調(diào)整掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)狀態(tài)，保持掘進(jìn)機(jī)沿設(shè)計(jì)隧道軸線前進(jìn)的工具之一。在整個(gè)掘進(jìn)施工過程中，激光導(dǎo)向系統(tǒng)起著極其重要的作用： 1)在顯示面板上動(dòng)態(tài)顯示掘進(jìn)機(jī)軸線相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)軸線的準(zhǔn)確位置，報(bào)告掘進(jìn)狀態(tài)（見圖）；并在一定模式下，自動(dòng)調(diào)整或指

18、導(dǎo)操作者人工調(diào)整掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的姿態(tài)，使掘進(jìn)機(jī)沿接近隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)。 2)通過標(biāo)準(zhǔn)的隧道設(shè)計(jì)幾何元素自動(dòng)計(jì)算隧道的理論軸線坐標(biāo)。 3)和地面電腦相連，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。4 掘進(jìn)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng) 4.1 掘進(jìn)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)涉及的坐標(biāo)系 (1) 地面直角坐標(biāo)系（O-XYZ）：簡(jiǎn)稱地面坐標(biāo)系，根據(jù)隧道中線設(shè)計(jì)而定，一般為地方坐標(biāo)系。洞內(nèi)(外)控制點(diǎn)、測(cè)站點(diǎn)、后視點(diǎn)以及隧道中線坐標(biāo)，均用該系坐標(biāo)表示。 (2) 掘進(jìn)機(jī)坐標(biāo)系（F-xyz）：在掘進(jìn)機(jī)水平放置且未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下，以掘進(jìn)機(jī)刀盤中心前端切點(diǎn)為原點(diǎn)，以掘進(jìn)機(jī)中心縱軸為x軸，以掘進(jìn)方向?yàn)檎?；以豎直向上的方向線為z軸， y軸沿水平方

19、向與x、z軸構(gòu)成左手系。掘進(jìn)機(jī)坐標(biāo)系是連同掘進(jìn)機(jī)一起運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立直角坐標(biāo)系。掘進(jìn)機(jī)參考點(diǎn)、掘進(jìn)機(jī)棱鏡等相對(duì)掘進(jìn)機(jī)的位置都以此系坐標(biāo)表示，這些坐標(biāo)由掘進(jìn)機(jī)制造商測(cè)定并給出 。 (3) 棱鏡中心坐標(biāo)系（P-xyz）： 原點(diǎn)為安裝在掘進(jìn)機(jī)上的棱鏡的中心，與掘進(jìn)機(jī)坐標(biāo)系平行。激光導(dǎo)向系統(tǒng)涉及的坐標(biāo)系 4.2 掘進(jìn)機(jī)激光定位的基本原理 掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的姿態(tài)定位主要是依據(jù)地下控制導(dǎo)線點(diǎn)來精確確定掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的方向和位置。掘進(jìn)過程中掘進(jìn)機(jī)主要是利用帶有激光器的全站儀實(shí)現(xiàn)定位。利用全站儀自動(dòng)測(cè)出的測(cè)站與激光靶之間的距離和方位角,就可以知道激光靶的平面坐標(biāo)(即、),利用三角高程測(cè)出激光靶的高程值(即)。 激光束

20、射向激光靶,激光靶就可以測(cè)定激光相對(duì)于激光靶平面的偏角。在激光靶的入射點(diǎn)測(cè)得的折射角及入射角用于測(cè)定掘進(jìn)機(jī)相對(duì)于(DTA)隧道設(shè)計(jì)軸線的偏角。坡度和旋轉(zhuǎn)直接用安裝在激光靶內(nèi)的傾斜儀測(cè)量。這些數(shù)據(jù)按照設(shè)置的頻率傳輸至控制用的計(jì)算機(jī)。通過全站儀測(cè)出的與激光靶之間的距離可以提供沿著(DTA)隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)的掘進(jìn)機(jī)的里程長(zhǎng)度。 所有測(cè)得的數(shù)據(jù)由通信電纜傳輸至計(jì)算機(jī),通過軟件組合起來用于計(jì)算掘進(jìn)機(jī)軸線上前后兩個(gè)參考點(diǎn)的精確的空間位置,并與(DTA)隧道設(shè)計(jì)軸線比較,得出的偏差值顯示在屏幕上,這就是掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài),在推進(jìn)時(shí)只要控制好姿態(tài),掘進(jìn)機(jī)就能精確地沿著隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn),保證隧道能順利準(zhǔn)確的貫通。 自

21、動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)繪學(xué)原理實(shí)質(zhì)是：已知兩坐標(biāo)系之間的平移參數(shù)和轉(zhuǎn)角參數(shù)，求解一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)的參考點(diǎn)在另一個(gè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，即通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后使不同坐標(biāo)系中的特征點(diǎn)具有可比性，進(jìn)而比較掘進(jìn)機(jī)參考點(diǎn)和對(duì)應(yīng)理論隧道軸線坐標(biāo)偏差，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 5 掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)位置的檢測(cè)和計(jì)算 在隧道推進(jìn)的過程中,必須獨(dú)立于激光導(dǎo)向系統(tǒng)定期對(duì)掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)和位置進(jìn)行檢查。間隔時(shí)間取決于隧道的具體情況,在有嚴(yán)重的光折射效應(yīng)的隧道中,每次檢查之間的間隔時(shí)間應(yīng)該比較短。這主要是由于空氣溫度差別很大的效應(yīng)。在隧道測(cè)量時(shí)必須始終考慮這一效應(yīng)。低估這個(gè)問題可能會(huì)引起嚴(yán)重的困難,尤其在長(zhǎng)隧道中。一般采用棱鏡法來對(duì)掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行檢查

22、。 下面以德國(guó)公司的-系統(tǒng)為例說明如何用棱鏡法來計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和位置。 掘進(jìn)機(jī)軸線局部坐標(biāo)系和參考點(diǎn)布置示意圖刀盤中心（0，0，0）參考點(diǎn)所在斷面之一 利用洞內(nèi)地下導(dǎo)線控制點(diǎn),只要測(cè)出18個(gè)參考點(diǎn)中的任意三個(gè)點(diǎn)(最好取左、中、右三個(gè)點(diǎn))的實(shí)際三維坐標(biāo),就可以計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。對(duì)于以盾構(gòu)機(jī)軸線為坐標(biāo)系的局部坐標(biāo)來說,無論盾構(gòu)機(jī)如何旋轉(zhuǎn)和傾斜,這些參考點(diǎn)與盾構(gòu)機(jī)的盾首中心和盾尾中心的空間距離是不會(huì)變的,他們始終保持一定的值,這些值我們可以從它的局部坐標(biāo)計(jì)算出來。姿態(tài)檢測(cè)、計(jì)算原理圖 如圖A點(diǎn)是盾構(gòu)機(jī)刀盤中心，E是盾構(gòu)機(jī)中體斷面的中心點(diǎn)，即AE連線為盾構(gòu)機(jī)的中心軸線，由A、B、C、D、四點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)

23、四面體，測(cè)量出B、C、D 三個(gè)角點(diǎn)的三維坐標(biāo)（xi,yi,zi）,根據(jù)三個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)（xi,yi,zi）分別計(jì)算出LAB, LAC, LAD, LBC, LBD,LCD, 四面體中的六條邊長(zhǎng)，作為以后計(jì)算的初始值，在盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)過程中Li是不變的常量，通過對(duì)B、C、D三點(diǎn)的三維坐標(biāo)測(cè)量來計(jì)算出A點(diǎn)的三維坐標(biāo)。 同理，可以計(jì)算出盾尾的中心坐標(biāo)。 由盾構(gòu)機(jī)刀盤中心和盾尾中心兩點(diǎn)的坐標(biāo)可以計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)刀盤中心的水平偏差和垂直偏差，由B、C、D三點(diǎn)的坐標(biāo)可以確定盾構(gòu)機(jī)仰俯角和滾動(dòng)角，從而達(dá)到檢測(cè)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的目的。 假設(shè)我們已經(jīng)測(cè)出左,中,右(3,8,15號(hào))三個(gè)參考點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo),分別為(1,1,1

24、),(2,2,2),(3,3,3),并設(shè)未知量為盾首中心的實(shí)際三維坐標(biāo)(首,首,首)和盾尾中心的實(shí)際三維坐標(biāo)(尾,尾,尾),在以盾構(gòu)機(jī)軸線構(gòu)成局部坐標(biāo)系中,盾首中心為坐標(biāo)原點(diǎn),坐標(biāo)為(0,0,0),盾尾中心坐標(biāo)為(-434,0,0)。從表1中也可以看出各參考點(diǎn)在局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)值。 從以上數(shù)據(jù)可以得知,在與對(duì)應(yīng)里程上盾首中心和盾尾中心設(shè)計(jì)的三維坐標(biāo)比較后,就可以得出盾構(gòu)機(jī)軸線與設(shè)計(jì)軸線的左右偏差值和上下偏差值,以及盾構(gòu)機(jī)的坡度,這就是盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。 把計(jì)算得出的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的姿態(tài)作比較,據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),只要兩者的差值不大于10,就可以認(rèn)為自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)是正確的。 6 提

25、高激光導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量精度應(yīng)采取的措施 不論是激光導(dǎo)向系統(tǒng),還是掘進(jìn)機(jī)控制測(cè)量,原始依據(jù)都是用支導(dǎo)線形式獲得的測(cè)站坐標(biāo)和定向點(diǎn)（后視）坐標(biāo)。對(duì)于前者，三個(gè)轉(zhuǎn)角的精度取決于光柵和測(cè)角儀的靈敏程度，其誤差相對(duì)于測(cè)站誤差和定向誤差微乎其微。對(duì)于后者，掘進(jìn)機(jī)參考點(diǎn)的局部坐標(biāo)，由于在出廠前精確測(cè)定，誤差亦可忽略。因此，激光導(dǎo)向和掘進(jìn)機(jī)控制測(cè)量的誤差主要集中在測(cè)站點(diǎn)三維坐標(biāo)和后視方向上。另外，由于隧道內(nèi)空氣溫、濕度條件對(duì)視線和激光都會(huì)產(chǎn)生折光影響，使得激光導(dǎo)向系統(tǒng)和掘進(jìn)機(jī)機(jī)控制測(cè)量測(cè)角均產(chǎn)生誤差。在施工過程中，采取以下措施，以提高激光導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量精度： (1)在掘進(jìn)始發(fā)前進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)控制測(cè)量時(shí),注意觀測(cè)參考

26、點(diǎn)的均勻分布、組數(shù)和有可能含粗差點(diǎn)的判定和剔除,以便精確解算掘進(jìn)機(jī)初始姿態(tài)參數(shù),保證激光導(dǎo)向系統(tǒng)正確初始化。(2)向系統(tǒng)正確錄入隧道平曲線、豎曲線參數(shù)。(3)提高地下支導(dǎo)線的精度 ，并及時(shí)對(duì)激光全站儀設(shè)站點(diǎn)、定向點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行人工檢測(cè)。 (4)隨隧道掘進(jìn)，及時(shí)對(duì)激光全站儀進(jìn)行移站，以減少外界溫、濕度等氣象條件的影響。一般激光全站儀到掘進(jìn)機(jī)上棱鏡最遠(yuǎn)距離，在直線段不應(yīng)超過200m,在曲線段不應(yīng)超過100m。(5)隧道掘進(jìn)過程的間隙，及時(shí)進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)控制測(cè)量，以檢核、修正激光導(dǎo)向系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)。7 導(dǎo)向系統(tǒng)維護(hù) 1 ELS靶 （1）由于ELS靶的安裝位置附近有注漿管或噴射砼設(shè)備，在施工的過程中很容易被人

27、碰到，而前面板是玻璃作成的，容易被破壞，特別是ELS棱鏡更是容易被工人碰動(dòng)，如果沒有對(duì)ELS靶進(jìn)行保護(hù)，ELS棱鏡很容易被工人碰掉，會(huì)對(duì)掘進(jìn)造成不小影響； （2）ELS靶前面板保護(hù)屏要經(jīng)常擦干凈，防止激光接收靶接收的信號(hào)太弱； （3）ELS靶附近不能有強(qiáng)光，強(qiáng)光會(huì)影響ELS靶接受激光信號(hào)使掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)顯示不正常。 2 電纜 在掘進(jìn)機(jī)向前推進(jìn)的過程中，經(jīng)常把傳輸電纜拉斷。嚴(yán)重的時(shí)候，甚至把激光站托架都拉動(dòng)，把黃盒子拉掉，還威脅到激光全站儀的安全，會(huì)極大地破壞導(dǎo)向系統(tǒng)，影響施工。 為了克服這個(gè)問題，可采用了三種辦法： （1）把在導(dǎo)向系統(tǒng)的傳輸電纜卷安裝在激光站的前面，這樣掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)時(shí)，電纜一直是順著拉； （2）在掘進(jìn)機(jī)電纜經(jīng)過的地方用安全網(wǎng)覆蓋，把掘進(jìn)機(jī)上的各個(gè)突起物蓋住，防止勾斷電纜； （3）通過加強(qiáng)平時(shí)的巡視，經(jīng)常整理傳輸電纜。 3 激光站和黃盒子 （1）在有滲水的隧道中，安裝在邊墻上的激光全站儀和黃盒子容易被雨水淋濕，一定要加以保護(hù)。 （2）在護(hù)盾式施工的隧道里面，由于工人沖洗管片時(shí)，容易被水澆濕，需要經(jīng)常提醒掘進(jìn)工人。激光全站儀和黃盒子要經(jīng)常擦干凈、涼干。 8 導(dǎo)向系統(tǒng)故障處理 1 ELS靶 (1) ELS靶的前面板被注漿的漿液或砼覆蓋，ELS靶接收到的激光信號(hào)不夠強(qiáng)，導(dǎo)致不工作，處理辦法是把前面板的覆蓋物清理干凈； (2) ELS