盾構(gòu)法隧道施工盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)人工測(cè)量

/盾構(gòu)法隧道施工盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)人工測(cè)量中鐵十一局集團(tuán)有限公司城市軌道工程公司劉軍摘要：結(jié)合廣州地鐵六號(hào)線(xiàn)【大坦沙-如意坊】區(qū)間段地下隧道貫穿的測(cè)量實(shí)踐,簡(jiǎn)明地介紹了地鐵建設(shè)中盾構(gòu)施工測(cè)量過(guò)程,并著重對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的人工測(cè)量工作作了深化細(xì)致的探討,闡述了盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)姿態(tài)定位測(cè)量的原理和方法,以及如何運(yùn)用人工測(cè)量的方法來(lái)檢核自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的精確性,分析了盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)定位檢測(cè)的狀況。關(guān)鍵詞:盾構(gòu)法；自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)；TBM姿態(tài)；人工測(cè)量；1、概述隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展,我國(guó)在各大城市都開(kāi)展了地鐵建設(shè),為了滿(mǎn)足盾構(gòu)掘進(jìn)按設(shè)計(jì)要求貫穿(貫穿誤差橫向必需小于±50mm，縱向必需小于±25mm),必需探討每一步測(cè)量工作所帶來(lái)的誤差,包括地面限制測(cè)量,豎井聯(lián)系測(cè)量,地下導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量,盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)定位測(cè)量四個(gè)階段。本文主要以廣州地鐵六號(hào)線(xiàn)【大坦沙-如意坊】區(qū)間段隧道的貫穿測(cè)量項(xiàng)目為背景,探討了地鐵隧道施工中盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)定位測(cè)量的功能及原理,并闡述了如何用棱鏡測(cè)固定點(diǎn)法來(lái)檢核自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的精確性。2、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的組成和功能現(xiàn)在的盾構(gòu)機(jī)都裝備有先進(jìn)的自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng),本區(qū)間盾構(gòu)機(jī)上的自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)為德國(guó)VMT公司的SLS-T系統(tǒng),主要有以下四部分組成：TCA-具有自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)的全站儀。主要用于測(cè)量(水平和垂直的)角度和距離、放射激光束。ALTU(活動(dòng)激光目標(biāo)單元)亦稱(chēng)為標(biāo)板或激光靶板。這是一臺(tái)智能型傳感器,ALTU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，激光靶偏航角由ALTU上激光器的入射角確認(rèn)。ALTU固定在盾構(gòu)機(jī)的機(jī)身內(nèi)，在安裝時(shí)其位置就確定了，它相對(duì)于盾構(gòu)機(jī)軸線(xiàn)的關(guān)系和參數(shù)就可以知道。計(jì)算機(jī)及隧道掘進(jìn)軟件。SLS-T軟件是自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的核心,它從全站儀和ALTU等通信設(shè)備接受數(shù)據(jù),盾構(gòu)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,操作系統(tǒng)接受WindowsXP，確保用戶(hù)操作簡(jiǎn)便。黃盒子。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。3、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向定位的基本原理地鐵隧道貫穿測(cè)量中的地下限制導(dǎo)線(xiàn)是一條支導(dǎo)線(xiàn),它指示著盾構(gòu)的推動(dòng)方向,導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)隨著盾構(gòu)機(jī)的推動(dòng)延長(zhǎng),導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)通常建立在管片的側(cè)面儀器臺(tái)上和右上側(cè)內(nèi)外架式的吊籃上,儀器接受強(qiáng)制歸心(見(jiàn)圖1)圖1為了提高地下導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)的精度,應(yīng)盡量削減支導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn),拉長(zhǎng)兩導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)的距離(但又不能無(wú)限制的拉長(zhǎng)),并盡可能布設(shè)近乎直伸的導(dǎo)線(xiàn)。一般兩導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)的間距宜限制在150m左右。盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的姿態(tài)定位主要是依據(jù)地下限制導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)來(lái)精確確定盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的方向和位置。在掘進(jìn)中盾構(gòu)機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)是如何定位的呢?它主要是依據(jù)地下限制導(dǎo)線(xiàn)上一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(即X、Y、Z)來(lái)確定的,這個(gè)點(diǎn)就是帶有激光器的全站儀的位置,然后全站儀將依照作為后視方向的另一個(gè)地下導(dǎo)線(xiàn)的限制點(diǎn)來(lái)定向,這樣就確定了北方向,即方位角。再利用全站儀自動(dòng)測(cè)出的測(cè)站和ALTU上小棱鏡之間的距離和方位角,就可以知道ELS棱鏡的平面坐標(biāo)(即X、Y),利用三角高程測(cè)出ALTU棱鏡的高程值(即Z)。激光束射向ALTU，ALTU就可以測(cè)定激光相對(duì)于ALTU平面的偏角。在ALTU入射點(diǎn)之間測(cè)得的折射角及入射角用于測(cè)定盾構(gòu)機(jī)相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)(DTA)的偏角。坡度和旋轉(zhuǎn)干脆用安裝在ALTU內(nèi)的傾斜儀測(cè)量。這個(gè)數(shù)據(jù)大約每秒鐘兩次傳輸至限制用的計(jì)算機(jī)。通過(guò)全站儀測(cè)出的和ALTU之間的距離可以供應(yīng)沿著DTA掘進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)的里程長(zhǎng)度。全部測(cè)得的數(shù)據(jù)由通信電纜或者無(wú)線(xiàn)傳輸至計(jì)算機(jī),通過(guò)軟件組合起來(lái)用于計(jì)算盾構(gòu)機(jī)軸線(xiàn)上前后兩個(gè)參考點(diǎn)的精確的空間位置,并和隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)(DTA)比較,得出的偏差值顯示在屏幕上,這就是盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài),在推動(dòng)時(shí)只要限制好姿態(tài),盾構(gòu)機(jī)就能精確地沿著隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)掘進(jìn),保證隧道能順當(dāng)精確的貫穿。4、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)位置的檢測(cè)和計(jì)算在隧道推動(dòng)的過(guò)程中,必需獨(dú)立于SLS-T系統(tǒng)定期對(duì)盾構(gòu)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狀況,在有嚴(yán)峻的光折射效應(yīng)的隧道中,每次檢查之間的間隔時(shí)間應(yīng)當(dāng)比較短。這主要是由于空氣溫度差別很大的效應(yīng)。論述折射及其效應(yīng)的題目有大量的文獻(xiàn)資料,此處不再詳述。在隧道測(cè)量時(shí)必需始終考慮這一效應(yīng)。低估這個(gè)問(wèn)題可能會(huì)引起嚴(yán)峻的困難,尤其在長(zhǎng)隧道中。我們接受棱鏡法來(lái)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行檢查。在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)有17個(gè)參考點(diǎn)也稱(chēng)為固定點(diǎn)見(jiàn)圖1,可以看到固定點(diǎn)12、14圖1這些點(diǎn)在盾構(gòu)機(jī)構(gòu)建之前就已經(jīng)定好位了,它們相對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的軸線(xiàn)有確定的參數(shù)關(guān)系(見(jiàn)表1)表1TBMCoordinatesReferencepointonTBMS372/T240pointEast(Y)North(X)Level(Z)Discription12.0621-3.3616-1.3619ReferencepointonTBM20.9605-3.6626-2.2513ReferencepointonTBM30.6778-3.3530-1.9418ReferencepointonTBM4-0.6706-3.3110-1.9400ReferencepointonTBM5-0.8650-3.6596-2.1330ReferencepointonTBM6-1.2816-3.6608-2.0554ReferencepointonTBM7-2.2251-3.65961.2981ReferencepointonTBM8-1.8719-3.66191.8339ReferencepointonTBM9-1.3990-3.65892.1748ReferencepointonTBM10-1.0535-3.66152.4111ReferencepointonTBM110.6380-3.66552.5553ReferencepointonTBM121.2597-3.66422.2395ReferencepointonTBM131.7060-3.65921.2756ReferencepointonTBM141.9482-3.66681.7375ReferencepointonTBM152.1996-3.66621.3373ReferencepointonTBM162.5848-3.67030.3976ReferencepointonTBM172.9397-4.33400.3869ReferencepointonTBM即它們和盾構(gòu)機(jī)的軸線(xiàn)構(gòu)成局部坐標(biāo)系(見(jiàn)圖2)。圖2在進(jìn)行測(cè)量時(shí),只要將特制的適配螺栓旋到M8螺母內(nèi),再裝上棱鏡?，F(xiàn)在這些參考點(diǎn)的測(cè)量可以達(dá)到毫米的精度。已知的坐標(biāo)和測(cè)得的坐標(biāo)經(jīng)過(guò)三維轉(zhuǎn)換,和設(shè)計(jì)坐標(biāo)比較,就可以計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和位置參數(shù)等。下面來(lái)說(shuō)明如何用棱鏡法來(lái)計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和位置。我們利用洞內(nèi)地下導(dǎo)線(xiàn)限制點(diǎn),只要測(cè)出17個(gè)參考點(diǎn)中的隨意三個(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(xiàn)為坐標(biāo)系的局部坐標(biāo)來(lái)說(shuō),無(wú)論盾構(gòu)機(jī)如何旋轉(zhuǎn)和傾斜,這些參考點(diǎn)和盾構(gòu)機(jī)的盾首中心和盾尾中心的空間距離是不會(huì)變的,他們始終保持確定的值,這些值我們可以從它的局部坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)。假設(shè)我們已經(jīng)測(cè)出左,中,右(8,11,16號(hào))三個(gè)參考點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo),分別為(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2),(X3,Y3,Z3),并設(shè)未知量為前點(diǎn)中心的實(shí)際三維坐標(biāo)(X前,Y前,Z前)和后點(diǎn)中心的實(shí)際三維坐標(biāo)(X后,Y后,Z后),在以盾構(gòu)機(jī)軸線(xiàn)構(gòu)成局部坐標(biāo)系中,前點(diǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn),坐標(biāo)為(0,0,0),后點(diǎn)中心坐標(biāo)為(-4.078,0,0)。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。我們測(cè)出某一里程盾構(gòu)機(jī)上三個(gè)參數(shù)點(diǎn)(8,11,16)的實(shí)際三維坐標(biāo)分別為：盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)人工測(cè)量固定點(diǎn)坐標(biāo)列表點(diǎn)號(hào)X(m)Y(m)Z(m)828969.755032837.51470.01571128968.132332835.61170.74991628966.902532834.0794-1.3886從以上數(shù)據(jù)可以得知,在和對(duì)應(yīng)里程上前點(diǎn)中心和后點(diǎn)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(xiàn)和設(shè)計(jì)軸線(xiàn)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)。通過(guò)測(cè)量垂線(xiàn)在水平和垂直方向上偏離值來(lái)求解盾構(gòu)機(jī)前后點(diǎn)的姿態(tài)。盾構(gòu)機(jī)的坡度=(L為盾體前后參考點(diǎn)連線(xiàn)長(zhǎng)度）。依據(jù)測(cè)量平差理論可知，實(shí)際測(cè)量時(shí)，須要觀測(cè)至少4個(gè)點(diǎn)位以上，觀測(cè)的參考點(diǎn)越多，多余觀測(cè)就越多，因此計(jì)算的精度就越高。比較VMT導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)得的盾構(gòu)姿態(tài)值和人工檢測(cè)的盾構(gòu)姿態(tài)值，其精度基本上能達(dá)到±10mm之內(nèi)。5、結(jié)束語(yǔ)在廣州地鐵六號(hào)線(xiàn)中，【大坦沙~如意坊】盾構(gòu)區(qū)間隧道分為左右線(xiàn)兩條相互平行的線(xiàn)路,即來(lái)回兩條隧道。在這兩個(gè)區(qū)間段的實(shí)際應(yīng)用中,曾多次接受棱鏡法檢核盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),兩者的偏差值較差均不大于10mm,證明白該方法在檢核自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的正確性是牢靠有效的。在貫穿誤差測(cè)量中，由于接受了以上一系列的方法和措施,以及先進(jìn)的自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)指導(dǎo)掘進(jìn),右線(xiàn)于2008年10