盾構(gòu)姿態(tài)人工測(cè)量方法

盾構(gòu)姿態(tài)人工測(cè)量方法隧道公司哈爾濱地鐵項(xiàng)目部王維鵬摘要：本文以哈爾濱地鐵哈■南區(qū)間兩臺(tái)維爾特盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)姿態(tài)人工復(fù)核方法為例，運(yùn)用布設(shè)特征點(diǎn)、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(jī)姿態(tài)的方法.尖鍵詞：盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)人工復(fù)核AutoCAD在厲構(gòu)法隧道施工中，為了確定質(zhì)構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中炳構(gòu)機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)，需要在其推進(jìn)時(shí)實(shí)時(shí)的進(jìn)行測(cè)呈，為此一般盾構(gòu)機(jī)上都配有自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)。根據(jù)施工中的實(shí)際情況，無(wú)論盾構(gòu)機(jī)有沒(méi)有配備導(dǎo)向系統(tǒng)，對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)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，由干我公司兩臺(tái)維爾特盾構(gòu)機(jī)的導(dǎo)向系統(tǒng)PPS經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)途運(yùn)輸并參次拆解安裝，原有的機(jī)械參數(shù)都不同程度的發(fā)生了變化，我們?cè)谠搮^(qū)何始發(fā)時(shí)對(duì)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行了全面的檢修，并自主進(jìn)行了導(dǎo)向系統(tǒng)磯件及軟件的安裝，并在此基礎(chǔ)上麒索出一套簡(jiǎn)單的人工對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核的方法。卜面分步驟進(jìn)行簡(jiǎn)述。1.嘅述厲構(gòu)機(jī)裝完成始發(fā)前，實(shí)地或運(yùn)用相對(duì)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)卜用一定測(cè)最方法測(cè)出盾構(gòu)機(jī)中軸線及特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。這些三維坐標(biāo)之間的尖系本身就代表了特征點(diǎn)與盾構(gòu)機(jī)中軸線Z間的尖系。而這一尖系即是我們建立特征模型的基礎(chǔ)。一般我們將盾構(gòu)機(jī)定義為一個(gè)剛性圓柱體，其前端而圓心。2與后端面鬪心0丄的連線0201定義為盾構(gòu)機(jī)的中軸線。特征模型的建立2.1特征點(diǎn)的制作根據(jù)盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，特征點(diǎn)有時(shí)候需要我們自己根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的特征進(jìn)行制作，布設(shè)。最簡(jiǎn)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，制作一些待殊裝置町以將棱鏡安裝在上面，如圖一所示。a.反射貼片特征點(diǎn)示意b、螺桿焊接特征點(diǎn)制作簡(jiǎn)圖盾構(gòu)機(jī)特征點(diǎn)制作簡(jiǎn)圖圖2特征斷面及測(cè)量點(diǎn)位分布圖圖12.2盾構(gòu)機(jī)中軸線及特征點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量盾構(gòu)機(jī)的中軸線一般采用測(cè)切II及盾尾兩個(gè)截面的兒何中心求得，如圖2所示，一般在特征斷面（如切口和盾尾）上等距的測(cè)量如上圖中若干點(diǎn)位的三維坐標(biāo)（X,Y,Z）。再根據(jù)任何三點(diǎn)一定在一平面上，以及任何二點(diǎn)所構(gòu)成的二角形均有一個(gè)外接圓的幾何理論，我們可以將各測(cè)點(diǎn)組合成若干個(gè)三角形，然后得出若干個(gè)圓心，將這些圓心的坐標(biāo)進(jìn)行平差計(jì)算，得出最佳圓心o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(cè)量過(guò)程中不可避免的會(huì)附帯測(cè)量誤差，導(dǎo)致我們的測(cè)量結(jié)果冇?定的偏差，這就要求在實(shí)際操作中盡可能的去消除粗差。下面對(duì)測(cè)量過(guò)程中粗差的消除談?wù)勎易约旱男牡茫?.2.1準(zhǔn)備工作盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量前準(zhǔn)備工作極為重要，首先需要復(fù)測(cè)主控導(dǎo)線結(jié)果要符合規(guī)范及設(shè)計(jì)的要求；其次，聯(lián)系測(cè)量必須符合規(guī)范要求，包括平面和高程聯(lián)系測(cè)量。另外在條件允許的前提下，盡量使用強(qiáng)制對(duì)中裝置。除此之外，測(cè)最前應(yīng)檢査所使用儀器的狀態(tài)，必要時(shí)實(shí)時(shí)參考濕度、溫度及氣壓參數(shù)。2.2.2建站建站是整個(gè)測(cè)量過(guò)程的基礎(chǔ)，其本質(zhì)就是確定儀器中心實(shí)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)中使用的人多是全站儀，拋去儀器本身的機(jī)械誤差，平面上人為町控的決定全站儀建站精度的無(wú)非對(duì)中梢度和后視時(shí)確定的方位角的精度:儀中高程的確定可使用精測(cè)過(guò)儀高的對(duì)中桿反測(cè)高差進(jìn)行計(jì)算。如圖3所示。2.2.3碎部點(diǎn)測(cè)量圖3儀中高程反測(cè)示意

建站完畢后即可進(jìn)行碎部點(diǎn)的測(cè)最，這個(gè)過(guò)程要保證測(cè)得準(zhǔn)，測(cè)得合理，并能反映待測(cè)物體的幾何形狀o為此我們?cè)趯?shí)際操作中如圖4所示。5圖4測(cè)點(diǎn)棱錢;擺汝示意圖擺放的要點(diǎn)是要使棱鏡頭卜?部端頭與盾殼外表面緊貼，盡最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(gè)點(diǎn)均采用此法測(cè)量，所以在計(jì)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(cè)量棱鏡的高度H1后，即可將此誤差降為敲小。在統(tǒng)一坐標(biāo)系下，按照上述方法采集厲構(gòu)機(jī)的中軸線及己經(jīng)做好的特征點(diǎn)的坐標(biāo)。為了提高測(cè)豈結(jié)果的精度，可以采用多次測(cè)量求平均值的方法，另外對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)都分別用盤左和盤右各測(cè)一個(gè)值，計(jì)算時(shí)取均值為此點(diǎn)坐標(biāo)o逮立模型如圖5所示，通過(guò)測(cè)量八7號(hào)三維坐標(biāo)計(jì)算0丄點(diǎn)坐標(biāo)，同理可得。2點(diǎn)坐標(biāo)o在同一坐標(biāo)系下再測(cè)得A、B、C、D坐標(biāo)。這些點(diǎn)即可組成所需的特征模型。圖5特征點(diǎn)一盾構(gòu)機(jī)中軸線模型示意圖3.1利用AutoCAD計(jì)算0丄、。2點(diǎn)坐標(biāo)將經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單平差過(guò)的1?7號(hào)點(diǎn)三維坐標(biāo)展入CAD,同時(shí)將DTA數(shù)據(jù)也展入CAD中。

按照如F操作建立用戶UCS:工具一〉新建UCS--〉三點(diǎn)&令:-UCS當(dāng)蕾UCS名稱廣沒(méi)有名稱*曲疋UCS的斥點(diǎn)或[而(F)/&名(NA)/對(duì)*(()B”上一個(gè)『”俛Ei(V”世皐CD/X/Y/Z/乙1ib(ZA)]v世界＞：.3宥疋靳斥點(diǎn)＜(),(),()＞：*以下恨隹捉示依次指龍祈廉點(diǎn)、X軸疋、?軸。崔正X估范伍上指定點(diǎn)＜1,0,□＞:在UCSXV平而的正Y軸范田上并龍點(diǎn)＜0,1,0＞:結(jié)果如圖6所示。接卞來(lái)按如卜操作繪制經(jīng)過(guò)三點(diǎn)的圓：繪圖一〉圓一〉三點(diǎn)以上述7個(gè)點(diǎn)鐘的1、4、7號(hào)點(diǎn)為例，做圓01。如圖6所示。然后再退回原大地坐標(biāo)系。操作：工具一〉新建UCS???一〉上一個(gè)在這個(gè)坐標(biāo)系下讀取圓心6的坐標(biāo)，即在以1、4、7號(hào)點(diǎn)確定的平面上外接于這三點(diǎn)連線組成的三角形的圓的心坐標(biāo)0組成的三角形的圓的心坐標(biāo)0圖6用戶坐標(biāo)系UCS通過(guò)組介廣7號(hào)點(diǎn)，上述方法可以求得很多個(gè)0],。2的坐標(biāo)，將這些坐標(biāo)取均值作為最佳01'°2坐標(biāo)。2建立特征模型將01、02及A、B、C、D各點(diǎn)坐標(biāo)重新展入CAD,這些點(diǎn)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(yùn)用AutoCAD計(jì)算盾構(gòu)姿態(tài)綜上可知，A、B、C、D為特征點(diǎn)，我們町以通過(guò)測(cè)量任意繪少三個(gè)特征點(diǎn)的人地坐標(biāo)結(jié)合特征模型確定盾構(gòu)機(jī)中軸線0】、。2的人地坐標(biāo)。下面對(duì)過(guò)程分步概述。1盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)計(jì)軸線繪制一般施工中盾構(gòu)中線按照每整米里程計(jì)算一個(gè)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)粘貼成如卜格式：lincX1,Y1ZIX2,Y272S3Y3Z3、：iiYnZn+[Space或Enter]備注：杲后一行MiYnZu后審加空恪或回豐，否則晟后一點(diǎn)不能成功畏點(diǎn)。將記爭(zhēng)本的后綴“?txt”改為CAD腳本文件“.sc廣格式，在Aut。CAD中選擇“工具?〉運(yùn)行腳本則可將上述文件中各點(diǎn)坐標(biāo)逐點(diǎn)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。B*4c*圖7特征模型引入如圖7所示，NEC為在人地坐標(biāo)系卜實(shí)測(cè)盾構(gòu)機(jī)上的特征點(diǎn)。利用CAD中的“対齊”工具將圖屮虛線框中的特征模型參照A、B、C三點(diǎn)対齊到圖7卜?部的隧道屮線模型上，結(jié)果如圖8所示。對(duì)齊操作如下：余令■:3dalign選掙對(duì)敷：選擇特征供型折應(yīng)潭平而機(jī)方向???*選懺三點(diǎn)確疋潭平面和方向指定恭點(diǎn)或[復(fù)商(C)尸迭擇A點(diǎn)摘定第二個(gè)點(diǎn)或[繼綾(C)]<C>:★選擇B點(diǎn)指定第三個(gè)點(diǎn)或[地綾(C)]<C>:★選擇C點(diǎn)計(jì)龍目標(biāo)平而和方囪???*選擇三點(diǎn)琦龍目標(biāo)平而和方向折疋第一個(gè)旨標(biāo)點(diǎn)廣選怖4點(diǎn)指龍第二個(gè)目標(biāo)點(diǎn)或[退出(X)]v、〉：?選擇B：點(diǎn)摘定第三個(gè)目標(biāo)點(diǎn)或[退出(x)]<x>:?選擇c點(diǎn)說(shuō)明：*后為握作說(shuō)列.Y A(A-)Y A(A-)K2jB(BJ02K2jB(BJ02O* \l/cC)圖8對(duì)齊操作結(jié)果示意4.3利用三維對(duì)齊計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)參數(shù)上述操作完成后，打開CAD中的“對(duì)彖捕捉”工具，選擇垂直和端點(diǎn)項(xiàng)，分別過(guò)0】、02做垂線0］心,02K2O厲構(gòu)姿態(tài)參數(shù)包括前切門o丄及盾尾。2的平面及高程偏差、厲體的俯仰角。下面就這幾個(gè)參數(shù)的讀取及計(jì)算做簡(jiǎn)要陳述。4.3.1盾構(gòu)機(jī)前切口及盾尾平面高程偏差化對(duì)齊操作的結(jié)果圖中選擇6K1或02血，在命令行輸入命令“l(fā)ist”，回車后會(huì)返回所選線段的屬性，如圖9所示為0丄Ki線段的屬性o*AutoCAD文本包口-F八哈爾茨地扶■■石獨(dú)\陸枸….?0O由令：11LIST找到1個(gè)A]kJraE.n空間！祗型空間幀色:1（紅） 線型：BYLJLYER句柄■?3a3自A,X- 2004?S"9Y?8224.89002??7.35^0到A.X? 2004?S7698224?88労Z-7?3378在當(dāng)前UC3中?-o-oooi,在XY平面中的竟度- Z66三維長(zhǎng)度■ 0.01S2.與XY平面的角度■270增晝X? 0.0006增晝Y-■0?0001,增晝Z■?0?01522B圖9線段的屬性上圖中，當(dāng)前UCS中的長(zhǎng)度可看做是0丄點(diǎn)在XY平面上偏離隧道設(shè)計(jì)中線的數(shù)值，增量Z為0丄點(diǎn)在Z軸高程偏離隧道設(shè)計(jì)中線的數(shù)值o一般情況卜數(shù)值的正負(fù)做如卜定義：平而以掘進(jìn)方向?yàn)闇?zhǔn)，偏左為負(fù)，偏右為正；高程己隧道中心高程為準(zhǔn)，偏低為負(fù)，偏高位正。4.3.2盾構(gòu)機(jī)中軸線的實(shí)際坡度同上在圖8中選取0,02,同理讀取其屬性，町分別查出0丄、。2點(diǎn)的高程，則盾構(gòu)中軸線6—2坡度：式中：H1……5高程;H2——。2高程；Dow2——0丄。2之間的平距。5?小結(jié)通過(guò)在哈爾濱地鐵