盾構(gòu)測量方案

1、7.4盾構(gòu)隧道施工測量盾構(gòu)機始發(fā)初始狀態(tài)測量7.4.1.1盾構(gòu)機始發(fā)初始狀態(tài)測量的主要內(nèi)容和目的(1)盾構(gòu)機導(dǎo)軌定位測量盾構(gòu)機導(dǎo)軌測量主要控制導(dǎo)軌的中線與設(shè)計隧道中線偏差不能超限,導(dǎo)軌的前后高程與設(shè)計高程不能超限,導(dǎo)軌下面是否堅實平整等。(2)反力架定位測量反力架定位測量包括反力架的高度、俯仰度、偏航等,反力架下面是否堅實、平整。反力架的穩(wěn)定性直接影響到盾構(gòu)機始發(fā)掘進是否能正常按照設(shè)計的方位進行。 (3) 演算工房導(dǎo)向系統(tǒng)初始測量盾構(gòu)機姿態(tài)盾構(gòu)機姿態(tài)初始測量包括測量水平偏航、俯仰度、扭轉(zhuǎn)度。盾構(gòu)機的水平偏航、俯仰度是用來判斷盾構(gòu)機在以后掘進過程中是否在隧道設(shè)計中線上前進,扭轉(zhuǎn)度是用來判斷盾構(gòu)機

2、是否在容許范圍內(nèi)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。(4) 人工復(fù)測盾構(gòu)姿態(tài)為了保證導(dǎo)向系統(tǒng)的正確性和可靠性,在盾構(gòu)機始發(fā)前,應(yīng)進行盾構(gòu)姿態(tài)的人工檢測。.2盾構(gòu)機姿態(tài)測量原理（1）演算工房導(dǎo)向系統(tǒng)導(dǎo)向系統(tǒng)介紹在掘進隧道的過程中,為了避免盾構(gòu)機發(fā)生意外的運動及方向的突然改變, 必須對盾構(gòu)機的位置和隧道設(shè)計軸線的相對位置關(guān)系進行持續(xù)地監(jiān)控測量,使盾構(gòu)機能夠按照設(shè)計路線精確地推進。日本株式會社的演算工房就是為此而開發(fā),該系統(tǒng)為使盾構(gòu)機沿設(shè)計軸線(理論軸線)掘進提供所有重要的數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)是由激光全站儀(天寶5600) 、中央控制箱、ESL靶、控制盒和計算機及掘進軟件組成。其組成見圖1。圖1 盾構(gòu)機導(dǎo)向系統(tǒng)組成導(dǎo)向基本原理洞

3、內(nèi)控制導(dǎo)線是支持盾構(gòu)機掘進導(dǎo)向定位的基礎(chǔ)。激光全站儀安裝在位于盾構(gòu)機尾部右上側(cè)管片的拖架上,后視一基準點(后視靶棱鏡)定位后。全站儀自動掉過方向來,搜尋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量出激光站至ELS靶間的距離。盾構(gòu)機的仰俯角和滾動角通過ELS靶內(nèi)的傾斜計來測定。ELS靶將各項測量數(shù)據(jù)傳向主控計算機,計算機將所有測量數(shù)據(jù)匯總,就可以確定盾構(gòu)機在坐標系統(tǒng)中的精確位置。將前后兩個參考點的三維坐標與事先輸入計算機的隧道設(shè)計軸線比較,就可以顯示盾構(gòu)機的推進姿態(tài)。（2）人工復(fù)測盾構(gòu)機作為一個近似的圓柱體，在開挖掘進

4、過程中我們不能直接測量其刀盤的中心坐標，只能用間接法來推算出刀盤中心的坐標。圖2 盾構(gòu)姿態(tài)計算原理圖如圖A點是盾構(gòu)機刀盤中心，E是盾構(gòu)機中體斷面的中心點，即AE連線為盾構(gòu)機的中心軸線，由A、B、C、D、四點構(gòu)成一個四面體，測量出B、C、D 三個角點的三維坐標（xi,yi, zi）,根據(jù)三個點的三維坐標（xi, yi, zi）分別計算出LAB, LAC, LAD, LBC, LBD,LCD, 四面體中的六條邊長，作為以后計算的初始值，在盾構(gòu)機掘進過程中Li是不變的常量，通過對B、C、D三點的三維坐標測量來計算出A點的三維坐標。同理，B、C、D、E四點也構(gòu)成一個四面體，相應(yīng)地求得E點的三維坐標。由

5、A、E兩點的三維坐標就能計算出盾構(gòu)機刀盤中心的水平偏航，垂直偏航，由B、C、D三點的三維坐標就能確定盾構(gòu)機的仰俯角和滾動角，從而達到檢測盾構(gòu)機姿態(tài)的目的。.3盾構(gòu)機姿態(tài)測量的誤差分析使用盾構(gòu)進行隧道掘進施工時，需要使盾構(gòu)沿隧道設(shè)計曲線掘進，隧道設(shè)計曲線以全局坐標系為基準。掘進施工中需要實時測量盾構(gòu)在全局坐標系中的位置和姿態(tài)，通過與隧道設(shè)計曲線比較，得到盾構(gòu)掘進的位置偏差和姿態(tài)偏差。實際施工中主要測量盾構(gòu)切口中心和盾尾中心與設(shè)計曲線的水平偏差和垂直偏差，因此測量工作的主要任務(wù)是得到切口中心和盾尾中心在全局坐標系中的坐標。由于標靶加工和裝配工藝水平、傳感器元件本身精度的限制，各測量參數(shù)均存在誤差，

6、這些誤差經(jīng)傳遞后會使得盾構(gòu)切口中心和盾尾中心的坐標位置產(chǎn)生誤差. 因此，準確建立盾構(gòu)切口中心點位誤差與測量參數(shù)誤差的傳遞關(guān)系，對改善自動測量系統(tǒng)的性能、提高系統(tǒng)的測量精度可以起到重要作用。（1）切口中心坐標的測量原理模型圖3為標靶在盾構(gòu)機內(nèi)的安裝位置圖。按照測量工程的習慣，將全局坐標系和其他相對坐標系均設(shè)置為左手坐標系。圖3 激光標靶的安裝位置圖自動測量系統(tǒng)工作時，全站儀固定安裝在已拼裝好的隧道管片上，標靶固定于盾構(gòu)內(nèi)部，標靶與全站儀間無障礙物遮擋。利用全站儀測量標靶棱鏡的全局坐標（x0,y0,z0），同時發(fā)射激光到標靶平面，測量標靶平面與激光的水平夾角，與全站儀激光的水平角合成得到標靶軸線在

7、全局坐標系中的水平方位角g。利用標靶內(nèi)置傾角儀可以測量標靶相對于全局坐標系的滾角a和俯仰角b。以標靶棱鏡中心為原點，以標靶測量的滾角a、俯仰角b、水平入射角g的零值方向為坐標軸方向，建立相對坐標系oa b c . 標靶固定在盾構(gòu)上，坐標系oa b c中盾構(gòu)切口中心的坐標（x1,y1,z1）是固定的。為求取盾構(gòu)切口中心的全局坐標（x,y,z），通過（x1,y1,z1）從坐標系oa b c旋轉(zhuǎn)平移到全局坐標系O-XYZ中，則有 其中 為相對坐標系oa b c到全局坐標系O-XYZ的旋轉(zhuǎn)變換矩陣.（2）切口中心與標靶相對位置坐標標定的誤差分析將標靶安裝到盾構(gòu)上后，盾構(gòu)靜止的狀態(tài)下，通過人工方法測量切

8、口中心的全局坐標（x,y,z），通過全站儀測量標靶棱鏡的全局坐標（x0,y0,z0），然后讀取標靶的三姿態(tài)角讀數(shù)，通過對式(1)進行矩陣變換，反算相對坐標（x1,y1,z1），可得 (2)其中 利用標靶采集的方位角g、滾角a及俯仰角b都存在測量誤差. 設(shè)三個姿態(tài)角的誤差值分別為g、a、b，可視為標靶繞原坐標系軸線旋轉(zhuǎn)了角. 即： 可知存在角度誤差時的變換矩陣：由于角度誤差為毫弧度級別，可以視為極小量，故sin,cos1，上述矩陣可近似表示為： 相對坐標(x1,y1,z1)的標定誤差為： (3) 忽略, 和的高次分量后，表達式（3）可以化簡為： 相對坐標的標定是在盾構(gòu)進入施工隧道前進行的。此時盾

9、構(gòu)水平放置，軸線的滾角a和俯仰角b均接近于0。安裝標靶時盡量使標靶軸線與盾構(gòu)軸線平行，可調(diào)節(jié)標靶的俯仰角b和滾角a讀數(shù)接近零值，使sina與sinb取值為較小量。由于方位角g的實際取值與相對坐標無關(guān)，設(shè)g=0。a，b與g為極小量，表達式中如有分量同時包含a、b、g和sina、sinb兩類量，則為極小分量，可以忽略。用此方法處理相對坐標的誤差表示式即可得其中，(x,y,z)和(x0,y0,z0)為切口中心全局坐標和標靶棱鏡全局坐標，由全站儀測量得到，誤差為毫米級。根據(jù)盾構(gòu)的尺寸和標靶安裝位置可知，x-x0，y-y0， z-z0的值為米級。上式中x-x0，y-y0，z-z0毫米級的測量誤差與極小量

10、a，b與g的乘積可以忽略，故上述表達式中可以不考慮x-x0，y-y0，z-z0的誤差。此時標靶的g=0，a0，b0，可知對盾構(gòu)進行相對位置標定時x-x0x1、y-y0y1、z-z0z1，則相對坐標位置誤差可以修正為 從圖3中可知，y1和z1近似為標靶到盾構(gòu)軸線的水平和垂直距離，而x1為切口到標靶所在的盾構(gòu)橫斷面距離。盾構(gòu)外形為一個長圓筒，x1要比y1和z1大很多。從式(4)中可知，滾動角誤差a對相對坐標誤差的影響較小，俯仰角誤差b和方位角誤差g對相對坐標誤差的影響較大. 標靶在盾構(gòu)中的安裝位置決定了相對坐標(x1,y1,z1)，標靶安裝越遠離切口和盾構(gòu)軸線，相對坐標(x1,y1,z1)越大，標

11、定的誤差就越大。盾構(gòu)機姿態(tài)、管片測量.1盾構(gòu)機姿態(tài)測量方法及思路盾構(gòu)掘進以自動導(dǎo)向系統(tǒng)為主,輔以人工測量校核。演算工房導(dǎo)向系統(tǒng)能夠全天候的動態(tài)顯示盾構(gòu)機當前位置相對于隧道設(shè)計軸線的位置偏差,主司機可根據(jù)顯示的偏差及時調(diào)整盾構(gòu)機的掘進姿態(tài),使得盾構(gòu)機能夠沿著正確的方向掘進。為了確保導(dǎo)向系統(tǒng)的準確性、確保盾構(gòu)機能夠沿著正確的方向開挖,每周進行2次人工測量復(fù)核。.2托架的制作和安裝激光站的支架用角鋼和鋼板做成可以安裝在管片螺栓的托架形似, 托架的底板采用400×400×10mm鋼板，底板中心焊上儀器連接螺栓,長1。采取強制對中，減少儀器對中誤差。托架安裝位置在隧道右側(cè)頂部不受行車

12、的影響和破壞的地方。安裝時，用水平尺大致調(diào)平托架底板后，將其固定好，然后可以安裝后視棱鏡或儀器。托架安裝過程中，需注意全站儀托架與盾構(gòu)機內(nèi)激光靶以及后視棱鏡要通視。.3托架點測量方法與要求托架上的強制對中點的坐標通過車站底板的導(dǎo)線起始邊傳遞而來，采用2級全站儀左右角各測兩測回，共計四測回。左、右角平均值之和與360°較差應(yīng)小于2，測距往返各二測回，往返二測回平均值較差小于2mm。由于管片受水土壓力、注漿壓力、盾構(gòu)掘進時的推力等各種外力的影響，不可避免地存在少量的變形的位移，托架坐標是導(dǎo)線系統(tǒng)的基準，為保證托架坐標的準確性，定期對托架坐標進行復(fù)測。每周進行1次托架坐標的復(fù)測，在特殊情況

13、下，一旦發(fā)現(xiàn)托架有較大移動，立即對托架坐標進行復(fù)測，確保托架坐標的準確性。因此盾構(gòu)在推進過程中，測量人員要牢牢掌握盾構(gòu)推進方向，讓盾構(gòu)沿著設(shè)計中心軸線推進。.4隧道管片測量（1）襯砌環(huán)片安裝復(fù)核測量襯砌環(huán)測量主要包括襯砌環(huán)片環(huán)中心偏差、管片橢圓度和環(huán)的姿態(tài)。襯砌環(huán)片必須不少于35環(huán)測量一次，測量時每環(huán)都測量，并測定待測環(huán)的前端面。相鄰襯砌環(huán)重合測定23環(huán)環(huán)片，以便檢查環(huán)片有沒有發(fā)生位移。測量資料及時整理，并編制測量成果報表，報送盾構(gòu)操作人員，及時指導(dǎo)盾構(gòu)施工。環(huán)片中心偏差測量：將一只5m長的鋁合金尺（配水平尺）橫在管片環(huán)內(nèi)側(cè)，移動鋁合金尺使之水平，在鋁合金尺中央2.5m處垂直放置棱鏡頭，用全站

14、儀直接測定棱鏡中心坐標，與設(shè)計線路計算出該點的里程和偏移，若偏移為0時，說明環(huán)片中心與設(shè)計線路中心重合，并規(guī)定偏左為負，偏右為正，如圖4管片水平姿態(tài)測量示意圖圖4 環(huán)片水平姿態(tài)測量意示圖（2）環(huán)片豎直偏差測量使用DSZ2自動安平水準儀測出管片前沉底部的高程，根據(jù)線路縱斷面圖推算出該環(huán)環(huán)片里程的底部設(shè)計高程，實測高程以設(shè)計高程相比較，既得出環(huán)片豎直偏差值。.5測量管片旋轉(zhuǎn)管片旋轉(zhuǎn)最主要的原因是圍巖未能提供足夠的摩阻力來阻止盾構(gòu)滾動的趨勢而帶動管片旋轉(zhuǎn)。而導(dǎo)致圍巖未能提供足夠摩阻力的內(nèi)在原因為：盾構(gòu)刀盤左右旋轉(zhuǎn)方向不均衡，刀盤總朝一個方向旋轉(zhuǎn)；同步注漿效果不理想，造成圍巖無法提供足夠的摩擦阻力以約

15、束管片的扭轉(zhuǎn)；管片螺栓未足夠緊固，故無法有效地傳遞力矩。在管環(huán)同一水平方向的左、右側(cè)用紅油漆做出標記，盾構(gòu)掘進過程中用水準儀測定標志點的高差A(yù)h ，用鋼尺標志點的水平距離D，從而算出管片扭轉(zhuǎn)角2arctan(AhD)。盾構(gòu)始發(fā)環(huán)測量（平面、高程）盾構(gòu)始發(fā)環(huán)測量原理參照7.4.2.4隧道管片測量。7.4.4聯(lián)系測量（1）平面聯(lián)系測量在施工中有一項很重要的工作就是以井上井下聯(lián)系三角形幾何定向方法控制平面，修正盾構(gòu)推進的軸線。在施工期間每個區(qū)間段依照具體情況進行若干次定向測量，一般第一次在推進150200米左右,最后一次離進洞大約100米左右，本工程18號盾構(gòu)區(qū)間總共擬定進行12次定向測量。聯(lián)系三角

16、形定向是用三根鋼絲來傳遞坐標和方位的，在具體實施時懸掛三根鋼絲，在平面上鋼絲繩與井上、井下的觀測臺組成兩個直伸三角形。側(cè)面示意圖如下：圖5 定向測量示意圖在布設(shè)時使三角形長短邊之比值應(yīng)至少大于2.5倍，而a:b則不應(yīng)大于1.5倍，同時點也不宜離儀器過近。三角形中角應(yīng)小于2°，同時，鋼絲末端懸掛垂球，為防止鋼絲晃動影響觀測，將垂球浸在盛滿油的油桶內(nèi)，并且垂球不得與油桶接觸。觀測時井上、井下聯(lián)接角及聯(lián)系三角形觀測要求以兩臺2秒級的全站儀往返測邊，測角要求9測回，歸零觀測、測回差9（最大角與最小角差值），2C差13（正鏡與倒鏡差值）， 歸零差6，測邊要求正倒境各四次，觀測平均值比較差應(yīng)小于

17、3mm。聯(lián)系三角形邊長測量采用在鋼絲上貼反射片，用對邊模式來測邊，每次獨立測量三次，這三個數(shù)據(jù)間每次較差3mm，并在測邊時考慮井上與井下的溫度，計算邊長改正。以上測量數(shù)據(jù)分為兩組，每組數(shù)據(jù)包括一個井上方位、四個連接角、五條邊長。對三角形解算時，利用三角形閉合差的條件，用簡單平差來計算，求得井下方位與井下控制點坐標。然后，再對另一組數(shù)據(jù)進行如上計算，求得的方位與坐標與第一組的進行檢核，以確保不出現(xiàn)差錯。每次獨立定向測量的成果應(yīng)該滿足方位角較差12，點位較差20mm。在幾何定向的同時應(yīng)該對于井下控制導(dǎo)線進行復(fù)核。在井下布置用以控制隧道的平面偏差的測量導(dǎo)線，它主要分為井下控制導(dǎo)線和井下施工導(dǎo)線。井下

18、施工導(dǎo)線精度較低、邊長較短作為一般工作導(dǎo)線，井下控制導(dǎo)線是作為施工首級控制，用來準確指導(dǎo)掘進方向的邊長較長、精度較高的導(dǎo)線，應(yīng)與每次幾何定向配合同步進行井下導(dǎo)線復(fù)測，重新計算導(dǎo)線點，并將定向所得的方位傳至隧道內(nèi)最新設(shè)置的測量臺，修正施工導(dǎo)線的偏差。觀測時儀器應(yīng)采取強制對中，其測量規(guī)范采用與井上放樣測量相同的規(guī)定。井下導(dǎo)線點布置如圖6所示。圖6 隧道內(nèi)導(dǎo)點布置示意圖（2）高程導(dǎo)入測量豎井高程導(dǎo)入的目的是把地面高程傳入豎井底。進行高程傳遞時，用掛49N（檢驗時采用的拉力）的鋼尺，兩臺水準儀在井上和井下同步觀測（如圖7所示），將高程傳至井下固定點。共測量三次，每次應(yīng)變動儀器高度。三次測得地上、地下水

19、準點的高差較差應(yīng)小于3mm。圖7 豎井高程導(dǎo)入圖實際操作時，從嚴要求，井上、井下水準儀和水準尺互換位置，再獨立測量三次。必須高度注意兩水準尺的零點差是否相同，否則應(yīng)加入此項改正。傳入井底的高程，應(yīng)與井底已有的高程進行檢核。7.4.5地下施工測量（1）地下施工導(dǎo)線和施工控制導(dǎo)線測量在盾構(gòu)始發(fā)推進后向前掘進時，應(yīng)布設(shè)施工導(dǎo)線用以進行放樣并指引盾構(gòu)掘進。施工導(dǎo)線邊長為2550m。導(dǎo)線點應(yīng)設(shè)置于洞壁一側(cè)，并及時測定盾構(gòu)觀測臺的坐標，為盾構(gòu)施工測量做準備。當盾構(gòu)掘進100200m時，為了檢查隧道軸線與設(shè)計軸線是否相符合，必須選擇部分施工導(dǎo)線點敷設(shè)邊長較長（50100m）精度要求較高的基本導(dǎo)線。并且，為了

20、保證隧道貫通的精度，在基本導(dǎo)線中選取敷設(shè)邊長較長（200500m）精度要求更高主要導(dǎo)線點，提高測量精度，確保隧道貫通。施工控制導(dǎo)線的測量包括基本導(dǎo)線和主要導(dǎo)線的測量工作。觀測采用左右角各三個測回進行觀測，左右角平均值之和與360°的較差小于4。邊長往返測各兩測回，一測回三次讀數(shù)的較差小于3mm，測回間平均值較差小于3mm，往返平均值較差小于5mm。氣象數(shù)據(jù)每條邊在一端測定一次。測距邊只進行氣壓、溫度等氣象改正和傾斜改正，不進行高程歸化和投影改正。由于本區(qū)間隧道施工時，兩臺盾構(gòu)相隔約一個月的時間前后出洞，則后推進的盾構(gòu)勢必對相隔的另一條隧道的成環(huán)管片產(chǎn)生影響，對已經(jīng)在使用的施工用測量控

21、制點也會造成平面和高程方向的不確定位移，故對于后推進的隧道內(nèi)控制點在另一條盾構(gòu)機在超越其相鄰管片后，均應(yīng)對該隧道的控制導(dǎo)線從井口的聯(lián)系測量用基準方向上復(fù)測至盾構(gòu)施工的最新吊臺，這樣方可將兩條隧道推進的相互影響降至最低。（2）地下水準測量地下水準測量包括地下施工水準測量和地下控制水準測量，起算于豎井傳遞的井下固定點，地下水準點可利用地下導(dǎo)線點測量標志。井下水準點一般以100m左右埋設(shè)固定水準點一點，水準尺必須用裝氣泡的水準尺，以便減少水準尺的傾斜而造成系統(tǒng)誤差。井下水準測量按城市等水準操作及工程測量GB5002693規(guī)范執(zhí)行。應(yīng)采用往返測，往返固定點之間高差3mm，全線往返3mm×n1/2。（n為測站數(shù)）7.4.6貫通測量（1）平面貫通測量方法：當隧道貫通后，應(yīng)及時進行平面貫通測量。貫通測量作業(yè)時，利用貫通面兩邊的已知控制導(dǎo)線點，在貫通面兩側(cè)設(shè)3個左右的導(dǎo)線點，并在貫通面附近設(shè)一點（臨時點也可），這些點與洞內(nèi)已知導(dǎo)線邊形成附合導(dǎo)線。按四等導(dǎo)線對邊角測量的有關(guān)要求測量貫通附合導(dǎo)線。外業(yè)資料滿足要求后，求算貫通誤差，判斷貫通是否滿足±50mm的要求。誤差調(diào)整：貫通誤差求出來后，應(yīng)進行貫通誤差的調(diào)整。貫通誤差的調(diào)整應(yīng)符合下列要求：方位角貫通誤差分配在未襯砌地段的導(dǎo)線角上；計算貫通點坐標閉合差，坐標閉合差在貫通地段導(dǎo)線上，按邊長比例分配，閉合差很小時也可按坐標平差處