盾構(gòu)法隧道施工盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)人工測量

/盾構(gòu)法隧道施工盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)人工測量中鐵十一局集團(tuán)有限公司城市軌道工程公司劉軍摘要：結(jié)合廣州地鐵六號線【大坦沙-如意坊】區(qū)間段地下隧道貫穿的測量實(shí)踐,簡明地介紹了地鐵建設(shè)中盾構(gòu)施工測量過程,并著重對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的人工測量工作作了深化細(xì)致的探討,闡述了盾構(gòu)機(jī)自動導(dǎo)向系統(tǒng)姿態(tài)定位測量的原理和方法,以及如何運(yùn)用人工測量的方法來檢核自動導(dǎo)向系統(tǒng)的精確性,分析了盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)定位檢測的狀況。關(guān)鍵詞:盾構(gòu)法；自動導(dǎo)向系統(tǒng)；TBM姿態(tài)；人工測量；1、概述隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展,我國在各大城市都開展了地鐵建設(shè),為了滿足盾構(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),必需探討每一步測量工作所帶來的誤差,包括地面限制測量,豎井聯(lián)系測量,地下導(dǎo)線測量,盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)定位測量四個階段。本文主要以廣州地鐵六號線【大坦沙-如意坊】區(qū)間段隧道的貫穿測量項(xiàng)目為背景,探討了地鐵隧道施工中盾構(gòu)機(jī)自動導(dǎo)向系統(tǒng)定位測量的功能及原理,并闡述了如何用棱鏡測固定點(diǎn)法來檢核自動導(dǎo)向系統(tǒng)的精確性。2、盾構(gòu)機(jī)自動導(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)的自動導(dǎo)向系統(tǒng),本區(qū)間盾構(gòu)機(jī)上的自動導(dǎo)向系統(tǒng)為德國VMT公司的SLS-T系統(tǒng),主要有以下四部分組成：TCA-具有自動照準(zhǔn)目標(biāo)的全站儀。主要用于測量(水平和垂直的)角度和距離、放射激光束。ALTU(活動激光目標(biāo)單元)亦稱為標(biāo)板或激光靶板。這是一臺智能型傳感器,ALTU接受全站儀發(fā)出的激光束，測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)，在安裝時其位置就確定了，它相對于盾構(gòu)機(jī)軸線的關(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，確保用戶操作簡便。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)自動導(dǎo)向定位的基本原理地鐵隧道貫穿測量中的地下限制導(dǎo)線是一條支導(dǎo)線,它指示著盾構(gòu)的推動方向,導(dǎo)線點(diǎn)隨著盾構(gòu)機(jī)的推動延長,導(dǎo)線點(diǎn)通常建立在管片的側(cè)面儀器臺上和右上側(cè)內(nèi)外架式的吊籃上,儀器接受強(qiáng)制歸心(見圖1)圖1為了提高地下導(dǎo)線點(diǎn)的精度,應(yīng)盡量削減支導(dǎo)線點(diǎn),拉長兩導(dǎo)線點(diǎn)的距離(但又不能無限制的拉長),并盡可能布設(shè)近乎直伸的導(dǎo)線。一般兩導(dǎo)線點(diǎn)的間距宜限制在150m左右。盾構(gòu)機(jī)自動導(dǎo)向系統(tǒng)的姿態(tài)定位主要是依據(jù)地下限制導(dǎo)線點(diǎn)來精確確定盾構(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)線上一個點(diǎn)的坐標(biāo)(即X、Y、Z)來確定的,這個點(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地下導(dǎo)線的限制點(diǎn)來定向,這樣就確定了北方向,即方位角。再利用全站儀自動測出的測站和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),利用三角高程測出ALTU棱鏡的高程值(即Z)。激光束射向ALTU，ALTU就可以測定激光相對于ALTU平面的偏角。在ALTU入射點(diǎn)之間測得的折射角及入射角用于測定盾構(gòu)機(jī)相對于隧道設(shè)計(jì)軸線(DTA)的偏角。坡度和旋轉(zhuǎn)干脆用安裝在ALTU內(nèi)的傾斜儀測量。這個數(shù)據(jù)大約每秒鐘兩次傳輸至限制用的計(jì)算機(jī)。通過全站儀測出的和ALTU之間的距離可以供應(yīng)沿著DTA掘進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)的里程長度。全部測得的數(shù)據(jù)由通信電纜或者無線傳輸至計(jì)算機(jī),通過軟件組合起來用于計(jì)算盾構(gòu)機(jī)軸線上前后兩個參考點(diǎn)的精確的空間位置,并和隧道設(shè)計(jì)軸線(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),在推動時只要限制好姿態(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)位置的檢測和計(jì)算在隧道推動的過程中,必需獨(dú)立于SLS-T系統(tǒng)定期對盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和位置進(jìn)行檢查。間隔時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。在隧道測量時必需始終考慮這一效應(yīng)。低估這個問題可能會引起嚴(yán)峻的困難,尤其在長隧道中。我們接受棱鏡法來對盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行檢查。在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)有17個參考點(diǎn)也稱為固定點(diǎn)見圖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,它們相對于盾構(gòu)機(jī)的軸線有確定的參數(shù)關(guān)系(見表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)的軸線構(gòu)成局部坐標(biāo)系(見圖2)。圖2在進(jìn)行測量時,只要將特制的適配螺栓旋到M8螺母內(nèi),再裝上棱鏡。現(xiàn)在這些參考點(diǎn)的測量可以達(dá)到毫米的精度。已知的坐標(biāo)和測得的坐標(biāo)經(jīng)過三維轉(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。下面來說明如何用棱鏡法來計(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)線限制點(diǎn),只要測出17個參考點(diǎn)中的隨意三個點(diǎn)(最好取左、中、右三個點(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)和盾構(gòu)機(jī)的盾首中心和盾尾中心的空間距離是不會變的,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。假設(shè)我們已經(jīng)測出左,中,右(8,11,16號)三個參考點(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。我們測出某一里程盾構(gòu)機(jī)上三個參數(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)人工測量固定點(diǎn)坐標(biāo)列表點(diǎn)號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)軸線和設(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)。通過測量垂線在水平和垂直方向上偏離值來求解盾構(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)連線長度）。依據(jù)測量平差理論可知，實(shí)際測量時，須要觀測至少4個點(diǎn)位以上，觀測的參考點(diǎn)越多，多余觀測就越多，因此計(jì)算的精度就越高。比較VMT導(dǎo)向系統(tǒng)測得的盾構(gòu)姿態(tài)值和人工檢測的盾構(gòu)姿態(tài)值，其精度基本上能達(dá)到±10mm之內(nèi)。5、結(jié)束語在廣州地鐵六號線中，【大坦沙~如意坊】盾構(gòu)區(qū)間隧道分為左右線兩條相互平行的線路,即來回兩條隧道。在這兩個區(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導(dǎo)向系統(tǒng)的正確性是牢靠有效的。在貫穿誤差測量中，由于接受了以上一系列的方法和措施,以及先進(jìn)的自動導(dǎo)向系統(tǒng)指導(dǎo)掘進(jìn),右線于2008年10