盾构测量

2024-10-04

盾构测量（精选7篇）

盾构测量篇1

摘要：介绍了地铁建设中各种测量过程, 并着重对盾构机姿态定位中的测量工作作了研究, 阐述了盾构机自动导向系统姿态定位测量的原理和方法, 以及如何使用人工测量的方法来检核自动导向系统的准确性, 分析了盾构机姿态定位检测的情况。

关键词：地铁,盾构,自动导向系统

随着城市建设的飞速发展, 我国在各大城市都开展了地铁建设, 为了满足盾构掘进按设计要求贯通 (贯通误差必须小于±50 mm) , 必须研究每一步测量工作所带来的误差, 包括地面控制测量, 竖井联系测量, 地下导线测量, 盾构机姿态定位测量4个阶段。

1盾构机自动导向系统的组成与功能

现在的盾构机都装备有先进的自动导向系统, 本区间盾构机上的自动导向系统为德国VMT公司的SLS-T系统, 主要由以下四部分组成:1) 具有自动照准目标的全站仪。2) ELS (电子激光系统) , 亦称为标板或激光靶板。3) 计算机及隧道掘进软件。4) 黄色箱子。它主要给全站仪供电, 保证计算机和全站仪之间的通信和数据传输。

2 盾构机自动导向定位的基本原理

地铁隧道贯通测量中的地下控制导线是一条支导线, 它指示着盾构的推进方向, 导线点随着盾构机的推进延伸, 导线点通常建立在管片的侧面仪器台上和右上侧内外架式的吊篮上, 仪器采用强制归心, 为了提高地下导线点的精度, 应尽量减少支导线点, 拉长两导线点的距离 (但又不能无限制的拉长) , 并尽可能布设近乎直伸的导线。一般两导线点的间距宜控制在150 m左右。在掘进中盾构机的自动导向系统主要是根据地下控制导线上一个点的坐标 (即X, Y, Z) 来确定的, 这个点就是带有激光器全站仪的位置, 然后全站仪将依照作为后视方向的另一个地下导线的控制点来定向, 这样就确定了北方向, 即方位角。再利用全站仪自动测出的测站与ELS棱镜之间的距离和方位角, 就可以知道ELS棱镜的三维坐标 (即X, Y, Z) 。激光束射向ELS, ELS就可以测定激光相对于ELS平面的偏角。在ELS入射点之间测得的折射角及入射角用于测定盾构机相对于隧道设计轴线 (DTA, 已事先计算好并输入计算机) 的偏角。坡度和旋转直接用安装在ELS内的倾斜仪测量。这个数据大约2次/s传输至控制用的计算机。通过全站仪测出的与ELS之间的距离可以提供沿着DTA掘进的盾构机的里程长度。所有测得的数据由通信电缆从黄盒子传输至计算机, 通过软件组合起来用于计算盾构机轴线上前后两个参考点的精确空间位置, 并与隧道设计轴线 (DTA) 比较, 得出的偏差值显示在屏幕上, 这就是盾构机的姿态, 在推进时只要控制好姿态, 盾构机就能精确地沿着隧道设计轴线掘进, 保证隧道能顺利准确的贯通。

3 盾构机姿态位置的检测和计算

我们采用棱镜法来对盾构机的姿态进行检查。在盾构机内有15个参考点 (M8螺母) , 这些点在盾构机构建之前就已经定好位了, 它们相对于盾构机的轴线有一定的参数关系 (见表1) , 即它们与盾构机的轴线构成局部坐标系 (见图1) 。在进行测量时, 只要将特制的适配螺栓旋到M8螺母内, 再装上棱镜。现在这些参考点的测量可以达到毫米的精度。已知的坐标和测得的坐标经过三维转换, 与设计坐标比较, 就可以计算出盾构机的姿态和位置参数等。

下面来说明如何用棱镜法计算盾构机的姿态和位置。

我们利用洞内地下导线控制点, 只要测出15个参考点中的任意三个点 (最好取左、中、右三个点) 的实际三维坐标, 就可以计算盾构机的姿态 (但在实际操作中, 我们往往会多测量几个点, 以便剔除粗差与检核) 。对于以盾构机轴线为坐标系的局部坐标来说, 无论盾构机如何旋转和倾斜, 这些参考点与盾构机的盾首中心和盾尾中心的空间距离是不会变的, 它们始终保持一定的值, 这些值我们可以从它的局部坐标计算出来。

从图1中可以看出, 在以盾构机轴线构成局部坐标系中, 盾首中心为坐标原点, 坐标为 (0, 0, 0) , 盾尾中心坐标为 (4.096, 0,

表2为我们在盾构机始发时测出的均匀分布的点7, 8, 9, 10, 11, 14几个参考点的实际三维坐标。

根据以上数据就可以列出两组三元二次方程组, 来解出盾首中心和盾尾中心的实际三维坐标, 方程组如下:

第一组 (计算盾首中心三维坐标) :

第二组 (计算盾尾中心三维坐标) :

三个方程三个未知量, 采用专业软件解算方程组。我们从表2中的数据中取出任意三组数据代入计算, 在剔除测量带来的误差后可以解出盾首中心的坐标为:

X首=37 551.636 9, Y首=27 883.412 5, Z首=-23.347。

在此里程上盾首中心的设计三维坐标为:

X首=37 551.658 1, Y首=27 883.414 5, Z首=-23.365。

ΔX=21.2 mm, ΔY=2 mm, ΔZ=-18 mm, 盾首中心左右偏差为+21.3 mm (正表示向右偏) , 上下偏差为-18 mm, 负号表示偏下

用第二组方程可以解出盾尾坐标为:

X尾=37 554.816 7, Y尾=27 885.989 9, Z尾=-23.355 2。

在此里程上盾尾中心的设计三维坐标为:

X尾=37 554.772 1, Y尾=27 885.986 3, Z尾=-23.374。

ΔX=-44.6 mm, ΔY=-3.6 mm, ΔZ=-18.8 mm, 盾首中心左右偏差为-44.7 mm (负表示向左偏) , 上下偏差为-18.8 mm, 负号表示偏下。盾构机的坡度为 (-23.347+23.355 2) /4.096=+0.002=+2‰。

从以上数据可以得知, 在与对应里程上盾首中心和盾尾中心设计的三维坐标比较后, 就可以得出盾构机轴线与设计轴线的左右偏差值和上下偏差值, 以及盾构机的坡度, 这就是盾构机的姿态。

4结语

把计算得出的盾构机姿态与自动导向系统在计算机屏幕上显示的姿态作比较, 根据实践经验, 只要两者的差值不大于10 mm, 就可以认为自动导向系统是正确的。在广州地铁六号线某盾构标段已推进的300多米隧道中, 曾多次采用棱镜法检核盾构机姿态, 两者的偏差值较差均不大于10 mm, 证明了该方法在检核自动导向系统的正确性是可靠有效的。

参考文献

[1]GB 50308-1999, 地下铁道、轻轨交通工程测量规范[S].

[2]GB 50299-1999, 地下铁道施工及验收规范[S].

[3]GB 50026-1993, 工程测量规范[S].

地铁盾构隧道测量误差研究篇2

关键词：地铁,盾构,隧道测量,误差,贯通

1 盾构隧道测量概述

地下工程测量是指建设和运营地表下面工程建筑物需要进行的测量工作, 包括地下工程勘察设计、施工和运营各个阶段的测量工作。地下工程测量的任务是保证线状工程在规定误差范围内正确贯通, 保证面状工程按设计要求竣工。

盾构方法以其独特的施工工艺特点和较高的技术经济优越性, 在隧道施工中得到广泛应用, 从18世纪末盾构机问世以来, 与盾构施工相伴而生的盾构施工测量, 一直在为盾构施工起着保驾护航的作用。

盾构法隧道工程施工, 需要进行的测量工作主要包括:

(1) 地面控制测量:在地面上建立平面和高程控制网;

(2) 联系测量:将地面上的坐标、方向和高程传到地下, 建立地面地下统一坐标系统;

(3) 地下控制测量:包括地下平面和高程控制;

(4) 隧道施工测量:根据隧道设计进行放样, 指导开挖及衬砌的中线和高程测量。

所有这些测量工作的作用是:

(1) 在地下标定出地下工程建筑物的设计中心线和高程, 为开挖、衬砌和施工指定方向和位置;

(2) 保证在开挖面的掘进中, 施工中线在平面和高程上按设计的要求正确贯通, 保证开挖不超过规定的界线, 保证所有建筑物在贯通前能正确地修建;

(3) 保证设备的正确安装;

(4) 为设计和管理部门提供竣工测量资料等。

盾构施工测量不仅要保障盾构机沿着隧道设计轴线运行, 随时提供盾构机掘进的瞬时姿态, 为盾构机操作人员提供盾构机姿态修正参数, 同时还要对隧道衬砌环的安装质量进行测定。要保证盾构机从始发井经区间隧道准确进入接收井, 必须以较高的精度实施盾构法隧道施工测量。

2 隧道贯通误差介绍

地下工程测量与地面工程测量相比, 尽管测设方法有很多共同之处, 但地下工程测量仍有其特殊性。线状地下工程逐步开挖、施工面狭窄、不同工段之间不能通视, 因此, 测量工作不能互相照应, 不便组织检核, 出了差错很难及时发现, 整个测量工作的正确性只有到开挖工段间贯通后才能得以证明。可见侧量工作在地下工程建设中具有十分重要的作用, 稍有疏忽必将造成无可挽回的损失。

盾构法隧道施工中, 地面控制测量、联系测量、地下控制测量和细部放样的误差积累, 将使开挖工作面的施工中线不能理想衔接, 产生的错开现象称为贯通误差。

贯通误差在线路中线方向的投影长度称为纵向贯通误差 (简称纵向误差) , 在垂直于中线方向的投影长度称为横向贯通误差 (简称横向误差) , 在高程方向的投影长度称为高程贯通误差 (简称高程误差) 。

纵向误差只影响隧道中线的长度, 与工程质量关系不大, 对隧道贯通没有多大影响;高程误差仅影响接轨点的平顺 (边掘进边铺轨的隧道尤为突出) 或隧道的坡度, 要求较高, 实践表明, 应用一定的测量方法, 容易达到所需的精度要求。

3 贯通误差分配

盾构隧道工程测量, 地面控制网的网形可以任意选择, 但地下控制测量只能布设成导线形式, 而且是支导线形式。测量精度的确定实质是贯通误差限值的配赋。由于施工中线和贯通误差是由洞内导线测量确定, 不计, 因此测量误差对贯通精度的影响, 施工误差和放样误差对贯通精度的影响可忽略主要取决于地上、地下控制网的布设情况和竖井联系测量, 即隧道贯通误差主要来源于洞内、外控制测量和竖井联系测量。隧道施工中, 地面控制测量和洞内控制测量往往由不同单位分开施测, 故应将容许贯通误差加以适当分配。

平面控制测量, 地面上的条件较洞内好, 则地面控制测量的精度要求应高一些, 而洞内导线测量的精度要求可适当放低一点。

地面控制测量的误差作为影响隧道贯通精度的一个独立因素, 单向开挖洞内导线测量的误差也作为一个独立因素, 通过竖井开挖的贯通精度受竖井联系测量的影响较大, 故又把竖井联系测量的误差作为一个如按等影响原则分配, 地面控制测量误差对横向贯通中误差Ma的影响允许值

纵向贯通误差, 主要影响隧道中线的长度, 只要求满足定测中线的精度, 即限差

高程控制测量, 洞内有烟尘、水气, 按等影响原则分配, 相等的原则分配, 洞内的水准路线短, 高差变化小, 这些条件比地面的好;另一方面, 光亮度差和施工干扰等不利因素, 地面与地下控制测量的误差, 应竖井联系测量作为一个独立因素, 对高程贯通精度的影响, 也应按地面控制测量误差对高程贯通中误差Me的影响允许值为

上述贯通误差限值及精度要求均有一定局限性, 随着勘测和施工技术的发展, GPS控制测量方法己逐渐替代常规测量方法, 广泛应用于地铁工程的地面控制测量。为适应施工方法的变更和应用方便, 依据《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》, 介绍贯通误差的配赋情况。

《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》提出横向贯通中误差应在±50mm之内, 高程贯通中误差应在±25mm之内。根据误差理论和国内外地铁贯通测量经验, 横向贯通误差的合理配赋为地面控制测量的横向中误差应在±25mm之内, 联系测量中误差应在±20mm之内, 地下导线测量中误差应在±30mm之内。

4 地面控制测量控制误差环节

盾构法隧道工程施工是由一侧竖井出发, 掘进至另一侧竖井, 这就必然会在线路的纵、横、竖三个方向出现贯通误差, 其中横向贯通误差对工程质量影响最大, 是隧道控制测量的重点工作。从地面及地下控制测量的设计到进洞测量的各项工作, 都必须紧紧围绕如何保证贯通精度, 特别是横向贯通精度, 在设计图纸和工程使用要求所允许的范围内。下面主要探讨地面控制测量控制误差的环节。

当地面控制网按首级GPS网和二级精密导线网的方式布设时, ±25mm成为GPS网和精密导线网的联合横向中误差限差。点位的误差影响为:

mG:GPS网中最弱点的点位中误差;mT:精密导线网中最弱点的点位中误差实测过程中, 需要注意合理、有效地发挥各自的特点和优势, 获取最可靠、最精确的观测成果。GPS测量应注意:

(1) 点位选在交通方便、易于安置接收设备的地方, 视场要开阔, 利于避开对电磁波接收有干扰的物体。 (2) 尽管GPS测量不要求相邻测站点间通视, 但为今后便于用常规测量方法联测或扩展, 要求每个控制点应有一个以上的通视方向。 (3) GPS网必须由非同步独立观测边构成若干闭合环或附合路线以构成检核条件, 提高网的可靠性。 (4) 观测前应编制出包括可见卫星号、卫星高度角和方位角、最佳观测卫星组的最佳观测时间、点位几何图形强度因子等内容的GPS卫星可见性预报表。 (5) 采用精密星历和联测WGS-84己知点。

参考文献

[1]于来法, 等.军事工程测量学[M].八一出版社, 1994.

地铁盾构导向联系测量的工程实践篇3

盾构法施工具有对地面交通影响小、高效、环保等优点,逐渐为城市地铁广泛采用。联系测量是盾构工程测量中最为复杂的一个环节,包括地面趋近导线测量、趋近水准测量、通过竖井、斜井通道实现坐标传递的平面联系测量和高程传递测量以及地下趋近导线测量、地下趋近水准测量。平面联系测量是盾构工程测量中最为重要的环节之一,是盾构工程测量中承上启下的关键[1]。

本文以南京地铁1 号线南延线的胜太路车站段左线平面联系测量为例,分析和总结了吊钢丝两井定向和导线定向法在盾构导向中将地面坐标传递至井下的具体实施方法和精度,可作为同类工程应用的参考。

1 平面联系测量

平面联系测量是将地面控制点的坐标和方向按照一定的方法与精度要求传递至地下( 车站) ,作为洞内地下导线测量的起算数据,并使地下平面控制网与地面平面控制网具有统一的坐标系统[2]。

目前工程测量领域常用的平面联系测量方法主要分为吊钢丝法、导线定向法及混合法三类,其中吊钢丝又分一井定向和两井定向两种方法[3]。

( 1) 一井定向

一井定向主要采用联系三角形法。主要作业方法如图1 所示,图中地上控制点C为近井点,它与地上其它控制点通视( 如图中DE方向) ,实际工作中至少有两个控制点通视。C'为地下洞内定向点( 地下导线点) ,它与另一地下导线点D'通视。通过在A、B两点悬挂重锤投点得到地下A'、B'点。

( 2) 两井定向

在隧道施工时,为了通风和出土方便,往往在竖井附近增加通风井和出土井。此时,联系测量可采用两井定向法。

如图2 所示,A1、A2、B1、B2 ( 或更多) 为地面导线点,D1 ~ D3 ( 或更多) 为地下导线点。在地下,将已布设在坑道( 巷道) 内的地下导线与竖井吊锤线连测,构成一个没有连接角的无定向导线。对此进行数据处理,可以求得地下定向边的方位角和定向点的坐标。

( 3) 导线定向

导线定向法是通过竖井( 竖井比较浅,可直接从地面测至地下) 、斜井或平洞,用导线测量的方法将坐标传递到隧道内,这与一般的导线测量方法基本相同。

( 4) 混合定向

主要采用铅垂仪、陀螺经纬仪联合定向。采用铅垂仪代替吊钢丝,虽然方便快捷很多,但当竖井较浅或重锤稳定时,一般不采用铅垂仪,因为地球重力比铅垂仪更加可靠。

平面联系测量一般是通过吊钢丝或竖直导线来完成的,具有一定的不稳定性,所以在一条隧道贯通之前一般需要进行多次联系测量,最后取多次测量成果的均值作为最终联系测量成果。

2 工程概况

TA08 标是南京地铁一号线南延线工程的一部分。经过对施工作业区的现场踏勘,存在测量通视不佳、施工作业面复杂、交通繁忙且对施工测量会造成很大影响等因素,对该标段相应的平面控制点和水准点进行了复测,并适当加密了平面控制点和水准点,以满足盾构施工时测量作业的需要。

根据现场的实际情况,决定沿着双龙大道在工地现场可以通视的平安保险楼顶及永高驾校楼顶分别布设两个加密平面控制点,以下简称PA、YG。这两个点和已有控制点江宁国税点( 简称GS) 、南方花园点( 简称NF) 、东恒国际点( 简称DH) 、秦淮河大桥点( 简称QH) ,组成了附和导线,如图3 所示。

3 工程实践

由于地铁盾构始发一般是车站始发或是始发井始发,其始发井和吊出井一般有五十米左右的间隔,所以地铁盾构定向测量可以采用吊钢丝两井定向。胜太路车站先后采用了两井定向和导线定向两种方法。

胜太路车站平面布置图如图4 所示。图4 中,车站主体分为前后期两个部分,分别简称胜~ 百区间和胜~ 河区间,中部吊出井与南端始发井之间约60m,具备做定向测量的场地。在车站左线底板上布设了E1、E2 两个三脚架式强制对中点。在盾构施工后半期,重新在车站左线侧墙上布设了EN、EB两个强制对中点。在右线侧墙上布设了WN、WB两个强制对中点。

3. 1 左线第一次吊钢丝两井定向

车站南端胜~ 百区间先进行左线定向测量。车站底板布设E1、E2 两个强制对中点作为定向点。

( 1) 基本方案

于左线始发井南端与预留井北端各吊下一根0. 3mm的钢丝NS ( 南丝) 和BS ( 北丝) ,与井下始发基线点E1、E2 组成无定向导线网。井上,根据现场实际情况选定近井二级加密点J1 和A、B两个地面点作为NS、BS同级测量的近井点,见图5。

根据以上方案,采用NF、GS、DH、QH四个交桩控制点做起算点,地面平面控制网加密时采用PA、YG两个二级加密点继续作为未知点进行测量,与J1 点组成一个简单附和导线网,见图6。

( 2) 使用仪器、作业方法及精度

采用Leica TCR1201 全站仪及配套设备作为测量仪器。外业水平角观测四测回,各方向测回互差小于4″,往返测距各两测回,每测回正倒镜各三次读数,测回互差小于2mm,往返互差小于3mm。内业采用清华山维平差软件( 3. 0 版) 作严密平差,平面相邻点位中误差小于8mm。

( 3) 起算点检核

根据四个起算点的方向附和差检核,附和导线方位角闭合差为3. 1″,符合限差要求,四个起算点可用。

( 4) 近井点加密测量及平差

对NF、GS、PA、J1、YG、DH、QH七个点组成附和导线网进行测量,按照国家三等平面控制测量精度进行严密平差。最大点位误差为4. 8mm,最大点间相对误差为4. 8mm,最大边长比例误差为1 /321300。均符合地铁测量规范要求,可以用于做定向测量的近井加密点。

( 5) 定向测量及平差

采用PA、J1、YG三点作为测量起算点,与A、B、BS、NS及E1、E2 组成导线网,外业严格按照以上要求进行,内业进行严密平差,平差前后基本观测量中误差情况见表1。

控制网中最大误差情况如下:

最大点位误差=0.00114m

最大点间相对误差= 0. 00107m

最大边长比例误差= 1 /18400 ( 最短边边长较短所致,发生在E1 ~ NS,17. 0886m)

( 6) 分析结论

由以上平差结果可以看出,网中最大点位误差为0. 00114m,最大点间相对误差为0. 00107m,最大边长比例误差为1 /18400,其中最大边长比例误差大于规范要求的1 /60000,这是由于网中最短边边长较短所致,发生在E1 ~ NS边,距离仅为17. 0886m。这样的短边在施工现场进行联系测量过程中是不可避免的,此时应以最大点位中误差和最大点间中误差作为评价标准为宜,尤其是最大点间中误差。

通过以上联系测量,获得两个定向点的最终平面坐标: E1: X = 35800. 7222m,Y = 33113. 0546m; E2:X = 35846. 0010m,Y = 33109. 6420m。结果与业主测量队的导线检测结果吻合很好,完全满足指导盾构施工的要求。

3. 2 左线第二次吊钢丝两井定向

左线盾构已经掘进至900 多米,距离贯通还剩200m,而采用的始发基线边E1 ~ E2 只有45m,较难满足控制1100 多米隧道的精度要求。为此,重新在胜太路车站左线侧墙上布设了EN、EB两个强制对中点,其中EB位于车站北端始发井附近,延长始发基线边至100 多米。

对区间两端胜太路站及百家湖站左线控制点进行了定向测量。

( 1) 基本方案

采用两井定向法( 根据胜太路站EN、EB两个点布设的位置) 。胜太路站的详细布设如图7 所示。

采用NF、GS、DH、QH四个交桩控制点做起算点,前面采用的PA、YG两个二级加密点继续作为未知点进行测量( 便于检核对照) ,与S1、S2、JN、JB四个点组成附和导线网,见图8。

根据四个起算点的方向附和差检核,附和方向差为1. 6″,四个起算点可用。

对NF、GS、PA、S1、S2、JN、JB、YG、DH、QH十个点组成的附和导线网进行测量,按照国家三等平面控制测量精度进行严密平差。最大点位误差为4. 5mm,最大点间误差为3. 1mm,最大边长比例误差为1 /275000。

采用S1、S2、YG三点作为联系测量起算点,与BS、NS及EN、EB一起组成导线网。测量完毕后,根据规范要求,变动钢丝一次,进行第二次定向测量。

( 2) 成果分析

取变丝前后两次定向结果的平均值,作为本次定向测量EN、EB两个起算点的最终成果( 见表2) 。由此两点对上一次联系测量中的E1、E2 两点进行检核,发现结果吻合较好,测得E1 ~ E2 边方位角与原方位角差为3. 8″,说明两次定向测量成果是可靠的。

重新布设起始点EN、EB后的第一次定向成果,虽然精度较高,且和监测中心的检测结果也吻合,但是,仅用变丝测量是不够的,必须采取不同方法经多次定向联测进行检核与验证才能确保联系测量的正确性。

为了更好地起到检核对比的效果,进行第三次定向测量,选择导线定向方法。

3. 3 左线第三次导线定向

( 1) 近井控制点加密测量与平差

在胜太路站的南端井口与北端井口各选择一个近井点Z1 和Z2,井下与始发基线点组成导线网。由于长短边相差悬殊,所以分两次平差,即近井加密控制测量平差和导线联系测量平差。

采用NF、GS、DH、QH四个交桩控制点做起算点,以PA、YG两个二级加密点继续作为未知点进行测量,与Z1、Z2 四个点组成一个附和导线网,见图9。

对NF、GS、PA、Z1、Z2、YG、DH、QH八个点组成的附和导线网进行测量,按照国家三等平面控制测量精度进行严密平差。最大点位误差为2. 6mm,最大点间误差为2. 6mm,最大边长比例误差为1 /552700。

( 2) 导线联系测量及平差

采用Z1、Z2、YG、PA四个点作为起算点,与Z、EB、EN一起组成一个导线网,见图10。外业严格按照规范要求进行,内业进行严密平差。

平差前后基本观测量中误差情况见表3。

控制网中最大误差情况:

最大点位误差=0.00140m

最大点间误差=0.00130m

最大边长比例误差= 1 /6800 ( 最短边较短所致)

( 3) 成果分析

根据上面严密平差后的点间中误差推算的定向误差见表4。

本次导线定向成果与上次吊钢丝两井定向成果对比见表5。

通过上面的结果可以推算出最近两次定向互差为3. 7″。这个差值符合规范要求。如果按照等边直伸导线推算至贯通面附近,两次定向成果可以导致隧道内最远控制点约有15mm的差值。如果取两次定向成果的均值作为最终指导隧道贯通的起算点,那么最远控制点需要纠正约7. 5mm。

4 结论

左线隧道顺利贯通,根据贯通误差测量结果来看,联系测量真值介于最后两次联系测量( 第二次两井定向与第三次导线定向) 成果之间,由此可见,在条件允许做导线定向的情况下,导线定向与吊钢丝两井定向有很强的互补性。

摘要：盾构法施工具有对地面交通影响小、高效、环保等优点,逐渐为城市地铁广泛采用。联系测量是保障盾构施工的最关键工作之一。本文结合南京地铁1号线南延线TA08标胜太路车站盾构联系测量工程实例,具体分析了在地铁盾构施工中采用吊钢丝两井定向和导线定向的方法将地面坐标传递至井下的过程及精度。实践表明,吊钢丝两井定向和导线定向的方法坐标传递的精度能够满足盾构施工的要求。

关键词：地铁盾构,平面联系测量,两井定向,导线定向

参考文献

[1]边大勇,卢小平,李永强等.地铁盾构区间施工测量技术研究[J].测绘通报,2011,(4):55~59.Bian Dayong,Lu Xiaoping,Li Yongqiang et al.On survery technique in subway sectional shield construction[J].Bulletin of Surveying and Mapping,2011,(4):55~59.

[2]潘庆林,高俊强,吉文来.南京地铁1号线定向测量方法及其精度的研究[J].测绘工程,2004,13(3):39~41.Pan Qinglin,Gao Junqiang,Ji Wenlai.Research on the method and the accuracy of orientation survey of Nanjing No.1 subway[J].Surveying and Mapping Engineering,2004,13(3):39~41.

隧道盾构法施工中的测量技术篇4

盾构施工中,测量方面的主要工作是在人工测量基础上进行自动化测量,保证盾构机沿设计轴线前进,偏差值满足设计要求。本文以北京地铁14号线15标东风北桥站至将台站区间10.22m大盾构施工为例,对盾构施工测量技术作简要阐述。

北京地铁14号线15标东风北桥站至将台站盾构区间为单洞双线圆形区间隧道,区间线路从东风北桥站向北下穿东四环后到达将台站。盾构掘进测量以日本演算工房ROBOTEC隧道自动导向系统为主,辅以人工测量校核。

1 地上控制测量

首先对业主给定的平面控制点及高程控制点进行复核,坐标点采用附合导线形式,水准测量采用往返闭合水准线路,并对测量结果进行平差处理,作为平面控制点及高程控制点的施工控制网的依据。根据始发竖井的现场实际情况,分别在盾构井的东西侧加设了3个地面导线点以及3个水准点。为了避免对中误差对精度带来的影响,导线点全部采用了强制对中盘模式。

2 联系测量

联系测量精度对整个标段能否正确贯通起着决定性的作用。联系测量的主要目的是将地上的平面及高程系统传递到地下导线点和水准点上,形成统一的空间坐标系统。根据以往经验,本工程定向测量采用了全站仪一井定向法,高程传递测量采用钢尺导入法。本工程在整个施工过程中,联系测量坐标传递3次。

2.1 导线传递

根据施工现场条件,本工程采用了一井定向方法,地面、地下近井导线测量观测技术要求等同精密导线。分别在隧道工作井两端各投挂一根钢丝,在每根钢丝上下两端适当位置上粘贴反射亮片,钢丝底部挂工作重锤并置入油桶内。先在地上测出两个亮片点的坐标,然后在工作井中再分别测设两条钢丝,反算出井下两个导线点的坐标,作为盾构始发及掘进的平面控制依据。

一井定向是在同一竖井内悬挂两根钢丝组成联系三角形,联系三角形测量采用拓普康全站仪测量,每次独立测量三测回,各测回较差不超过1mm。地上与地下测量的钢丝间距较差小于2mm。每次定向应独立进行三次,取三次平均值作为定向成果。联系三角形钢丝布置形状应满足下列要求:

①钢丝间的距离a应尽可能长;

②定向角α、′α尽可能小,一般应小于1°,呈直伸三角形;

③b/a及b′/a′的比值应尽可能小,一般应小于1.5。

2.2 水准传递

高程联系测量可用吊钢尺法。使用两台同精度水准仪分别置于竖井上下合适的位置,悬吊钢尺稳定后同时进行测量作业。导入标高每次独立进行3次,每次变化仪器高使高差大于100 mm,两次高差较差≤±2mm,取3次平均值为地下水准测量基点标高。

3 地下控制测量

隧道内控制测量分为平面及高程控制测量两部分。随着盾构机沿线路方向往纵深不断掘进,隧道内也需进行相应的平面及高程控制测量,以指导盾构机按设计线路方向正常掘进,以及对环片姿态、盾构机姿态进行检测,对导向系统控制点坐标进行调整。地下平面控制点及高程控制点均固定在隧道内稳定的管片上,管片上布设的点位采用钻孔埋设膨胀螺栓的方法,为保证测量精度,防止出现点位移动现象,每次延伸控制导线前,需对已有的导线控制点至少三个点进行联测检验。

①地下导线控制测量

在实际施工时,采用了双支导线,布设成附和导线方式。一是避免测量时的粗差,另一方面通过双支导线之间的相互校核,以提高地下控制导线的测量精度。隧道内平面控制测量是以平面联系测量基线边为基础的控制测量,盾构机每掘进150~200m后,加设一个平面测量控制点。相对中误差≤±1/35000,导线端点横向误差为:

式中:s为导线边长;mβ为测角中误差;n为支导线边数;ρ=206265。

②地下高程控制测量

将高程引至隧道内高程控制点上,随着盾构掘进水准路线也向前延伸。作为施工导线用的吊篮高程可由洞内控制水准点用水准测量方法引测。地下水准测量应在隧道贯通前独立进行3次,并与地面向地下传递高程同步。

4 盾构掘进测量

4.1 盾构机姿态测量

盾构姿态测量是盾构法施工测量的核心,盾构姿态的正确与否,不但直接影响着管片的拼装质量而且是盾构是否沿设计轴线掘进的前提。盾构机姿态测量包括测量盾构机的水平偏角、垂直偏角、俯仰角、扭转角。盾构机的偏角、俯仰角是用来判断盾构机在掘进过程中是否在隧道设计中线上前进,扭转度是用来判断盾构机是否在容许范围内发生扭转。测定盾构机姿态的目的是确定目标棱镜与盾构机的盾首、盾尾之间的位置关系,为盾构机掘进提供基础数据。

4.2 Robotec自动测量系统

此系统是为了对隧道挖掘施工进行调整管理而开发的。其测量原理为:地面将测量指令传给地下装置部分,再传给自动化测量装置进行自动测量并计算,然后将反映盾构姿态的轴线数据与理论数值进行比较,自动计算出盾构水平及竖向偏差,并显示在计算机上。

Robotec导向系统测量包括:隧道设计中线坐标计算,测站托架和后视托架的三维坐标的测量,初始参数设置等工作。

①隧道设计中线坐标计算

将隧道的设计轴线要素和高程要素计算后,输入计算机中,Robotec测量系统将会自动计算出隧道中线的三维坐标。

②Robotec测量测站托架和后视托架的测量

测站托架上安放全站仪,后视托架上安放后视棱镜。通过人工测量将测站托架和后视托架的中心位置的三维坐标测量出来后,作为控制盾构机姿态的起始测量数据。

③测量系统初始参数设置:将自动全站仪以及后视棱镜的三维坐标输入控制计算机文件里,照准激光标靶并测量其坐标和方位以确定激光标靶三维坐标,以及盾构机的俯仰角和滚动角,盾构机的位置就以数据和模拟图形的形式显示在控制室的电脑屏幕上。

此外,在盾构施工过程中,为了保证导向系统的正确性和可靠性,避免出现电脑理论计算与轴线实际计算出现脱节的情况,在盾构机掘进一定的长度或时间之后,应通过洞内的独立导线进行盾构姿态的人工检测。为保证测量数据传达的及时性,在测量过程中使用跟踪测量的方法,及时测量出盾构机的三维坐标,与设计平面及竖向关系进行比较,确定改正值来指导盾构推进。

5 结论及建议

由于隧道工程建于地下,具有区间距离长,隧道内通视条件差等特点,而且往往受工程工期和施工环境的限制,这就要求测量工作一直保持在最高测量精度的状态。在施工中必须高度重视测量工作,不允许出现测量误差超出限差的情况。必须加强施工测量检核,经常复核洞内的导线点、水准点,随时掌握控制点的变形情况,随时发现点位变化,随时进行测量修正。严格遵守各项测量工作制度和工作程序,确保测量结果的准确性。

参考文献

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盾构测量篇5

关键词：测量机器人,盾构导向系统SNS,姿态测量,计算模型

1 SNS盾构导向系统简介

SNS盾构导向系统(Shield Navigation System)是一款由同济大学和南京工业大学联合开发的专门用于在地铁隧道建设中指导盾构机挖掘方向的软硬件系统,通过测量盾构机机身上至少两个固定点坐标和盾构机倾斜状况,实时将盾构机当前姿态与设计姿态比较,不断调整盾构机的开挖方向。它包含了数据的采集、通讯、计算、分析和管理等众多功能。与其他盾构导向系统只有单一的姿态解算模型相比,该系统包括了三种解算模型(两点两角、三点两角和三点无角),这样可以使系统适应于更多的观测条件,并且在有多余观测条件时还可以进行平差处理,从而使掘进方向更加精准。另外,该系统还包括了一些常用的盾构测量计算工具,方便进行隧道开挖前的准备工作。

2 测量机器人的作业原理

SNS系统通过TCA2003全站仪采集坐标数据,该型全站仪具有自动搜索棱镜目标并精确照准,而且具有马达驱动的功能,因此被称为“测量机器人”。其测角精度为0.5″,测距精度为1mm+1ppm。计算机可以通过发送ASCII码指令的方式实现其所有的面板操作[1]。此外,SNS系统通过两个安装在特定位置的单轴倾斜仪来测定盾构机的倾角数据。计算机通过数据通讯可以控制全站仪和倾斜仪的工作,并获得棱镜坐标数据和盾构机的姿态数据,进而系统可以实时监测并指导盾构机的挖掘方向。

在上述监测流程中,测量机器人的自动搜索棱镜的功能十分重要,快速准确地找到目标并进行测量是决定导向系统作业时间的关键。在搜索棱镜时,测量机器人都是先照准后视棱镜进行定向,然后再按照预先给定的“目标文件”依次寻找目标棱镜。在每次搜索棱镜时,都是先按照给定的位置在小范围内进行粗略查找,如果接到反射激光,则说明找到并转入对下一个目标的搜索;如果没找到目标则扩大搜索范围,直至超时或搜索角度达到1弧度。由于盾构机上的棱镜是动态的,所以全站仪在搜索过程中会出现重复测量和漏测的情况,这就需要后续的棱镜匹配功能对所测棱镜进行识别,其基本原理是点与点的空间距离在不同坐标系中保持不变。对于未测到的点,系统会根据坐标转换关系计算出其实际位置,结合实测棱镜坐标一同更新“目标文件”,这样就保证了盾构机在掘进过程中,全站仪始终能找到棱镜。全站仪的搜索流程如图1所示。

3 工程概况与导向实验过程

为了验证本文开发的SNS盾构导向系统的性能和精度,SNS系统在实际施工现场和日本小松集团的ROBOTEC自动测量系统进行了一系列的对比试验。本次对比实验是在苏州轨道交通一号线会展中心站至星港街站区间(金鸡湖湖底隧道)进行的,该段由中国中铁一局负责施工,区间全长为2351.98m,其中有2344m位于金鸡湖底,是国内城市轨道交通建设中最长湖底隧道。该段隧道穿越了金鸡湖上长达120m左右的水幕电影,该区域桩基密集,给盾构挖掘带来了很大的考验。ROBOTEC自动测量系统是日本(株)演算工房开发的盾构导向系统,已成功地应用于国内外隧道盾构施工过程中。

为了便于和小松盾构机的ROBOTEC导向系统[2]进行比较,实验时改装了放置全站仪的吊篮,将SNS系统的TCA2003和ROBOTEC的天宝全站仪并列放在一个吊篮里,如图2所示,并共用相同的后视棱镜、目标棱镜以及倾斜仪数据。本次实验是从1497环(里程为K18+576.314)位置开始进行,到1600环结束。试验期间总共采集了89组实验数据,本文仅对管片安装结束时,盾构机处于静止状态下的16组数据进行数据分析。这是因为,两台仪器无法同时进行工作,当盾构机在挖掘过程中,不同时刻对应的姿态会相差很大,不利于两种系统的比较。

下面是具体的试验过程:

(1)新建工程

运行SNS盾构导向系统时需要输入用户名和口令方能进入系统,进入后的主界面如图3所示。打开工程菜单,选择新建工程,打开图4所示界面。新建工程前要准备好控制点坐标、棱镜的盾构坐标、学习点文件、平曲线和竖曲线要素。这些文件既可以批量输入也可以逐一输入,在输入前应先保存工程属性,如工程名称、运行区间和掘进方向等。

(2)工程配置

系统在某个工程第一次使用时,还要设置工程中相关的参数和限差,主要包括管片宽度、起始环号、起始里程、盾构机机身长度、倾斜常数、旋转常数、后视高程检核限差、棱镜匹配限差以及断链位置等。

(3)设置测站

由于之前完成了工程配置,在设站过程中测站点和后视点的信息可以通过下拉菜单进行选择。但是,仪器高和棱镜高仍需手动输入。

(4)学习记忆

在第一次使用监测功能前,还需让测量机器人对待监测目标位置进行学习记忆,即生成初始的“目标文件”。学习时,测量人员只需对所有目标棱镜依次进行人工粗略瞄准,系统会自动照准并记录其空间位置,下次监测时测量机器人则就会按照这个方向依次搜索目标,找到与否都会给出相应提示;当系统每完成一次姿态监测,即会生成新的“目标文件”,从而保证了测量机器人始终能找到待测棱镜。

(5)后视定向

测量机器人的后视定向过程和第(4)步中的学习过程类似,每完成一次后视测量,系统都会把实测坐标与已知坐标进行比对,防止因管片沉降造成棱镜松动。

(6)姿态监测

当上述步骤均完成后,即可对盾构机姿态进行监测。监测可根据是否需要换站分两种情况,即能够观测到足够棱镜时的静态监测,以及因为测到的棱镜个数不足以姿态解算时的换站监测。

在静态监测时又可以分为自动监测和手动监测,如图5所示。自动监测只需设定时间间隔,测量机器人即可自动测量棱镜,系统完成姿态解算;而手动监测则是每点击一次“监测”按钮才进行一次当前姿态的监测。但是,无论哪种监测,系统都能根据监测数据的数量和类型选择合适的解算模式(两点两角解算,三点两角解算或三点无角解算),并将结果显示在主界面上。

对于换站检核,其实际目的是检核测量机器人换站后有无出现人工误差,这是通过换站前后对静止的棱镜两次测得坐标进行比较来确定的,如果两次的坐标基本一致,认为系统工作正常,则退出换站测量模式进行静态监测;否则,就要查找原因,查看在搬站时是否出现人为误差,从而保证系统能够正确地进行静态监测。

(7)数据记录

为了更合理地比较SNS导向系统和ROBOTEC导向系统的功能,以及更深入地分析SNS系统精度,实验时,在盾构机每掘进一环并停稳后,启动SNS系统进行监测,并人为的让系统的三种监测模式都进行测试。并记录下每环ROBOTEC测量系统的监测结果,主要包括盾尾里程、盾尾水平偏差、盾尾竖直偏差、切口水平偏差、切口竖直偏差、俯仰角、横摆角、旋转角,这8个参数被称为“盾构姿态”[3]。

4 实验结果的比对分析

通过SNS导向系统在实际工程中的应用可知,系统运行状态良好,基本实现了计算机对全站仪的连接、设站、后视定向以及监测等功能的操作。将试验中每种监测模式下的结果和ROBOTEC监测结果分别进行比较,并对两种系统的差值做了如下的统计分析,图6为采用两点两角监测模式的结果与ROBOTEC监测结果的差值统计,图7为采用三点无角监测模式的结果与ROBOTEC监测结果的差值统计,图8为采用三点两角监测模式的结果与ROBOTEC监测结果的差值统计。

从统计结果可以得知,在不开铰接的情况下,采用三点无角的监测模式,姿态偏差的差值在15mm左右;当采用三点两角的监测模式时,姿态偏差的差值在10mm左右;当采用两点两角的监测模式时,姿态偏差的差值在6mm左右。其中,之所以两点两角监测模式和ROBOTEC测量结果相对接近,是因为ROBTEC系统的工作原理也是两点两角进行姿态解算。

另外还可以看出,三种监测模式下的盾尾偏差相对切口偏差都更为准确,这是因为,一方面监测点的位置都在盾尾附近,远离切口;另一方面,受到铰接的影响,切口实际位置和理论值有差距,造成了从盾尾坐标推导切口坐标时有一定的误差。最后,在管片安装过程中,管片的起吊也会影响盾构机机头的沉降。

5 结论

本文完成了对测量机器人的二次开发,使其实现一系列自动监测功能,并完成了测量机器人对棱镜自动识别的算法研究,从而保证了SNS盾构导向系统可以和现有成熟导向系统相媲美。SNS系统不仅同样可以实现盾构姿态的监测,引导盾构机的挖掘方向。而且在姿态解算方面,采用了三种解算模型,从而使其可以适应更多的工作环境。另外,系统操作界面友好、运行稳定、使用方法符合中国人使用习惯,同时,可以满足非测量人员的使用要求。

在引导精度上,SNS系统中的两点两角解算模式和ROBOTEC自动测量系统的监测结果很接近,两者偏差在1cm以内,间接证明SNS系统的可靠性。值得说明的是,尽管另外两种解算模式的监测结果和ROBOTEC的结果相差较大,但并不说明这两种解算模型的精度低,理论上三点两角的监测模型解算精度最高,两点两角的解算精度次之。

参考文献

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[4]刘东亮等.盾构VMT导向系统简析[J].隧道建设,2002,1(2):40～42.

盾构测量篇6

前后尺法是人工测量盾构姿态的传统方法,它原理简单、操作简便,目前仍被施工单位广泛采用。在盾构始发前测量盾构机始发姿态,包括旋转角、坡度角,同时根据测量控制点测出盾尾、盾首中心(预先采用几何方法定出中心)以及前后水平尺中心平面坐标,利用井下水准点测量盾首、盾尾及标尺高程,通过坐标转换,得到前后标尺在盾构局部坐标系中的坐标[1,2]。

1 前后尺法测量原理

1.1 前后尺

在盾构机内壁顶部中心轴线上,固定一根水平前尺和水平后尺(见图1、图2),测定尺中心坐标,并根据盾首和盾尾坐标计算出前尺到盾首的距离2.570 m,后尺到盾尾的距离2.051 m。分别计算出在盾构机左侧的前后竖尺中心点O距盾构竖轴线距离2.712 m、2.685 m,以及计算出前后尺坡度。

1.2 坡度板

图3中,设计垂球悬挂长度l为1.146 m,这时在坡度板上1°所对应的长度为:

$d = l \cdot \tan 1 ° = 1146 \cdot \tan 1 ° = 20.0 m m$

这样可以保证坡度板上每大1格是20 mm,每小格是2 mm,分别代表旋转角的1°和6′,实际测量时可估读到每小格的0.1,即36″。旋转角方向按推进方向,逆时针旋转(左旋)θ为“-”值,顺时针旋转(右旋)θ为“+”值。理论上读数误差为分划值的-1/4～+1/4,当分划值为1 mm时,读数误差为-0.25～0.25 mm。实际上由于坡度板平面放置,而垂球是悬挂的,这样读数时的精度就较难保证。此外,垂球尖一般有1 mm的大小,因此根据施工经验读数误差约为±1 mm,则读数中误差为:

$\begin{array}{l} m_{a}^{2} = \frac{[Δ Δ]}{n} = \frac{1}{1.00 - 0} \int_{0}^{1.0} x^{2} d x \\ = \frac{1}{3.0} (1.0^{3} - 0) = 0.3333 \\ m_{a} = \pm 0.58 m m \end{array}$

旋转角的计算式为:

$θ = \arctan (a / l) (1)$

式(1)中,a为坡度板读数,l为悬挂长度。

考虑到旋转角θ为小角,因此式(1)可简化为:

$θ \approx \frac{a}{l} ρ (2)$

则旋转角的测量精度为:

1.3 U形管

除了坡度板,盾构机的旋转角也可用U形管测定。U形管一般沿盾构机内壁安装,常常把它安装在不容易碰到的内壁沟槽中,然后灌上液体(通常用水)。在U形管两端水平线位置设置标尺(在一端设置也可),在盾构推进中发生旋转时,只要在标尺上读数即可计算出盾构旋转量。

U形管横断面直径一般0.01～0.02 m,管的形状半径R一般与盾构机内径一致,通常为5.6～5.7 m,两端标尺最小刻度为1 mm。当施工中在A端(见图4)读数差是ΔL=+3 mm的时候,实际φ角应该为两次测量的角度差(第一次是初始定位,第二次为施工中的测量),由此可以计算出旋转角φ为:

$φ = \frac{Δ L}{2 R} ρ^{″} (3)$

根据施工经验,L的读数精度为mL=±0.5mm,半径R的量测精度为mR=±5mm。则旋转角中误差为:

$m_{φ} = \sqrt{(\frac{ρ}{2 R})^{2} m_{Δ L}^{2} + \frac{L^{2}}{4 R^{4}} ρ^{2} m_{R}^{2}} (4)$

一般盾构机的旋转角约在±2°之间,因此L一般在±200 mm的范围内。不妨设L=200mm,R=2700mm, $m_{Δ L} = \sqrt{2} m_{L}$ =±0.71mm,mR=±5mm,从而盾构机旋转角的测量精度应该为mφ=±30.6″。由于施工中容易损坏U型管,此法已不常使用。

2 盾首盾尾偏差计算

2.1 前后尺偏差量计算

盾构姿态测量时,一般用DJ2级电子经纬仪测量前后横尺水平角和前后竖尺垂直角,观测1个测回。吊篮距盾构机前后尺一般不超过100 m,其距离可根据管片宽度及拼装环累加得到(或按设计的坐标数据反算得到)。

前后尺偏差量计算公式为:

$\begin{array}{l} Δ_{Q} = \frac{β_{Q 测} - β_{理}}{ρ} S_{吊蓝 - 前尺} \\ Δ_{Η} = \frac{β_{Η 测} - β_{理}}{ρ} S_{吊蓝 - 后尺} (5) \end{array}$

式中,ΔQ是后尺到设计轴线的平偏,ΔH是前尺到设计轴线的平偏。

根据工程实践,mβQ=mβH=mβ=±5～10″,mS=±50mm。这里不妨取S=100 m,Δβ=300″,由此可得:

$m_{Q}^{2} = m_{Η}^{2} = m_{Δ}^{2} = (\frac{S}{ρ})^{2} m_{β}^{2} + (\frac{Δ β}{ρ})^{2} m_{S}^{2} (6)$

因此

$m_{Q} = m_{Η} \approx \frac{S}{ρ} m_{β}^{} = \frac{100000}{206265} \cdot 10 = \pm 4.8 m m$

盾首和盾尾偏差计算式由相似三角形原理(见图5)得[3,4,5]:

$\begin{array}{l} \frac{y + b}{1.550 + 2.051} = \frac{a + b}{1.550} \\ \frac{x + a}{1.550 + 2.570} = \frac{a + b}{1.550} \end{array}$

再考虑到前后尺在曲线段的修正值eQ、eH,因此有:

$\begin{array}{l} 盾首偏差 ∶ x = - 2.658065 (a + b) - a + e_{Q} \\ 盾尾偏差 ∶ y = + 2.323226 (a + b) - b + e_{Η} (7) \end{array}$

式(7)中,a表示后尺平偏ΔQ,b表示前尺平偏ΔH。

写成一般式为:

盾首偏差:

$x = - (Δ_{Q} + Δ_{Η}) \frac{S_{Q - 切}}{S_{Q - Η}} - Δ_{Q} + e_{Q}$

盾尾偏差:

$y = + (Δ_{Q} + Δ_{Η}) \frac{S_{Η - 尾}}{S_{Q - Η}} - Δ_{Η} + e_{Η} (8)$

根据实测经验,SQ-切、SQ-H、SH-尾距离的测量精度一般可达到±5mm。

令 $F_{1} = \frac{S_{Q - 切}}{S_{Q - Η}} ‚ F_{2} = \frac{S_{Η - 尾}}{S_{Q - Η}}$ ,由于盾构机总长一般为6～9 m,并按图3设SQ-切=2.570、SQ-H=1.550、SH-尾=2.051。由此可得:

$\begin{array}{l} m_{F_{1}}^{2} = (1 + (\frac{S_{Q - 切}}{S_{Q - Η}})^{2}) m_{S}^{2}, \\ m_{F_{2}}^{2} = (1 + (\frac{S_{Η - 尾}}{S_{Q - Η}})^{2}) m_{S}^{2} (9) \end{array}$

计算得mF1=±9.6mm,mF2=±8.3mm。

2.2 旋转对盾构偏差的影响

前后尺旋转偏差分别为roQ=lQsinθ,roH=lHsinθ,其精度为:

$\begin{array}{l} m_{r o_{Q}}^{2} = m_{r o_{Η}}^{2} = m_{r o}^{2} \\ = m_{l}^{2} \sin^{2} θ + l^{2} \cos^{2} θ \frac{m_{θ}^{2}}{ρ^{2}} (10) \end{array}$

按最不利情况估计,取最大旋转角为θ=2°,l=2.5m,ml=±3mm,mθ=±120″,由此可以算得:

$\begin{array}{l} m_{r o_{Q}} = m_{r o_{Η}} = m_{r o} \\ \approx l c o s θ \frac{m_{θ}}{ρ} = \pm 1.3 m m \end{array}$

2.3 盾首盾尾偏差精度

计算盾首偏差精度,同样按施工最大允许限差±0.10m分析,不妨取(ΔQ+ΔH)=0.2 m,这时,令盾首偏差为x,则有:

$\begin{array}{l} x = - (Δ_{Q} + Δ_{Η}) \frac{S_{Q - 切}}{S_{Q - Η}} - Δ_{Q} + e_{Q} \\ = - (Δ_{Q} + Δ_{Η}) F_{1} - Δ_{Q} + e_{Q} (11) \end{array}$

按误差传播定理有m $_{x}^{2}$ =2F $_{1}^{2}$ m2Δ+m2Δ+m $_{e}^{2}$ +(ΔQ+ΔH)2m $_{F_{1}}^{2}$ =155.1

即有mx=±12.4mm,同理可求得盾尾偏差my=±10.8mm。实际工作中,姿态偏差一般不可能到达极限,都会控制在±50 mm以内。因此,实际测量姿态精度在±10 mm以内是有保证的。

3 高程测量精度

盾首和盾尾的高程是通过竖前尺和竖后尺的高程来推算。根据测得的前后尺竖角分别计算出前后尺高程:

$\begin{array}{l} Η_{尺 i} = Η_{吊蓝} + s_{i} \sin α_{i} + i - v + ξ_{h_{i}} \\ (i = Q 、 Η) (12) \end{array}$

式(12)中,ξh=l(1-cosθ)为盾构转角θ引起竖尺高程改变的修正量。

根据上述公式分析,控制好盾构机盾首和盾尾

的平面及高程偏差,推进后每一环管片偏差将在精度要求范围内。

v=0,i=0.25m,不妨设mi=±0.0mm,mα=±10″,ms=±5mm。

暂不考虑吊篮高程的测量精度。同样取s=100m,α=5°,即可计算竖尺高程测量精度为:

$\begin{array}{l} m_{Η}^{2} = m_{S}^{2} (\sin α)^{2} + (s c o s α)^{2} (\frac{m_{α}}{ρ})^{2} + m_{i}^{2} + 0 + m_{Δ h}^{2} \\ = 5^{2} * (\sin 5)^{2} + (100000 * \cos 5)^{2} (\frac{10}{206265})^{2} + \\ 0.0^{2} = 23.5 (13) \end{array}$

从而有m前尺=m后尺=mH=±4.8mm。

顾及到盾首和盾尾高程计算是由上述前后尺高程推算得到,因此:

$\begin{array}{l} m_{盾首}^{2} = m_{盾尾}^{2} = (2 F^{2} + 2 F + 1) \cdot m_{Η}^{2} \\ m_{盾首} = m_{盾尾} \approx \sqrt{9.70} m_{Η} = \pm 15.0 m m \end{array}$

4 结语

盾构导向测量的主要工作就是获取盾构掘进过程中的姿态。在人工导向测量中,前后尺法原理简单、容易操作,仍是一种被广泛使用的方法。本文详细讨论了前后尺法的测量原理与方法并分析其能达到的测量精度,同时分析了姿态的计算方法与计算精度[6,7,8,9],推算表明,人工姿态测量平面精度在±10 mm及高程精度在±15 mm以内是基本有保证的。

由于前后尺法用到相似三角形原理,通过前尺(后尺)推求盾首(盾尾)的平面坐标。在曲线段,由于设计轴线不与相似三角形辅助线重合从而产生了一定的计算误差,因此在实际工作中还应考虑分别对圆曲线和缓和曲线的直曲差进行研究,并顾及该项差数的影响。

摘要：前后尺法是人工导向测量的传统方法,它的原理简单、容易操作,目前仍然是一种广泛使用的姿态测量方法。本文详细讨论了前后尺法的测量原理和盾构姿态计算方法,并以导出的理论公式分析旋转角、平面偏差与高程偏差的测量精度,同时结合工程实践分析了姿态测量的最低精度,即盾构姿态平面精度约±10 mm,高程精度约±15 mm。上述结论对指导盾构推进和盾构姿态测量有重要的实际意义。

关键词：盾构隧道,姿态测量,人工导向,前后尺法

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盾构测量篇7

盾构掘进是隧道施工的主要手段。在隧道施工前, 在盾构盾体上安装了3个以上棱镜, 在一个局部坐标系内, 测得 (或获得) 棱镜坐标和盾构特征点 (顿首中心点、顿尾中心点) 的坐标。因为棱镜与盾构固连在一起, 在盾构掘进过程中, 其内部关系不会变化, 通过观测任意时刻的棱镜的测量坐标, 就可以通过坐标转换计算, 得到盾构特征点的测量坐标, 并将其与设计值比较, 便可以得到盾构与设计线的偏离数据, 从而指导施工。

2计算盾构特征点 (盾首、盾尾) 坐标的数学模型

盾构机上有若干个观测点, 但只要测出其中的任意三个点 (最好取左、中、右) 的在测量坐标系下的坐标, 就可以计算出盾构特征点的测量坐标系下的坐标, 从而进一步推算盾构机的姿态和位置参数等。因为涉及到盾构坐标系和测量坐标系, 为表述清楚, 后面以 (x, y, h) 表示盾构坐标系的坐标, 以 (xx, yy, hh) 表示测量坐标系的坐标。

2.1联合数据处理的数学模型

根据欧拉变换公式, 测量坐标系与盾构坐标系的转换公式为:

对6个参数取近似值并线性化公式, 则可写成误差方程如下:

对式 (7) 可以使用间接平差方法解算, 步骤如下:

测定了N个观测点, 则有3N个误差方程;

用间接方法求解六个参数的改正数;

计算六个参数的最新值;

根据改正数的大小判别是否满足收敛要求, 若不满足, 以计算出的六参数的最新值作为新的近似值, 重复步骤 (2) - (5) , 直到满足收敛要求;

计算最终的坐标转换六参数;

根据坐标转换六参数, 计算盾构特征点 (盾首、盾尾中心点) 的测量坐标系坐标。

3基于Excel VAB编程实现

可以发现, 整个计算过程非常繁琐, 涉及矩阵和多次迭代计算, 几乎无法用手工计算, 必须使用编程来完成计算。