盾构测量方案

7.4盾构隧道施工测量7.4.1盾构机始发初始状态测量7.4.1.1盾构机始发初始状态测量的主要内容和目的(1)盾构机导轨定位测量盾构机导轨测量主要控制导轨的中线与设计隧道中线偏差不能超限,导轨的前后高程与设计高程不能超限,导轨下面是否坚实平整等。(2)反力架定位测量反力架定位测量包括反力架的高度、俯仰度、偏航等,反力架下面是否坚实、平整。反力架的稳定性直接影响到盾构机始发掘进是否能正常按照设计的方位进行。(3)演算工房导向系统初始测量盾构机姿态盾构机姿态初始测量包括测量水平偏航、俯仰度、扭转度。盾构机的水平偏航、俯仰度是用来判断盾构机在以后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。(4)人工复测盾构姿态为了保证导向系统的正确性和可靠性,在盾构机始发前,应进行盾构姿态的人工检测。7.4.1.2盾构机姿态测量原理（1）演算工房导向系统①导向系统介绍在掘进隧道的过程中,为了避免盾构机发生意外的运动及方向的突然改变,必须对盾构机的位置和隧道设计轴线的相对位置关系进行持续地监控测量,使盾构机能够按照设计路线精确地推进。日本株式会社的演算工房就是为此而开发,该系统为使盾构机沿设计轴线(理论轴线)掘进提供所有重要的数据信息。该系统是由激光全站仪(天宝5600)、中央控制箱、ESL靶、控制盒和计算机及掘进软件组成。其组成见图1。图1盾构机导向系统组成②导向基本原理洞内控制导线是支持盾构机掘进导向定位的基础。激光全站仪安装在位于盾构机尾部右上侧管片的拖架上,后视一基准点(后视靶棱镜)定位后。全站仪自动掉过方向来,搜寻ELS靶,ELS接收入射的激光定向光束,即可获取激光站至ELS靶间的方位角、竖直角,通过ELS棱镜和激光全站仪就可以测量出激光站至ELS靶间的距离。盾构机的仰俯角和滚动角通过ELS靶内的倾斜计来测定。ELS靶将各项测量数据传向主控计算机,计算机将所有测量数据汇总,就可以确定盾构机在坐标系统中的精确位置。将前后两个参考点的三维坐标与事先输入计算机的隧道设计轴线比较,就可以显示盾构机的推进姿态。（2）人工复测盾构机作为一个近似的圆柱体，在开挖掘进过程中我们不能直接测量其刀盘的中心坐标，只能用间接法来推算出刀盘中心的坐标。图2盾构姿态计算原理图如图A点是盾构机刀盘中心，E是盾构机中体断面的中心点，即AE连线为盾构机的中心轴线，由A、B、C、D、四点构成一个四面体，测量出B、C、D三个角点的三维坐标（xi,yi,zi）,根据三个点的三维坐标（xi,yi,zi）分别计算出LAB,LAC,LAD,LBC,LBD,LCD,四面体中的六条边长，作为以后计算的初始值，在盾构机掘进过程中Li是不变的常量，通过对B、C、D三点的三维坐标测量来计算出A点的三维坐标。同理，B、C、D、E四点也构成一个四面体，相应地求得E点的三维坐标。由A、E两点的三维坐标就能计算出盾构机刀盘中心的水平偏航，垂直偏航，由B、C、D三点的三维坐标就能确定盾构机的仰俯角和滚动角，从而达到检测盾构机姿态的目的。7.4.1.3盾构机姿态测量的误差分析使用盾构进行隧道掘进施工时，需要使盾构沿隧道设计曲线掘进，隧道设计曲线以全局坐标系为基准。掘进施工中需要实时测量盾构在全局坐标系中的位置和姿态，通过与隧道设计曲线比较，得到盾构掘进的位置偏差和姿态偏差。实际施工中主要测量盾构切口中心和盾尾中心与设计曲线的水平偏差和垂直偏差，因此测量工作的主要任务是得到切口中心和盾尾中心在全局坐标系中的坐标。由于标靶加工和装配工艺水平、传感器元件本身精度的限制，各测量参数均存在误差，这些误差经传递后会使得盾构切口中心和盾尾中心的坐标位置产生误差.因此，准确建立盾构切口中心点位误差与测量参数误差的传递关系，对改善自动测量系统的性能、提高系统的测量精度可以起到重要作用。（1）切口中心坐标的测量原理模型图3为标靶在盾构机内的安装位置图。按照测量工程的习惯，将全局坐标系和其他相对坐标系均设置为左手坐标系。图3激光标靶的安装位置图自动测量系统工作时，全站仪固定安装在已拼装好的隧道管片上，标靶固定于盾构内部，标靶与全站仪间无障碍物遮挡。利用全站仪测量标靶棱镜的全局坐标（x0,y0,z0），同时发射激光到标靶平面，测量标靶平面与激光的水平夹角，与全站仪激光的水平角合成得到标靶轴线在全局坐标系中的水平方位角。利用标靶内置倾角仪可以测量标靶相对于全局坐标系的滚角和俯仰角。以标靶棱镜中心为原点，以标靶测量的滚角、俯仰角、水平入射角的零值方向为坐标轴方向，建立相对坐标系o—abc.标靶固定在盾构上，坐标系o—abc中盾构切口中心的坐标（x1,y1,z1）是固定的。为求取盾构切口中心的全局坐标（x,y,z），通过（x1,y1,z1）从坐标系o—abc旋转平移到全局坐标系O-XYZ中，则有111000xyzxyzMxyz其中100cos0sincossin00cossin010sincos00sincossin0cos001M为相对坐标系o—abc到全局坐标系O-XYZ的旋转变换矩阵.（2）切口中心与标靶相对位置坐标标定的误差分析将标靶安装到盾构上后，盾构静止的状态下，通过人工方法测量切口中心的全局坐标（x,y,z），通过全站仪测量标靶棱镜的全局坐标（x0,y0,z0），然后读取标靶的三姿态角读数，通过对式(1)进行矩阵变换，反算相对坐标（x1,y1,z1），可得1111000xyzxxyyzzM(2)其中1111cossin0cos0sin100sincos00100cossin001sin0cos0sincosMMMM利用标靶采集的方位角、滚角及俯仰角都存在测量误差.设三个姿态角的误差值分别为Δ、Δ、Δ，可视为标靶绕原坐标系轴线旋转了Δ角.即：11000cossin0sincosM1cos0sin010sin0cosM1cossin0sincos0001M可知存在角度误差时的变换矩阵：11111111MMMMMMM由于角度误差Δ为毫弧度级别，可以视为极小量，故sinΔ≈Δ,cosΔ≈1，上述矩阵可近似表示为：11000101M11001001M11010001M相对坐标(x1,y1,z1)的标定误差为：111110001000xyzxxyyzzMxxyyzzM(3)忽略Δα,Δβ和Δγ的高次分量后，表达式（3）可以化简为：100010(cossinsincos)()(sinsincoscos)()cos()(sinsincoscoscossincoscoscossinsinsinsin)()(cossinsincossinsincossinxxxyyzzyxx0010cossincossinsin)()(sinsincoscos)()(sincoscossincossinsincoscoscossinsincos)()(coscossinsinsinsinsinsincoscoscossyyzzzxx00incos)()(cossinsincos)()yyzz相对坐标的标定是在盾构进入施工隧道前进行的。此时盾构水平放置，轴线的滚角和俯仰角均接近于0。安装标靶时尽量使标靶轴线与盾构轴线平行，可调节标靶的俯仰角和滚角读数接近零值，使sin与sin取值为较小量。由于方位角的实际取值与相对坐标无关，设=0。Δ，Δ与Δ为极小量，表达式中如有分量同时包含Δ、Δ、Δ和sin、sin两类量，则为极小分量，可以忽略。用此方法处理相对坐标的误差表示式即可得100100100()()()()()()xyyzzyxxzzzxxyy其中，(x,y,z)和(x0,y0,z0)为切口中心全局坐标和标靶棱镜全局坐标，由全站仪测量得到，误差为毫米级。根据盾构的尺寸和标靶安装位置可知，x-x0，y-y0，z-z0的值为米级。上式中x-x0，y-y0，z-z0毫米级的测量误差与极小量Δ，Δ与Δ的乘积可以忽略，故上述表达式中可以不考虑x-x0，y-y0，z-z0的误差。此时标靶的=0，≈0，≈0，可知对盾构进行相对位置标定时x-x0≈x1、y-y0≈y1、z-z0≈z1，则相对坐标位置误差可以修正为111111111xyzyxzzxy从图3中可知，y1和z1近似为标靶到盾构轴线的水平和垂直距离，而x1为切口到标靶所在的盾构横断面距离。盾构外形为一个长圆筒，x1要比y1和z1大很多。从式(4)中可知，滚动角误差Δ对相对坐标误差的影响较小，俯仰角误差Δ和方位角误差Δ对相对坐标误差的影响较大.标靶在盾构中的安装位置决定了相对坐标(x1,y1,z1)，标靶安装越远离切口和盾构轴线，相对坐标(x1,y1,z1)越大，标定的误差就越大。7.4.2盾构机姿态、管片测量7.4.2.1盾构机姿态测量方法及思路盾构掘进以自动导向系统为主,辅以人工测量校核。演算工房导向系统能够全天候的动态显示盾构机当前位置相对于隧道设计轴线的位置偏差,主司机可根据显示的偏差及时调整盾构机的掘进姿态,使得盾构机能够沿着正确的方向掘进。为了确保导向系统的准确性、确保盾构机能够沿着正确的方向开挖,每周进行2次人工测量复核。7.4.2.2托架的制作和安装激光站的支架用角钢和钢板做成可以安装在管片螺栓的托架形似,托架的底板采用400×400×10mm钢板，底板中心焊上仪器连接螺栓,长1㎝。采取强制对中，减少仪器对中误差。托架安装位置在隧道右侧顶部不受行车的影响和破坏的地方。安装时，用水平尺大致调平托架底板后，将其固定好，然后可以安装后视棱镜或仪器。托架安装过程中，需注意全站仪托架与盾构机内激光靶以及后视棱镜要通视。7.4.2.3托架点测量方法与要求托架上的强制对中点的坐标通过车站底板的导线起始边传递而来，采用2″级全站仪左右角各测两测回，共计四测回。左、右角平均值之和与360°较差应小于2″，测距往返各二测回，往返二测回平均值较差小于2mm。由于管片受水土压力、注浆压力、盾构掘进时的推力等各种外力的影响，不可避免地存在少量的变形的位移，托架坐标是导线系统的基准，为保证托架坐标的准确性，定期对托架坐标进行复测。每周进行1次托架坐标的复测，在特殊情况下，一旦发现托架有较大移动，立即对托架坐标进行复测，确保托架坐标的准确性。因此盾构在推进过程中，测量人员要牢牢掌握盾构推进方向，让盾构沿着设计中心轴线推进。7.4.2.4隧道管片测量（1）衬砌环片安装复核测量衬砌环测量主要包括衬砌环片环中心偏差、管片椭圆度和环的姿态。衬砌环片必须不少于3～5环测量一次，测量时每环都测量，并测定待测环的前端面。相邻衬砌环重合测定2～3环环片，以便检查环片有没有发生位移。测量资料及时整理，并编制测量成果报表，报送盾构操作人员，及时指导盾构施工。环片中心偏差测量：将一只