盾構(gòu)姿態(tài)人工測(cè)量方法

1、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。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)人工復(fù)核Auto CAD在盾構(gòu)法隧道施工中，為了確定盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中盾構(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)量，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，由于我公司兩臺(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)輸并多次拆解安裝，

2、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?區(qū)間始發(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)硬件及軟件的安裝，并在此基礎(chǔ)上摸索出一套簡(jiǎn)單的人工對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核的方法。下面分步驟進(jìn)行簡(jiǎn)述。1 .概述盾構(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)下用一定測(cè)量方法測(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)之間的關(guān)系本身就代表了特征點(diǎn)與盾構(gòu)機(jī)中軸線之間的關(guān)系。而這一關(guān)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，其前端面圓心0?與后端面圓心01的連線 為0二定義為盾構(gòu)機(jī)的中軸線。2 .特征模型的建立2.1 特征點(diǎn)

3、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，制作一些特殊裝置可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)圖圖1盾構(gòu)機(jī)特征點(diǎn)制作簡(jiǎn)圖2.2 盾構(gòu)機(jī)中軸線及特征點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量圖2特征斷面及測(cè)量點(diǎn)位分布圖盾構(gòu)機(jī)的中軸線一般采用測(cè)切口及盾尾兩個(gè)截面的幾何中心求得，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， 以及任何三點(diǎn)所構(gòu)成的三角形均

4、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。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)附帶測(cè)量誤差，導(dǎo)致我們的測(cè)量結(jié)果有一定的偏差，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?2.2.1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)量前應(yīng)檢查所使用儀器的狀態(tài)，必要時(shí)實(shí)時(shí)參

5、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)中使用的大多是全站儀， 拋去儀器本身的機(jī)械誤差， 平面上人為可控的決定全 站儀建站精度的無(wú)非對(duì)中精度和后視時(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。圖3儀中高程反測(cè)示意2.2.3 碎部點(diǎn)測(cè)量建站完畢后即可進(jìn)行碎部點(diǎn)的測(cè)量，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。為此我們?cè)趯?shí)際操作中如圖4所示。圖4測(cè)點(diǎn)棱鏡擺放示意圖擺放的要點(diǎn)是要使棱鏡頭下部端頭與盾殼外表面

6、緊貼，盡量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Hl后，即可將此誤差降為最小。在統(tǒng)一坐標(biāo)系下，按照上述方法采集盾構(gòu)機(jī)的中軸線及已經(jīng)做好的特征點(diǎn)的坐標(biāo)。為了提高測(cè)量結(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)。3 .建立模型如圖5所示，通過(guò)測(cè)量1-7號(hào)三維坐標(biāo)計(jì)算01點(diǎn)坐標(biāo)，同理可得Or點(diǎn)坐標(biāo)。在同一坐 標(biāo)系下再測(cè)得 A、日C D坐標(biāo)。這些點(diǎn)即可組成所需的特征模型。Z圖5特征點(diǎn)一盾構(gòu)機(jī)中軸線模型示意圖3.1 利用Auto C

7、AD計(jì)算點(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同日將DTA數(shù)據(jù)也展入CADo按照如下操作建立用戶UCS工具一 新建UCS三點(diǎn)命令:_ucs當(dāng)前UCS名稱：*沒(méi)有名稱*指定UCS的原點(diǎn)或面（F）/命名（NA）/對(duì)象（OB）/上一個(gè)（P）/視圖（V）/世界（W）/X/Y/Z/Z軸（ZA） 世界 :_3指定新原點(diǎn)0,0,0: *以下根據(jù)提示依次指定新原點(diǎn)、X軸及丫軸。在正X軸范圍上指定點(diǎn) 1,0,0:在 UCS XY平面的正 Y軸范圍上指定點(diǎn) 0,1,0:結(jié)果如圖6所示。接下來(lái)按如下操作繪制經(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

8、后再退回原大地坐標(biāo)系。操作：工具一新建UCS上一個(gè)在這個(gè)坐標(biāo)系下讀取圓心 &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圓心坐標(biāo)。圖6用戶坐標(biāo)系UCS通過(guò)組合17號(hào)點(diǎn)，上述方法可以求得很多個(gè) 01, 0口的坐標(biāo)，將這些坐標(biāo)取均值作為最佳0工坐標(biāo)。3.2 建立特征模型將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)，我們可以通過(guò)測(cè)量任意最少三個(gè)特征點(diǎn)的大地坐標(biāo)結(jié)合特征模型確定盾構(gòu)機(jī)中軸線0#的大地坐標(biāo)。下面對(duì)過(guò)程分步概述。4.1 盾構(gòu)

9、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)粘貼成如下格式：line X1,Y1,Z1X2,Y2,Z2X3,Y3,Z3Xn,Yn,Zn +Space 或 Enter備注：最后一行 Xn,Yn,Zn后需加空格或回車，否則最后一點(diǎn)不能成功展點(diǎn)。將記事本的后綴“ .txt ”改為CAD腳本文件" .scr ”格式，在Auto 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。圖7特征模型引入如圖7所示，A' ,B&#

10、39; C'為在大地坐標(biāo)系下實(shí)測(cè)盾構(gòu)機(jī)上的特征點(diǎn)。利用CAD的“對(duì)齊”工具將圖中虛線框中的特征模型參照A、B、C三點(diǎn)對(duì)齊到圖7下部的隧道中線模型上，結(jié)果如圖8所示。對(duì)齊操作如下：命令:3dalign選擇對(duì)象：選擇特征模型指定源平面和方向.*選擇三點(diǎn)確定源平面和方向指定基點(diǎn)或復(fù)制(C): *選擇A點(diǎn)指定第二個(gè)點(diǎn)或繼續(xù)(C) <C>: *選擇B點(diǎn)指定第三個(gè)點(diǎn)或繼續(xù)(C) <C>: *選擇C點(diǎn)指定目標(biāo)平面和方向.*選擇三點(diǎn)確定目標(biāo)平面和方向指定第一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)：*選擇A '點(diǎn)指定第二個(gè)目標(biāo)點(diǎn)或 退出(X) <X>: *選擇B'點(diǎn) 指定第三個(gè)目標(biāo)

11、點(diǎn)或 退出(X) <X>: *選擇C'點(diǎn) 說(shuō)明：*后為操作說(shuō)明。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(kāi)CAD的“對(duì)象捕捉”工具，選擇垂直和端點(diǎn)項(xiàng)， 分別過(guò)0八02做垂線叫盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)包括前切口o二及盾尾。二的平面及高程偏差、盾體的俯仰角。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在對(duì)齊操作的結(jié)果圖中選擇二或%K：,在命令行輸入命令“l(fā)ist ”，回車后會(huì)返回所選線段的屬T如圖9所示為&&線段的屬性。圖9線段的屬性上圖中，當(dāng)前UC汕的長(zhǎng)度可看做是01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01點(diǎn)在z軸高程偏離隧道設(shè)計(jì)中線的數(shù)值。一般情況下數(shù)值的正負(fù)做如下定義：平面以掘進(jìn)方向?yàn)闇?zhǔn)，偏左為負(fù)，偏右為正；高程已隧道中心高程為準(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中選取備0?,同理讀取其屬性，可分別查出02點(diǎn)的高程，則盾構(gòu)中軸線。小0工坡度： %一比P _- D式中：H1生高程；H2-0：高程；D010h O3O2之間的平距。5.小結(jié)通過(guò)在哈爾濱地鐵項(xiàng)目盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)組裝及始發(fā)后盾構(gòu)姿