地鐵盾構(gòu)施工中盾構(gòu)機姿態(tài)定位測量的研究

1、地鐵盾構(gòu)施工中盾構(gòu)機姿態(tài)定位測量的研究摘要:結(jié)合南京地鐵一號線兩個區(qū)間段地下隧道貫穿的測量理論,簡明地介紹了地鐵建立中各種測量過程,并著重對盾構(gòu)機姿態(tài)定位中的測量工作作了深化細(xì)致的研究,闡述了盾構(gòu)機自動導(dǎo)向系統(tǒng)姿態(tài)定位測量的原理和方法,以及如何使用人工測量的方法來檢核自動導(dǎo)向系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,分析了盾構(gòu)機姿態(tài)定位檢測的情況。關(guān)鍵詞:地鐵;自動導(dǎo)向系統(tǒng);盾構(gòu)1概述隨著城市建立的飛速開展,我國在各大城市都開展了地鐵建立,為了滿足盾構(gòu)掘進(jìn)按設(shè)計要求貫穿(貫穿誤差必須小于50),必須研究每一步測量工作所帶來的誤差,包括地面控制測量,豎井聯(lián)絡(luò)測量,地下導(dǎo)線測量,盾構(gòu)機姿態(tài)定位測量四個階段。本文主要以南京地鐵

2、南北線一期工程的2個區(qū)間隧道的貫穿測量工程為背景,討論了地鐵隧道施工中盾構(gòu)機自動導(dǎo)向系統(tǒng)定位測量的功能及原理,并闡述了如何用棱鏡法來檢核自動導(dǎo)向系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。2盾構(gòu)機自動導(dǎo)向系統(tǒng)的組成與功能如今的盾構(gòu)機都裝備有先進(jìn)的自動導(dǎo)向系統(tǒng),本區(qū)間盾構(gòu)機上的自動導(dǎo)向系統(tǒng)為德國公司的-系統(tǒng),主要有以下四部分組成:(1)具有自動照準(zhǔn)目的的全站儀。主要用于測量(程度和垂直的)角度和間隔 、發(fā)射激光束。(2)(電子激光系統(tǒng)),亦稱為標(biāo)板或激光靶板。這是一臺智能型傳感器,承受全站儀發(fā)出的激光束,測定程度方向和垂直方向的入射點。坡度和旋轉(zhuǎn)也由該系統(tǒng)內(nèi)的傾斜儀測量,偏角由上激光器的入射角確認(rèn)。固定在盾構(gòu)機的機身內(nèi),在安

3、裝時其位置就確定了,它相對于盾構(gòu)機軸線的關(guān)系和參數(shù)就可以知道。(3)計算機及隧道掘進(jìn)軟件。-軟件是自動導(dǎo)向系統(tǒng)的核心,它從全站儀和等通信設(shè)備承受數(shù)據(jù),盾構(gòu)機的位置在該軟件中計算,并以數(shù)字和圖形的形式顯示在計算機的屏幕上,操作系統(tǒng)采用2000,確保用戶操作簡便。(4)黃色箱子。它主要給全站儀供電,保證計算機和全站儀之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。3盾構(gòu)機自動導(dǎo)向定位的根本原理地鐵隧道貫穿測量中的地下控制導(dǎo)線是一條支導(dǎo)線,它指示著盾構(gòu)的推進(jìn)方向,導(dǎo)線點隨著盾構(gòu)機的推進(jìn)延伸,導(dǎo)線點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,儀器采用強迫歸心(見圖1),為了進(jìn)步地下導(dǎo)線點的精度,應(yīng)盡量減少支導(dǎo)線點,拉

4、長兩導(dǎo)線點的間隔 (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)線點的間距宜控制在150左右。盾構(gòu)機自動導(dǎo)向系統(tǒng)的姿態(tài)定位主要是根據(jù)地下控制導(dǎo)線點來準(zhǔn)確確定盾構(gòu)機掘進(jìn)的方向和位置。在掘進(jìn)中盾構(gòu)機的自動導(dǎo)向系統(tǒng)是如何定位的呢?它主要是根據(jù)地下控制導(dǎo)線上一個點的坐標(biāo)(即、)來確定的,這個點就是帶有激光器的全站儀的位置,然后全站儀將按照作為后視方向的另一個地下導(dǎo)線的控制點來定向,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與棱鏡之間的間隔 和方位角,就可以知道棱鏡的平面坐標(biāo)(即、),利用三角高程測出棱鏡的高程值(即)。激光束射向,就可以測定激光相對于平面的偏角。在入射點之

5、間測得的折射角及入射角用于測定盾構(gòu)機相對于隧道設(shè)計軸線()的偏角。坡度和旋轉(zhuǎn)直接用安裝在內(nèi)的傾斜儀測量。這個數(shù)據(jù)大約每秒鐘兩次傳輸至控制用的計算機。通過全站儀測出的與之間的間隔 可以提供沿著掘進(jìn)的盾構(gòu)機的里程長度。所有測得的數(shù)據(jù)由通信電纜傳輸至計算機,通過軟件組合起來用于計算盾構(gòu)機軸線上前后兩個參考點的準(zhǔn)確的空間位置,并與隧道設(shè)計軸線()比擬,得出的偏向值顯示在屏幕上,這就是盾構(gòu)機的姿態(tài),在推進(jìn)時只要控制好姿態(tài),盾構(gòu)機就能準(zhǔn)確地沿著隧道設(shè)計軸線掘進(jìn),保證隧道能順利準(zhǔn)確的貫穿。4盾構(gòu)機姿態(tài)位置的檢測和計算在隧道推進(jìn)的過程中,必須獨立于系統(tǒng)定期對盾構(gòu)機的姿態(tài)和位置進(jìn)展檢查。間隔時間取決于隧道的詳細(xì)

6、情況,在有嚴(yán)重的光折射效應(yīng)的隧道中,每次檢查之間的間隔時間應(yīng)該比擬短。這主要是由于空氣溫度差異很大的效應(yīng)。闡述折射及其效應(yīng)的題目有大量的文獻(xiàn)資料,此處不再詳述。在隧道測量時必須始終考慮這一效應(yīng)。低估這個問題可能會引起嚴(yán)重的困難,尤其在長隧道中。我們采用棱鏡法來對盾構(gòu)機的姿態(tài)進(jìn)展檢查。在盾構(gòu)機內(nèi)有18個參考點(8螺母),這些點在盾構(gòu)機構(gòu)建之前就已經(jīng)定好位了,它們相對于盾構(gòu)機的軸線有一定的參數(shù)關(guān)系(見表1),即它們與盾構(gòu)機的軸線構(gòu)成部分坐標(biāo)系(見圖2)。在進(jìn)展測量時,只要將特制的適配螺栓旋到8螺母內(nèi),再裝上棱鏡。如今這些參考點的測量可以到達(dá)毫米的精度。的坐標(biāo)和測得的坐標(biāo)經(jīng)過三維轉(zhuǎn)換,與設(shè)計坐標(biāo)比擬

7、,就可以計算出盾構(gòu)機的姿態(tài)和位置參數(shù)等。下面來說明如何用棱鏡法來計算盾構(gòu)機的姿態(tài)和位置。我們利用洞內(nèi)地下導(dǎo)線控制點,只要測出18個參考點中的任意三個點(最好取左、中、右三個點)的實際三維坐標(biāo),就可以計算盾構(gòu)機的姿態(tài)。對于以盾構(gòu)機軸線為坐標(biāo)系的部分坐標(biāo)來說,無論盾構(gòu)機如何旋轉(zhuǎn)和傾斜,這些參考點與盾構(gòu)機的盾首中心和盾尾中心的空間間隔 是不會變的,他們始終保持一定的值,這些值我們可以從它的部分坐標(biāo)計算出來。假設(shè)我們已經(jīng)測出左,中,右(3,8,15號)三個參考點的實際三維坐標(biāo),分別為(1,1,1),(2,2,2),(3,3,3),并設(shè)未知量為盾首中心的實際三維坐標(biāo)(首,首,首)和盾尾中心的實際三維坐標(biāo)

8、(尾,尾,尾),從圖2中可以看出,在以盾構(gòu)機軸線構(gòu)成部分坐標(biāo)系中,盾首中心為坐標(biāo)原點,坐標(biāo)為(0,0,0),盾尾中心坐標(biāo)為(-434,0,0)。從表1中也可以看出各參考點在部分坐標(biāo)系的坐標(biāo)值。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.三個方程三個未知量,采用專業(yè)軟件解算方程組。我們測出某一里程盾構(gòu)機上三個參數(shù)點(3,8,15)的實際三維坐標(biāo)分別為:從以上數(shù)據(jù)可以得知,在與對應(yīng)里程上盾首中心和盾尾中心設(shè)計的三維坐標(biāo)比擬后,就可以得出盾構(gòu)機軸線與設(shè)計軸線的左右偏向值和上下偏向值,以及盾構(gòu)機的坡度,這就是盾構(gòu)機的姿態(tài)。把計算得出的盾構(gòu)機姿態(tài)與自動導(dǎo)向系統(tǒng)在計算機屏幕上顯示的姿態(tài)作比擬,據(jù)我們的理論經(jīng)歷,只要兩者的差值不大于10,就可以認(rèn)為自動導(dǎo)向系統(tǒng)是正確的。5完畢語在南京地鐵一號線中,張府園三山街區(qū)間隧道分為上行線和下行線兩條互相平行的線路,即往返兩條隧道。在這兩個區(qū)間段的實際應(yīng)用中,曾屢次采用棱鏡法檢核盾構(gòu)機姿態(tài),兩者的偏向值較差均不大于10,證明了該方法在檢核自動導(dǎo)向系統(tǒng)的正確性是可靠有效的。在貫穿測量中,由于采用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)推進(jìn),上行線于2002年9月準(zhǔn)確貫穿,經(jīng)甲方檢測,平面貫穿誤差為18,高程貫穿誤差為2;下行線于12月準(zhǔn)確貫穿,平面貫穿誤差為20,高程貫穿誤差為3,均能很