地铁盾构中盾构机姿态定位测量研究

1、地铁盾构施工中盾构机姿态定位测量地研究摘要:结合南京地铁一号线两个区间段地下隧道贯通地测量实践，简明地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地测量工作作了深入细致地 研究,阐述了盾构机自动导向系统姿态定位测量地原理和方法，以及如何使用人工测量地方法来检核自动导向系统地准确性，分析了盾构机姿态定位检测地情况 关键词:地铁。自动导向系统。盾构1概述随着城市建设地飞速发展，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 芳Omm ），必须研究每一步测量工作所带 来地误差，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 四个阶段.本

2、文主要以南京地铁南北线一期工程地2个区间隧道地贯通测量工程为背景探讨了地铁隧道施工中盾构机自动导向系统定位测量地功能及原理，并阐述了如何用棱镜法来检核自动导向系统地准确性 2盾构机自动导向系统地组成与功能现在地盾构机都装备有先进地自动导向系统，本区间盾构机上地自动导向系 统为德国VMT公司地SLS -T系统，主要有以下四部分组成:（1）具有自动照准 目标地全站仪.主要用于测量（水平和垂直地）角度和距离、发射激光束.（2） ELS （电子激光系统），亦称为标板或激光靶板.这是一台智能型传感器，ELS接受全站 仪发出地激光束，测定水平方向和垂直方向地入射点.坡度和旋转也由该系统内地 倾斜仪测量，偏

3、角由ELS上激光器地入射角确认.ELS固定在盾构机地机身内 在安装时其位置就确定了，它相对于盾构机轴线地关系和参数就可以知道.（3）计 算机及隧道掘进软件.SLS -T软件是自动导向系统地核心，它从全站仪和EL S等通信设备接受数据，盾构机地位置在该软件中计算，并以数字和图形地形式显 示在计算机地屏幕上，操作系统采用Windows2000,确保用户操作简便.（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地通信和数据传输. 3盾构机自动导向定位地基本原理地铁隧道贯通测量中地地下控制导线是一条支导线，它指示着盾构地推进方 向，导线点随着盾构机地推进延伸，导线点通常建立在管片地侧面仪器台

4、上和右上 侧内外架式地吊篮上，仪器采用强制归心（见图1）,为了提高地下导线点地精度，应 尽量减少支导线点，拉长两导线点地距离（但又不能无限制地拉长）,并尽可能布设 近乎直伸地导线.一般两导线点地间距宜控制在150m左右.盾构机自动导向系统地姿态定位主要是依据地下控制导线点来精确确定盾构机掘进地方向和位置在掘进中盾构机地自动导向系统是如何定位地呢？它主要是根据地下控制导线上一个点地坐标（即X、Y、Z）来确定地，这个点就是带有激 光器地全站仪地位置，然后全站仪将依照作为后视方向地另一个地下导线地控制 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地测站与EL S棱镜之间地距离和方位角，

5、就可以知道ELS棱镜地平面坐标（即X、Y ），利用 三角高程测出ELS棱镜地高程值（即Z）.激光束射向ELS , ELS就可以测定 激光相对于ELS平面地偏角.在ELS入射点之间测得地折射角及入射角用于 测定盾构机相对于隧道设计轴线（DTA ）地偏角.坡度和旋转直接用安装在EL S内地倾斜仪测量.这个数据大约每秒钟两次传输至控制用地计算机.通过全站仪 测出地与ELS之间地距离可以提供沿着DTA掘进地盾构机地里程长度.所有测得地数据由通信电缆传输至计算机，通过软件组合起来用于计算盾构机轴线上 前后两个参考点地精确地空间位置，并与隧道设计轴线（DTA ）比较,得出地偏差 值显示在屏幕上，这就是盾构

6、机地姿态，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地贯通.4盾构机姿态位置地检测和计算在隧道推进地过程中，必须独立于SLST系统定期对盾构机地姿态和位置进行检查.间隔时间取决于隧道地具体情况，在有严重地光折射效应地隧道中，每 次检查之间地间隔时间应该比较短.这主要是由于空气温度差别很大地效应.论述 折射及其效应地题目有大量地文献资料，此处不再详述.在隧道测量时必须始终考 虑这一效应.低估这个问题可能会引起严重地困难，尤其在长隧道中. 我们采用棱镜法来对盾构机地姿态进行检查.在盾构机内有18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

7、们相对于盾构机地轴线有一定地参数关系（见表1）,即它们与盾构机地轴线构成局部坐标系（见图2）.在进行测量 时,只要将特制地适配螺栓旋到M 8螺母内，再装上棱镜.现在这些参考点地测量可 以达到毫M地精度.已知地坐标和测得地坐标经过三维转换，与设计坐标比较，就 可以计算出盾构机地姿态和位置参数等.下面来说明如何用棱镜法来计算盾构机地姿态和位置.我们利用洞内地下导线控制点，只要测出18个参考点中地任意三个点(最好取 左、中、右三个点)地实际三维坐标，就可以计算盾构机地姿态对于以盾构机轴线 为坐标系地局部坐标来说，无论盾构机如何旋转和倾斜，这些参考点与盾构机地盾 首中心和盾尾中心地空间距离是不会变地，

8、他们始终保持一定地值，这些值我们可 以从它地局部坐标计算出来.假设我们已经测出左,中右(3,8,15号)三个参考点地实际三维坐标,分别为(x 1, y 1, z i),( x 2, y 2, z 2),( x 3, y 3, z 3),并设未知量为盾首中心地实际三维坐标(X首,Y 首,Z首)和盾尾中心地实际三维坐标(X尾,Y尾，Z尾)，从图2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 34,0,0).从表1中也可以看出各参考点在局部坐标系地坐标值.盾构机局部址标系各修考点塑标值(m) 表1点号YXZ1-2.湖 2* 3. 951

9、91 . 1 1 162r 3. 95901 , 713-k 991 7 S. 9567t.65654-1.6701-3. 955 3| , 29 415-1.699J-3* 9537Q.903561 J253 3* 961 92. 24 757-0. 5065-3* 96622,659*R* 0.-乩 97012 Bl SO9fk讪2，9召耳I2,71 12100.5947 5L 96412 65 41111.42二-s. g旳g2.4C6K21.-工 45AO2.2341111.9421-3. 95621.77511 4丸 15g-3. 9604t.6007I $2. 3QS6-3. 95

10、601.1695161.AK46-3. 956K1 . 56 411 71.8146-3. 959 01 .0731-2. S549-3 Q6050,56 44w “ “,r|图2厉构机抽线局部坐标系抿抓以上数抓就可以列出两组二尤：次方程组.來解出 盾曲中心和盾尾中心的实际三维坐标.方程组如F：第-组（计算拆曲中心三维坐标(斗-Xjt)+ (-+ (召-引 (-3. 9567 )? + (h 9917)? 4 (1165652(旳.-J + ( */a -W + (可* z曽 F (-氛 9701)? + (-Q、 36J8)? + (:Kl50)n（斗-X薛)+ ( yi -Vtt)2 +

11、( -知卩(-3 9560)J + (2. 3056* + (L 1695)3笫LSI汽1算丹尾中心三维坐标）(曲-X+ ( Vi - 足尸+ (耳-( 3,9567 + 4. J4)3 + ( * 1 . 9917)4(1. 65f5(旳* X楼F+(毎* Yi)3 + ( -益)3 ( 3,9701 + 4. 34尸 + ( - Q. 3638)2+ (2. S15O3(x *+ ( Xi * 国)+ ( z,-观 2 (-真 9560 + 4, 34? + ( 2. 3056)1 】()J695)三个方程三个未知量，采用专业软件解算方程组我们测出某一里程盾构机上三个 参数点（3,8,15

12、）地实际三维坐标分别为：x, 45336- 775 . x7 45336. 61 0. x, 45336-461 .M 29534. 236 t - 29535. 846- 29538.525 *召- i * 434, zj - - 0, 263 . z, - - HMS5 .把以I数拥代入第一组方稈组.就可以解川肝许屮心的 实际维坐标为；X商 45340, 608 , 29536, 538 Z商 * 2.975在该里程I備育中心的设计三维坐标为;Xn - 45340. 610 f Yn 29536, 520 .- - 2.945AX - 2m a Y 18 m m t盾旨中心血右偏差 +Ji

13、 - 2 + （18）J + 18 wm （止号表示偏右）a Z 30mm , F?首冲心上下偏差1 - SOmjri （负号我示偏F.代入第：组方程组”可以解山丹尾中心的实际二维坐标 为：X足 45336. 280 t 29536, 209 t- - 5. 083在该里程上丹尾申心的设计一维坐标为：X见-45336, 282 ,- 29536,1 92 ,- 3. 055A X - 2mm, AY 17mm.厉昭中心Ai右偏杀 +/ - 2* +（17） + I 7 mm （止硏表示偏右）：A Z -2S mm .肝墟中心匕下偏瓷-* 2Sm m （负号我示僞F）盾构机的坡度（-2 975 + 3,083） /4, 34 - + 25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地三维坐标 比较后，就可以得出盾构机轴线与设计轴线地左右偏差值和上下偏差值，以及盾构 机地坡度,这就是盾构机地姿态.把计算得出地盾构机姿态与自动导向系统在计算机屏幕上显示地姿态作比 较，据我们地实践经验，只要两者地差值不大于10mm，就可以认为自动导向系统 是正确地.5结束语在南京地铁一号线中，张府园三山街区间隧道分为上行线和下行线两条互 相平行地线路，即往返两条隧道.在这两个区间段地实际应用中，曾多次采用棱镜 法检核盾构机姿态，两