地铁施工中盾构机姿态定位测量点研究

1、地铁施工中盾构机姿态定位测量点研究摘要:结合南京地铁一号线两个区间段地下隧道贯通的测量实践,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的测量工作作了深入细致的研究,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;自动导向系统;盾构1 概述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50mm),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四个阶段。本文主要以南京地

2、铁南北线一期工程的2个区间隧道的贯通测量项目为背景,探讨了地铁隧道施工中盾构机自动导向系统定位测量的功能及原理,并阐述了如何用棱镜法来检核自动导向系统的准确性。2 盾构机机自动导导向系统统的组成成与功能能现在的的盾构机机都装备备有先进进的自动动导向系系统,本本区间盾盾构机上上的自动动导向系系统为德德国VMMT公司司的SLLS-TT系统,主要有有以下四四部分组组成:(1)具具有自动动照准目目标的 HYPERLINK /biz/productshow/trade/1-1.html 全全站仪。主主要用于于测量(水平和和垂直的的)角度度和距离离、发射射激光束束。(22)ELLS(电电子激光光系统),亦

3、称称为标板板或激光光靶板。这这是一台台智能型型传感器器,ELLS接受受 HYPERLINK /biz/productshow/trade/1-1.html 全站仪仪发出的的激光束束,测定定水平方方向和垂垂直方向向的入射射点。坡坡度和旋旋转也由由该系统统内的倾倾斜仪测测量,偏偏角由EELS上上激光器器的入射射角确认认。ELLS固定定在盾构构机的机机身内,在安装装时其位位置就确确定了,它相对对于盾构构机轴线线的关系系和参数数就可以以知道。(3)计计算机及及隧道掘掘进软件件。SLLS-TT软件是是自动导导向系统统的核心心,它从从 HYPERLINK /biz/productshow/trade/1-

4、1.html 全站仪仪和ELLS等通通信设备备接受数数据,盾盾构机的的位置在在该软件件中计算算,并以以数字和和图形的的形式显显示在计计算机的的屏幕上上,操作作系统采采用Wiindoows220000,确保保用户操操作简便便。(44)黄色色箱子。它它主要给给 HYPERLINK /biz/productshow/trade/1-1.html 全站仪仪供电,保证计计算机和和 HYPERLINK /biz/productshow/trade/1-1.html 全站仪仪之间的的通信和和数据传传输。3 盾构机机自动导导向定位位的基本本原理地地铁隧道道贯通测测量中的的地下控控制导线线是一条条支导线线,它指

5、指示着盾盾构的推推进方向向,导线线点随着着盾构机机的推进进延伸,导线点点通常建建立在管管片的侧侧面仪器器台上和和右上侧侧内外架架式的吊吊篮上,仪器采采用强制制归心(见图11),为为了提高高地下导导线点的的精度,应尽量量减少支支导线点点,拉长长两导线线点的距距离(但但又不能能无限制制的拉长长),并并尽可能能布设近近乎直伸伸的导线线。一般般两导线线点的间间距宜控控制在1150mm左右。盾构机自动动导向系系统的姿姿态定位位主要是是依据地地下控制制导线点点来精确确确定盾盾构机掘掘进的方方向和位位置。在在掘进中中盾构机机的自动动导向系系统是如如何定位位的呢?它主要要是根据据地下控控制导线线上一个个点的坐

6、坐标(即即X、YY、Z)来确定定的,这这个点就就是带有有激光器器的 HYPERLINK /biz/productshow/trade/1-1.html 全站站仪的位位置,然然后 HYPERLINK /biz/productshow/trade/1-1.html 全站站仪将依依照作为为后视方方向的另另一个地地下导线线的控制制点来定定向,这这样就确确定了北北方向,即方位位角。再再利用 HYPERLINK /biz/productshow/trade/1-1.html 全全站仪自自动测出出的测站站与ELLS棱镜镜之间的的距离和和方位角角,就可可以知道道ELSS棱镜的的平面坐坐标(即即X、YY),利利

7、用三角角高程测测出ELLS棱镜镜的高程程值(即即Z)。激激光束射射向ELLS,EELS就就可以测测定激光光相对于于ELSS平面的的偏角。在在ELSS入射点点之间测测得的折折射角及及入射角角用于测测定盾构构机相对对于隧道道设计轴轴线(DDTA)的偏角角。坡度度和旋转转直接用用安装在在ELSS内的倾倾斜仪测测量。这这个数据据大约每每秒钟两两次传输输至控制制用的计计算机。通通过 HYPERLINK /biz/productshow/trade/1-1.html 全站站仪测出出的与EELS之之间的距距离可以以提供沿沿着DTTA掘进进的盾构构机的里里程长度度。所有有测得的的数据由由通信电电缆传输输至计算

8、算机,通通过软件件组合起起来用于于计算盾盾构机轴轴线上前前后两个个参考点点的精确确的空间间位置,并与隧隧道设计计轴线(DTAA)比较较,得出出的偏差差值显示示在屏幕幕上,这这就是盾盾构机的的姿态,在推进进时只要要控制好好姿态,盾构机机就能精精确地沿沿着隧道道设计轴轴线掘进进,保证证隧道能能顺利准准确的贯贯通。4 盾构机机姿态位位置的检检测和计计算在隧隧道推进进的过程程中,必必须独立立于SLLS-TT系统定定期对盾盾构机的的姿态和和位置进进行检查查。间隔隔时间取取决于隧隧道的具具体情况况,在有有严重的的光折射射效应的的隧道中中,每次次检查之之间的间间隔时间间应该比比较短。这这主要是是由于空空气温

9、度度差别很很大的效效应。论论述折射射及其效效应的题题目有大大量的文文献资料料,此处处不再详详述。在在隧道测测量时必必须始终终考虑这这一效应应。低估估这个问问题可能能会引起起严重的的困难,尤其在在长隧道道中。我我们采用用棱镜法法来对盾盾构机的的姿态进进行检查查。在盾盾构机内内有188个参考考点(MM8螺母母),这这些点在在盾构机机构建之之前就已已经定好好位了,它们相相对于盾盾构机的的轴线有有一定的的参数关关系(见见表1),即它它们与盾盾构机的的轴线构构成局部部坐标系系(见图图2)。在在进行测测量时,只要将将特制的的适配螺螺栓旋到到M8螺螺母内,再装上上棱镜。现现在这些些参考点点的测量量可以达达到

10、毫米米的精度度。已知知的坐标标和测得得的坐标标经过三三维转换换,与设设计坐标标比较,就可以以计算出出盾构机机的姿态态和位置置参数等等。下面面来说明明如何用用棱镜法法来计算算盾构机机的姿态态和位置置。我们们利用洞洞内地下下导线控控制点,只要测测出188个参考考点中的的任意三三个点(最好取取左、中中、右三三个点)的实际际三维坐坐标,就就可以计计算盾构构机的姿姿态。对对于以盾盾构机轴轴线为坐坐标系的的局部坐坐标来说说,无论论盾构机机如何旋旋转和倾倾斜,这这些参考考点与盾盾构机的的盾首中中心和盾盾尾中心心的空间间距离是是不会变变的,他他们始终终保持一一定的值值,这些些值我们们可以从从它的局局部坐标标计

11、算出出来。假假设我们们已经测测出左,中,右右(3,8,115号)三个参参考点的的实际三三维坐标标,分别别为(XX1,YY1,ZZ1),(X22,Y22,Z22),(X3,Y3,Z3),并设设未知量量为盾首首中心的的实际三三维坐标标(X首首,Y首首,Z首首)和盾盾尾中心心的实际际三维坐坐标(XX尾,YY尾,ZZ尾),从图22中可以以看出,在以盾盾构机轴轴线构成成局部坐坐标系中中,盾首首中心为为坐标原原点,坐坐标为(0,00,0),盾尾尾中心坐坐标为(-4 34,0,00)。从从表1中中也可以以看出各各参考点点在局部部坐标系系的坐标标值。三个方程三三个未知知量,采采用专业业软件解解算方程程组。我我

12、们测出出某一里里程盾构构机上三三个参数数点(33,8,15)的实际际三维坐坐标分别别为:从以上数据据可以得得知,在在与对应应里程上上盾首中中心和盾盾尾中心心设计的的三维坐坐标比较较后,就就可以得得出盾构构机轴线线与设计计轴线的的左右偏偏差值和和上下偏偏差值,以及盾盾构机的的坡度,这就是是盾构机机的姿态态。把计计算得出出的盾构构机姿态态与自动动导向系系统在计计算机屏屏幕上显显示的姿姿态作比比较,据据我们的的实践经经验,只只要两者者的差值值不大于于10mmm,就就可以认认为自动动导向系系统是正正确的。5 结束语语在南京京地铁一一号线中中,张府府园三三山街区区间隧道道分为上上行线和和下行线线两条互互相平行行的线路路,即往往返两条条隧道。在在这两个个区间段段的实际际应用中中,曾多多次采用用棱镜法法检核盾盾构机姿姿态,两两者的偏偏差值较较差均不不大于110mmm,证明明了该方方法在检检核自动动导向系系统的正正确性是是可靠有有效的。在贯通测量中,由于采用了以上一系列的方法和措施,以及先进的自动导向系统指导推进,上行线于2002年9月准确贯通,经甲方检测,平面贯通误差为18mm,高程贯通误差为2mm;下行