盾构姿态人工测量方法

盾构姿态人工测量方法隧道公司哈尔滨地铁项目部王维鹏摘要：本文以哈尔滨地铁哈■南区间两台维尔特盾构机盾构姿态人工复核方法为例，运用布设特征点、在CAD中建立特征模型等方式，总结出了在盾构施工中人工检查盾构机姿态的方法.尖键词：盾构机姿态人工复核AutoCAD在厉构法隧道施工中，为了确定质构推进过程中炳构机的实时姿态，需要在其推进时实时的进行测呈，为此一般盾构机上都配有自动导向系统。根据施工中的实际情况，无论盾构机有没有配备导向系统，对盾构姿态进行人工复核都是非常必要的。在哈尔滨地铁哈东站一〉南直路区间施工中，由干我公司两台维尔特盾构机的导向系统PPS经过了长途运输并参次拆解安装，原有的机械参数都不同程度的发生了变化，我们在该区何始发时对导向系统进行了全面的检修，并自主进行了导向系统磯件及软件的安装，并在此基础上麒索出一套简单的人工对盾构机姿态进行复核的方法。卜面分步骤进行简述。1.嘅述厉构机装完成始发前，实地或运用相对局部坐标系，或直接用大地坐标系，在统一的坐标系统卜用一定测最方法测出盾构机中轴线及特征点的空间三维坐标。这些三维坐标之间的尖系本身就代表了特征点与盾构机中轴线Z间的尖系。而这一尖系即是我们建立特征模型的基础。一般我们将盾构机定义为一个刚性圆柱体，其前端而圆心。2与后端面鬪心0丄的连线0201定义为盾构机的中轴线。特征模型的建立2.1特征点的制作根据盾构机导向系统本身的特点，特征点有时候需要我们自己根据盾构机的特征进行制作，布设。最简单的方法就是用反射贴片直接贴在盾体的刚性结构上，粘贴位置根据通视情况而定。当然也可以采用螺杆焊接的方法，制作一些待殊装置町以将棱镜安装在上面，如图一所示。a.反射贴片特征点示意b、螺杆焊接特征点制作简图盾构机特征点制作简图图2特征断面及测量点位分布图图12.2盾构机中轴线及特征点坐标测量盾构机的中轴线一般采用测切II及盾尾两个截面的儿何中心求得，如图2所示，一般在特征断面（如切口和盾尾）上等距的测量如上图中若干点位的三维坐标（X,Y,Z）。再根据任何三点一定在一平面上，以及任何二点所构成的二角形均有一个外接圆的几何理论，我们可以将各测点组合成若干个三角形，然后得出若干个圆心，将这些圆心的坐标进行平差计算，得出最佳圆心o当然由于盾壳本身的材质的粗糙度和制作工艺，不可能是正圆，另外测量过程中不可避免的会附帯测量误差，导致我们的测量结果冇•定的偏差，这就要求在实际操作中尽可能的去消除粗差。下面对测量过程中粗差的消除谈谈我自己的心得：2.2.1准备工作盾构姿态测量前准备工作极为重要，首先需要复测主控导线结果要符合规范及设计的要求；其次，联系测量必须符合规范要求，包括平面和高程联系测量。另外在条件允许的前提下，尽量使用强制对中装置。除此之外，测最前应检査所使用仪器的状态，必要时实时参考湿度、温度及气压参数。2.2.2建站建站是整个测量过程的基础，其本质就是确定仪器中心实际的平面坐标及方位角和高程，所以一般情况下将建站分为两部分：平面和高程。目前行业中使用的人多是全站仪，抛去仪器本身的机械误差，平面上人为町控的决定全站仪建站精度的无非对中梢度和后视时确定的方位角的精度:仪中高程的确定可使用精测过仪高的对中杆反测高差进行计算。如图3所示。2.2.3碎部点测量图3仪中高程反测示意

建站完毕后即可进行碎部点的测最，这个过程要保证测得准，测得合理，并能反映待测物体的几何形状o为此我们在实际操作中如图4所示。5图4測点棱钱;摆汝示意图摆放的要点是要使棱镜头卜•部端头与盾壳外表面紧贴，尽最让棱镜头中垂线接近盾壳外表面所在圆的法线方向。由于每个点均采用此法测量，所以在计算结果中半径存在一致的误差值，用游标卡尺等工具精确测量棱镜的高度H1后，即可将此误差降为敲小。在统一坐标系下，按照上述方法采集厉构机的中轴线及己经做好的特征点的坐标。为了提高测豈结果的精度，可以采用多次测量求平均值的方法，另外对每个测点都分别用盘左和盘右各测一个值，计算时取均值为此点坐标o逮立模型如图5所示，通过测量八7号三维坐标计算0丄点坐标，同理可得。2点坐标o在同一坐标系下再测得A、B、C、D坐标。这些点即可组成所需的特征模型。图5特征点一盾构机中轴线模型示意图3.1利用AutoCAD计算0丄、。2点坐标将经过简单平差过的1・7号点三维坐标展入CAD,同时将DTA数据也展入CAD中。

按照如F操作建立用户UCS:工具一〉新建UCS--〉三点&令:-UCS当蕾UCS名称广没有名称*曲疋UCS的斥点或[而(F)/&名(NA)/对*(()B”上一个『”俛Ei(V”世皐CD/X/Y/Z/乙1ib(ZA)]v世界＞：.3宥疋靳斥点＜(),(),()＞：*以下恨隹捉示依次指龙祈廉点、X轴疋、•轴。崔正X估范伍上指定点＜1,0,□＞:在UCSXV平而的正Y轴范田上并龙点＜0,1,0＞:结果如图6所示。接卞来按如卜操作绘制经过三点的圆：绘图一〉圆一〉三点以上述7个点钟的1、4、7号点为例，做圆01。如图6所示。然后再退回原大地坐标系。操作：工具一〉新建UCS・•・一〉上一个在这个坐标系下读取圆心6的坐标，即在以1、4、7号点确定的平面上外接于这三点连线组成的三角形的圆的心坐标0组成的三角形的圆的心坐标0图6用户坐标系UCS通过组介广7号点，上述方法可以求得很多个0],。2的坐标，将这些坐标取均值作为最佳01'°2坐标。2建立特征模型将01、02及A、B、C、D各点坐标重新展入CAD,这些点组成的图形即为所需的特征模型。并将其粘贴为三维图形块保存。4、 运用AutoCAD计算盾构姿态综上可知，A、B、C、D为特征点，我们町以通过测量任意绘少三个特征点的人地坐标结合特征模型确定盾构机中轴线0】、。2的人地坐标。下面对过程分步概述。1盾构掘进设计轴线绘制一般施工中盾构中线按照每整米里程计算一个中线三维坐标，该数据称为DTA・一中线数据文件。在记事本中将DTA数据粘贴成如卜格式：lincX1,Y1ZIX2,Y272S3Y3Z3、：iiYnZn+[Space或Enter]备注：杲后一行MiYnZu后審加空恪或回丰，否则晟后一点不能成功畏点。将记爭本的后缀“・txt”改为CAD脚本文件“.sc广格式，在Aut。CAD中选择“工具・〉运行脚本则可将上述文件中各点坐标逐点展入。4.2模型引入将粘贴为块的特征模型粘贴到绘制好的隧道中线模型图中。B*4c*图7特征模型引入如图7所示，NEC为在人地坐标系卜实测盾构机上的特征点。利用CAD中的“対齐”工具将图屮虚线框中的特征模型参照A、B、C三点対齐到图7卜•部的隧道屮线模型上，结果如图8所示。对齐操作如下：余令■:3dalign选挣对敷：选择特征供型折应潭平而机方向•••*选忏三点确疋潭平面和方向指定恭点或[复商(C)尸迭择A点摘定第二个点或[继绫(C)]<C>:★选择B点指定第三个点或[地绫(C)]<C>:★选择C点計龙目标平而和方囱•••*选择三点琦龙目标平而和方向折疋第一个旨标点广选怖4点指龙第二个目标点或[退出(X)]v、〉：•选择B：点摘定第三个目标点或[退出(x)]<x>:♦选择c点说明：*后为握作说列.Y A(A-)Y A(A-)K2jB(BJ02K2jB(BJ02O* \l/cC)图8对齐操作结果示意4.3利用三维对齐计算盾构机的姿态参数上述操作完成后，打开CAD中的“对彖捕捉”工具，选择垂直和端点项，分别过0】、02做垂线0］心,02K2O厉构姿态参数包括前切门o丄及盾尾。2的平面及高程偏差、厉体的俯仰角。下面就这几个参数的读取及计算做简要陈述。4.3.1盾构机前切口及盾尾平面高程偏差化对齐操作的结果图中选择6K1或02血，在命令行输入命令“list”，回车后会返回所选线段的属性，如图9所示为0丄Ki线段的属性o*AutoCAD文本包口-F八哈尔茨地扶■■石独\陆枸….©0O由令：11LIST找到1个A]kJraE.n空间！祗型空间帧色:1（红） 线型：BYLJLYER句柄■・3a3自A,X- 2004・S"9Y«8224.89002«•7.35^0到A.X» 2004・S7698224・88労Z-7・3378在当前UC3中・-o-oooi,在XY平面中的竟度- Z66三维长度■ 0.01S2.与XY平面的角度■270增昼X・ 0.0006增昼Y-■0・0001,增昼Z■・0・01522B图9线段的属性上图中，当前UCS中的长度可看做是0丄点在XY平面上偏离隧道设计中线的数值，增量Z为0丄点在Z轴高程偏离隧道设计中线的数值o一般情况卜数值的正负做如卜定义：平而以掘进方向为准，偏左为负，偏右为正；高程己隧道中心高程为准，偏低为负，偏高位正。4.3.2盾构机中轴线的实际坡度同上在图8中选取0,02,同理读取其属性，町分别查出0丄、。2点的高程，则盾构中轴线6—2坡度：式中：H1……5高程;H2——。2高程；Dow2——0丄。2之间的平距。5•小结通过在哈尔滨地铁