姜留濤，翟　燕

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000； 2. 華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450052)

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盾構(gòu)姿態(tài)測量原理的比較研究及精度分析

姜留濤1，翟燕2

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000； 2. 華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450052)

對國內(nèi)外盾構(gòu)姿態(tài)自動測量系統(tǒng)進(jìn)行了比較和總結(jié)，對盾構(gòu)姿態(tài)的參數(shù)和姿態(tài)測量的原理進(jìn)行了梳理，提出了盾構(gòu)中心坐標(biāo)偏差和切線偏差的計(jì)算方法，并對地鐵盾構(gòu)施工過程中，各個(gè)階段的施工測量精度進(jìn)行了具體分析和總結(jié)。

盾構(gòu)施工；姿態(tài)測量；原理；測量精度

隨著我國城市軌道交通建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，城市地鐵因集約化、高效率、大容量、低污染等特點(diǎn)也迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和建設(shè)熱潮。近期，我國40余座城市的軌道線路規(guī)模將超過3400 km，投資總額將超過萬億。作為城市地鐵施工的主要施工方法和手段，有著180年歷史的盾構(gòu)施工技術(shù)也發(fā)展迅速，現(xiàn)代盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)(TBM)中高新技術(shù)和自動化水平越來越高，采用了如控制、遙控、測量、探測、導(dǎo)向、通信技術(shù)等高新技術(shù)。其中，盾構(gòu)自動測量導(dǎo)向系統(tǒng)是其關(guān)鍵技術(shù)。

一、盾構(gòu)姿態(tài)自動測量導(dǎo)向系統(tǒng)基本原理

盾構(gòu)自動測量導(dǎo)向系統(tǒng)是集測量技術(shù)、激光傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)、機(jī)械電子技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)，由多種不同類型的精密傳感器組成，能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測量盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和位置，并計(jì)算顯示出盾構(gòu)機(jī)相對設(shè)計(jì)掘進(jìn)中心線之間的偏差和偏角。

目前國內(nèi)外的盾構(gòu)姿態(tài)測量系統(tǒng)有3種模式，分別是：全站儀+激光靶 (laser target)的激光導(dǎo)向模式(代表系統(tǒng)有德國VMT公司的SLS-T系統(tǒng)、英國ZED、德國TACS公司的ACS系統(tǒng)、上海米度的MTG-T系統(tǒng))；全站儀+兩棱鏡+傾斜儀模式(代表系統(tǒng)有德國PPS、日本演算工房的ROBOTEC系統(tǒng)、上海米度系統(tǒng)、上海力信的RMS-D系統(tǒng))；陀螺儀全站儀模式(日本東京計(jì)器株式會社開發(fā)的TMG-32B系統(tǒng)和Tellus導(dǎo)向系統(tǒng))。

3種系統(tǒng)中，激光靶系統(tǒng)精度高，智能化程度高，成本高；棱鏡系統(tǒng)精度稍差，但維修方便，成本低；陀螺儀全站儀模式依賴陀螺儀精度和人員素質(zhì)，國內(nèi)還沒有普及。

1. 盾構(gòu)姿態(tài)需要測量的參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)指盾構(gòu)機(jī)前端刀盤中心(簡稱“刀頭”或“切口”)的三維坐標(biāo)和盾構(gòu)筒體中心軸線在3個(gè)相互垂直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角等參數(shù)。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的主要參數(shù)有以下9個(gè)：刀盤切口里程、刀盤切口方向偏差、刀盤切口高程偏差、盾尾方向偏差、盾尾高程偏差、盾構(gòu)滾動角、盾構(gòu)俯仰角、盾構(gòu)方位角、環(huán)號，如圖1、圖2所示。

圖1　盾構(gòu)姿態(tài)測量系統(tǒng)示意圖

圖2　盾構(gòu)機(jī)刀盤滾動角示意圖

2. 測量姿態(tài)時(shí)的原理及公式

(1) 水平角和仰俯角的確定

激光靶系統(tǒng)是通過計(jì)算激光與CCD軸線之間的夾角(水平方向β，垂直方向γ)，然后對比激光在絕對坐標(biāo)系的方位角和豎直角，從而計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)的水平角和仰俯角。如圖3所示，設(shè)p(xp,yp)為激光靶上的激光點(diǎn)坐標(biāo)，則

圖3　激光靶系統(tǒng)中激光與CCD軸線的關(guān)系

(2) 切口中心坐標(biāo)

如圖4、圖5所示，因激光靶中心的大地坐標(biāo)由導(dǎo)線上的全站儀測得，盾構(gòu)機(jī)的滾角、仰俯角、水平角可以由傾斜儀和激光靶數(shù)據(jù)測得，激光靶坐標(biāo)系中切口中心的坐標(biāo)為(a,-b,-c),激光靶中心大地坐標(biāo)為(x0,y0,z0)，通過坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移，可以求得切口中心在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，即

(3) 盾構(gòu)中心坐標(biāo)計(jì)算

直線段盾構(gòu)中心和線路中心重合，盾構(gòu)姿態(tài)相對容易獲取。在平曲線段(圓曲線段和緩和曲線段)，盾構(gòu)中心軸線和線路曲線的切線方向重合，小半徑及盾構(gòu)始發(fā)時(shí)會出現(xiàn)偏離值的矢距，這也是曲線段盾構(gòu)姿態(tài)測量的關(guān)鍵。

圖4　激光靶坐標(biāo)系在曲線下的模型

圖5　激光靶坐標(biāo)系后視圖

根據(jù)激光靶到盾構(gòu)中心M的相對平面距離(c,d)、激光靶中心的大地平面坐標(biāo)(x0,y0)及切口中心坐標(biāo)(x,y)，可以求出盾構(gòu)中心坐標(biāo)

式中，曲線右偏取+，左偏取-。

式中

經(jīng)過M點(diǎn)的理論坐標(biāo)和實(shí)測坐標(biāo)進(jìn)行比較，即可求出盾構(gòu)中心偏移的矢量ΔM，即

通過對比矢量的大小來判斷盾構(gòu)中心偏離線路中心的距離，從而進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)修正和相關(guān)操作。

(4) 盾構(gòu)姿態(tài)之切線方向

盾構(gòu)機(jī)在曲線段施工的理想狀態(tài)是其盾構(gòu)中心軸線與曲線切線方向保持一致。盾構(gòu)中心軸線方位角可以根據(jù)盾構(gòu)中心坐標(biāo)和切口中心坐標(biāo)反算求得αO-M，而曲線切線方位角可以根據(jù)其與過ZH點(diǎn)的切線方位角之間關(guān)系求得，其差值即為盾構(gòu)中心線的切線偏差，即

δ=αZH切線±βi-αO-M

需要注意的是，此時(shí)的盾構(gòu)偏角δ為實(shí)測盾構(gòu)中心軸線與該曲線的理論切線之間的偏角，偏角δ真實(shí)反映了盾構(gòu)機(jī)偏離理論水平曲線的偏差。它不同于激光靶的水平偏角β，β角是指全站儀前視與激光靶之間相對偏差，但是在直線段盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)水平偏角β可以等同于盾構(gòu)偏角δ。

二、盾構(gòu)施工及姿態(tài)測量的精度分析

地鐵區(qū)間隧道的貫通誤差中，橫向貫通測量中誤差限差為50 mm，高程貫通測量中誤差限差為25 mm。貫通誤差主要來源于地面控制測量誤差、豎井聯(lián)系測量誤差、進(jìn)洞洞口中心坐標(biāo)誤差、地下導(dǎo)線測量誤差、盾構(gòu)姿態(tài)測量誤差5個(gè)方面。

3) 影響地鐵貫通精度的主要是橫向貫通誤差，若n為設(shè)站數(shù)，mβ為測角中誤差，L為隧道總長，mα為起始方向中誤差，則橫向誤差公式為

4) 盾構(gòu)施工誤差是地鐵隧道貫通誤差的重要組成部分，其取決于盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的形式、盾構(gòu)震動、管片位移、管片旋轉(zhuǎn)、系統(tǒng)儀器類型精度和狀態(tài)、后視定向次數(shù)、測量環(huán)境(溫度、濕度、粉塵等)、測量窗口大小、激光靶(棱鏡)到刀盤切口的距離等。相關(guān)規(guī)范要求盾構(gòu)機(jī)盾尾偏差小于10～15 mm，刀盤切口偏差小于20～25 mm。而搬站、導(dǎo)線復(fù)測前后，盾構(gòu)姿態(tài)可能有所改變，一般相差20～30 mm屬于正常范圍。若發(fā)現(xiàn)姿態(tài)數(shù)據(jù)短時(shí)間內(nèi)異常變化大于50 mm或跳動大于30 mm以上，應(yīng)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)位置和姿態(tài)的參數(shù)。

5) 盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)中儀器精度要求

由于盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算的精度要求較高，包括橫豎向偏差、仰俯角、滾轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)精度要求，故對激光靶和全站儀相關(guān)精度指標(biāo)也應(yīng)做出以下要求，見表1。

表1

三、結(jié)束語

1) 盾構(gòu)施工時(shí)除盾構(gòu)位置和姿態(tài)自動測量系統(tǒng)外，還應(yīng)加入人工測量的數(shù)據(jù)、推進(jìn)油缸的狀態(tài)參數(shù)及地下土層的特性參量，共同計(jì)算分析盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)趨勢。

2) 對于盾構(gòu)機(jī)俯仰角的參數(shù)測量，可以根據(jù)高程控制網(wǎng)和全站儀三角高程測量的方法，結(jié)合激光靶的傾斜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合求得，特別在掘進(jìn)豎曲線時(shí)應(yīng)充分考慮豎曲線的坡度和預(yù)拱度。

3) 在有油缸鉸鏈的盾構(gòu)機(jī)模式下進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算時(shí)，需要考慮其切口中心坐標(biāo)值與激光靶中心坐標(biāo)的相關(guān)性。

4) 為了減少由于盾構(gòu)自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的管片拼裝困難，盾構(gòu)旋轉(zhuǎn)量應(yīng)控制在±30以內(nèi)。盾構(gòu)自轉(zhuǎn)角度大于10mm/m或盾構(gòu)機(jī)位置偏離大于50mm時(shí)，可能發(fā)生盾構(gòu)偏差超限、糾偏困難，危及盾構(gòu)與地鐵隧道施工安全。

5) 盾構(gòu)姿態(tài)人工測量每周不少于1次，最長掘進(jìn)距離不應(yīng)大于150m。盾構(gòu)掘進(jìn)至離洞口封門結(jié)構(gòu)100m時(shí)，必須作一次盾構(gòu)推進(jìn)軸線的方向傳遞測量，以逐漸調(diào)整盾構(gòu)軸線。盾構(gòu)施工60m以后，隧道結(jié)構(gòu)已經(jīng)穩(wěn)定，在此設(shè)置地下控制點(diǎn)。導(dǎo)線點(diǎn)的穩(wěn)定情況，通過重復(fù)測量確定，一般不少于3次。

[1]潘明華. 盾構(gòu)自動導(dǎo)向系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2005：26-28.

[2]邊大勇，盧小平，李永強(qiáng)，等. 地鐵盾構(gòu)區(qū)間施工測量技術(shù)研究[J]. 測繪通報(bào)，2011(4)：51-54.

[3]徐然. 地鐵盾構(gòu)智能導(dǎo)向系統(tǒng)研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)，2008：10-11.

[4]郭沈凡. 盾構(gòu)隧道精密定位導(dǎo)向技術(shù)的研究 [D]. 南京：河海大學(xué)，2005:51-52.

[5]李惠平.盾構(gòu)姿態(tài)的模糊控制方法[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(7)：825-826.

[6]薄志義，王坡. 盾構(gòu)機(jī)軸線方位角解算原理研究[J]. 北京測繪，2006(3)：18-21.

[7]王超領(lǐng). 地鐵盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)實(shí)時(shí)姿態(tài)定向測量的研究[J]. 隧道建設(shè)，2007(6)：33-35.

[8]潘明華，朱國力. 盾構(gòu)機(jī)自動導(dǎo)向系統(tǒng)的測量方法研究[J]. 施工技術(shù)，2005(6)：34-36.

[9]畢小偉. 盾構(gòu)機(jī)位姿測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2010：12-13.

[10]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范：GB50446—2008[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

Comparative Study of Shield Posture Measuring Principle and Accuracy Analysis

JIANG Liutao，ZHAI Yan

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0263.

2015-10-26

陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金

姜留濤(1982—)，男，碩士，講師，從事測繪類教研和管理工作。E-mail：chxbgs@126.com

P258

B

0494-0911(2016)08-0086-03

引文格式：姜留濤，翟燕.盾構(gòu)姿態(tài)測量原理的比較研究及精度分析[J].測繪通報(bào)，2016(8)：86-88.