盾构测量方案

7、4盾构隧道施工测量7、4、1盾构机始发初始状态测量7、4、1、1盾构机始发初始状态测量得主要内容与目得(1)盾构机导轨定位测量盾构机导轨测量主要控制导轨得中线与设计隧道中线偏差不能超限,导轨得前后高程与设计高程不能超限,导轨下面就是否坚实平整等。

(2)反力架定位测量反力架定位测量包括反力架得高度、俯仰度、偏航等,反力架下面就是否坚实、平整。

反力架得稳定性直接影响到盾构机始发掘进就是否能正常按照设计得方位进行。

(3) 演算工房导向系统初始测量盾构机姿态盾构机姿态初始测量包括测量水平偏航、俯仰度、扭转度。

盾构机得水平偏航、俯仰度就是用来判断盾构机在以后掘进过程中就是否在隧道设计中线上前进,扭转度就是用来判断盾构机就是否在容许范围内发生扭转。

(4) 人工复测盾构姿态为了保证导向系统得正确性与可靠性,在盾构机始发前,应进行盾构姿态得人工检测。

7、4、1、2盾构机姿态测量原理（1）演算工房导向系统①导向系统介绍在掘进隧道得过程中,为了避免盾构机发生意外得运动及方向得突然改变, 必须对盾构机得位置与隧道设计轴线得相对位置关系进行持续地监控测量,使盾构机能够按照设计路线精确地推进。

日本株式会社得演算工房就就是为此而开发,该系统为使盾构机沿设计轴线(理论轴线)掘进提供所有重要得数据信息。

该系统就是由激光全站仪(天宝5600) 、中央控制箱、ESL靶、控制盒与计算机及掘进软件组成。

其组成见图1。

图1 盾构机导向系统组成②导向基本原理洞内控制导线就是支持盾构机掘进导向定位得基础。

激光全站仪安装在位于盾构机尾部右上侧管片得拖架上,后视一基准点(后视靶棱镜)定位后。

全站仪自动掉过方向来,搜寻ELS靶, ELS接收入射得激光定向光束,即可获取激光站至ELS靶间得方位角、竖直角,通过ELS棱镜与激光全站仪就可以测量出激光站至ELS靶间得距离。

盾构机得仰俯角与滚动角通过ELS靶内得倾斜计来测定。

ELS 靶将各项测量数据传向主控计算机,计算机将所有测量数据汇总,就可以确定盾构机在坐标系统中得精确位置。

将前后两个参考点得三维坐标与事先输入计算机得隧道设计轴线比较,就可以显示盾构机得推进姿态。

（2）人工复测盾构机作为一个近似得圆柱体，在开挖掘进过程中我们不能直接测量其刀盘得中心坐标，只能用间接法来推算出刀盘中心得坐标。

图2 盾构姿态计算原理图如图A点就是盾构机刀盘中心，E就是盾构机中体断面得中心点，即AE连线为盾构机得中心轴线，由A、B、C、D、四点构成一个四面体，测量出B、C、D 三个角点得三维坐标（xi,yi, zi）,根据三个点得三维坐标（xi, yi, zi）分别计算出LAB, LAC, LAD, LBC, LBD,LCD, 四面体中得六条边长，作为以后计算得初始值，在盾构机掘进过程中Li就是不变得常量，通过对B、C、D三点得三维坐标测量来计算出A点得三维坐标。

同理，B、C、D、E四点也构成一个四面体，相应地求得E点得三维坐标。

由A、E两点得三维坐标就能计算出盾构机刀盘中心得水平偏航，垂直偏航，由B、C、D三点得三维坐标就能确定盾构机得仰俯角与滚动角，从而达到检测盾构机姿态得目得。

7、4、1、3盾构机姿态测量得误差分析使用盾构进行隧道掘进施工时，需要使盾构沿隧道设计曲线掘进，隧道设计曲线以全局坐标系为基准。

掘进施工中需要实时测量盾构在全局坐标系中得位置与姿态，通过与隧道设计曲线比较，得到盾构掘进得位置偏差与姿态偏差。

实际施工中主要测量盾构切口中心与盾尾中心与设计曲线得水平偏差与垂直偏差，因此测量工作得主要任务就是得到切口中心与盾尾中心在全局坐标系中得坐标。

由于标靶加工与装配工艺水平、传感器元件本身精度得限制，各测量参数均存在误差，这些误差经传递后会使得盾构切口中心与盾尾中心得坐标位置产生误差、因此，准确建立盾构切口中心点位误差与测量参数误差得传递关系，对改善自动测量系统得性能、提高系统得测量精度可以起到重要作用。

（1）切口中心坐标得测量原理模型图3为标靶在盾构机内得安装位置图。

按照测量工程得习惯，将全局坐标系与其她相对坐标系均设置为左手坐标系。

图3 激光标靶得安装位置图自动测量系统工作时，全站仪固定安装在已拼装好得隧道管片上，标靶固定于盾构内部，标靶与全站仪间无障碍物遮挡。

利用全站仪测量标靶棱镜得全局坐标（x 0,y 0,z 0），同时发射激光到标靶平面，测量标靶平面与激光得水平夹角，与全站仪激光得水平角合成得到标靶轴线在全局坐标系中得水平方位角γ。

利用标靶内置倾角仪可以测量标靶相对于全局坐标系得滚角α与俯仰角β。

以标靶棱镜中心为原点，以标靶测量得滚角α、俯仰角β、水平入射角γ得零值方向为坐标轴方向，建立相对坐标系o —a b c 、 标靶固定在盾构上，坐标系o —a b c 中盾构切口中心得坐标（x 1,y 1,z 1）就是固定得。

为求取盾构切口中心得全局坐标（x,y,z ），通过（x 1,y 1,z 1）从坐标系o —a b c 旋转平移到全局坐标系O-XYZ 中，则有[][][]111000x y z x y z M x y z =⨯+其中 100cos 0sin cos sin 00cos sin 010sin cos 00sin cos sin 0cos 001M ββγγααγγααββ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=-⨯⨯-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦为相对坐标系o —a b c 到全局坐标系O-XYZ 得旋转变换矩阵、（2）切口中心与标靶相对位置坐标标定得误差分析将标靶安装到盾构上后，盾构静止得状态下，通过人工方法测量切口中心得全局坐标（x,y,z ），通过全站仪测量标靶棱镜得全局坐标（x 0,y 0,z 0），然后读取标靶得三姿态角读数，通过对式(1)进行矩阵变换，反算相对坐标（x 1,y 1,z 1），可得[][]1111000x y z x x y y z z M -=--- (2)其中1111cos sin 0cos 0sin 100sin cos 00100cos sin 001sin 0cos 0sin cos M M M M γβαγγββγγααββαα------⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦利用标靶采集得方位角γ、滚角α及俯仰角β都存在测量误差、 设三个姿态角得误差值分别为Δγ、Δα、Δβ，可视为标靶绕原坐标系轴线旋转了Δ角、 即：11000cos sin 0sin cos M ααααα-∆⎡⎤⎢⎥=∆∆⎢⎥⎢⎥-∆∆⎣⎦ 1cos 0sin 010sin 0cos M βββββ-∆∆-∆⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥∆∆⎣⎦ 1cos sin 0sin cos 0001M γγγγγ-∆∆-∆⎡⎤⎢⎥=∆∆⎢⎥⎢⎥⎣⎦可知存在角度误差时得变换矩阵： 11111111M M M M M M M γγββαα-------∆∆∆=由于角度误差Δ为毫弧度级别，可以视为极小量，故sin Δ≈Δ,cos Δ≈1，上述矩阵可近似表示为：11000101M ααα-∆⎡⎤⎢⎥=∆⎢⎥⎢⎥-∆⎣⎦ 11001001M βββ-∆-∆⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥∆⎣⎦ 11010001M γγγ-∆-∆⎡⎤⎢⎥=∆⎢⎥⎢⎥⎣⎦相对坐标(x1,y1,z1)得标定误差为：[][][]111110001000x y z x x y y z z M x x y y z z M --∆∆∆=------- (3) 忽略Δα, Δβ与Δγ得高次分量后，表达式（3）可以化简为： 100010(cos sin sin cos )()(sin sin cos cos )()cos ()(sin sin cos cos cos sin cos cos cos sin sin sin sin )()(cos sin sin cos sin sin cos sin x x x y y z z y x x γββγγβγββγγβββγααγαγγβααγβαβγβαγγααγαγγβααγ∆=-∆-∆-+-∆+∆-+∆-∆=∆-∆+∆+∆-∆-+-∆-∆+∆+0010cos sin cos sin sin )()(sin sin cos cos )()(sin cos cos sin cos sin sin cos cos cos sin sin cos )()(cos cos sin sin sin sin sin sin cos cos cos s y y z z z x x βαβγβαγβαββααγααγαγγβαααγββγβαγγααγαγγβααγβαβγ∆+∆-+∆-∆-∆=-∆-∆+∆-∆+∆-+∆-∆+∆-∆-00in cos )()(cos sin sin cos )()y y z z βαγβααβαβ⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪∆-+-∆-∆-⎩ 相对坐标得标定就是在盾构进入施工隧道前进行得。

此时盾构水平放置，轴线得滚角α与俯仰角β均接近于0。

安装标靶时尽量使标靶轴线与盾构轴线平行，可调节标靶得俯仰角β与滚角α读数接近零值，使sin α与sin β取值为较小量。

由于方位角γ得实际取值与相对坐标无关，设γ=0。

Δα，Δβ与Δγ为极小量，表达式中如有分量同时包含Δα、Δβ、Δγ与sin α、sin β两类量，则为极小分量，可以忽略。

用此方法处理相对坐标得误差表示式即可得100100100()()()()()()x y y z z y x x z z z x x y y γβγαβα∆=∆-+∆-⎧⎪∆=-∆--∆-⎨⎪∆=-∆-+∆-⎩其中，(x,y,z)与(x 0,y 0,z 0)为切口中心全局坐标与标靶棱镜全局坐标，由全站仪测量得到，误差为毫米级。

根据盾构得尺寸与标靶安装位置可知，x-x 0，y-y 0， z-z 0得值为米级。

上式中x-x 0，y-y 0，z-z 0毫米级得测量误差与极小量Δα，Δβ与Δγ得乘积可以忽略，故上述表达式中可以不考虑x-x 0，y-y 0，z-z 0得误差。

此时标靶得γ=0，α≈0，β≈0，可知对盾构进行相对位置标定时x-x 0≈x 1、y-y 0≈y 1、z-z 0≈z 1，则相对坐标位置误差可以修正为111111111x y z y x z z x y γβγαβα∆=∆+∆⎧⎪∆=-∆-∆⎨⎪∆=-∆+∆⎩从图3中可知，y 1与z 1近似为标靶到盾构轴线得水平与垂直距离，而x 1为切口到标靶所在得盾构横断面距离。

盾构外形为一个长圆筒，x 1要比y 1与z 1大很多。

从式(4)中可知，滚动角误差Δα对相对坐标误差得影响较小，俯仰角误差Δβ与方位角误差Δγ对相对坐标误差得影响较大、 标靶在盾构中得安装位置决定了相对坐标(x 1,y 1,z 1)，标靶安装越远离切口与盾构轴线，相对坐标(x 1,y 1,z 1)越大，标定得误差就越大。