地铁盾构施工测量技术

地铁盾构施工测量技术

在进行盾构机组装时，VMT公司的测量工程师就已经在盾体上布置了盾构姿态测量的参考点(共21个)，如图9。并精确测定了各参考点在TBM坐标系中的三维坐标。我们在进行盾构姿态的人工检测时，可以直接利用VMT公司提供的相关数据来进行计算。其中盾体前参考点及后参考点是虚拟的，实际是不存在的):

图9 S267盾构机参考点的布置

盾构姿态人工检测的测站位置选在盾构机第一节台车的连接桥上,此处通视条件非常理想,而且很好架设全站仪。只要在连接桥上的中部焊上一个全站仪的连接螺栓就可以了。测量时，应根据现场条件尽量使所选参考点之间连线距离大一些，以保证计算时的精度，最好保证左、中、右各测量一两个点，这样就可以提高测量计算的精度。例如在我们在选择S267盾构机的参考点时，即是选择的1、10、21三点作为盾构姿态人工检测的参考点。

3.3 盾构姿态的计算

3.3.1盾构姿态的计算原理

盾构机作为一个近似的圆柱体，在开挖掘进过程中我们不能直接测量其刀盘的中心坐标，只能用间接法来推算出刀盘中心的坐标。

图10盾构姿态计算原理图

如图A 点是盾构机刀盘中心，E 是盾构机中体断面的中心点，即AE 连线为盾构机的中心轴线，由A 、B 、C 、D 、四点构成一个四面体，测量出B 、C 、D 三个角点的三维坐标（x i ,y i , z i ）,根据三个点的三维坐标（x i , y i , z i ）分别计算出L AB , L AC , L AD , L BC , L BD ,L CD , 四面体中的六条边长，作为以后计算的初始值，在盾构机

掘进过程中L i 是不变的常量，通过对B 、C 、D 三点的三维坐标测量来计算出A

点的三维坐标。同理，B 、C 、D 、E 四点也构成一个四面体，相应地求得E 点的三维坐标。由A 、E 两点的三维坐标就能计算出盾构机刀盘中心的水平偏航，垂直偏航，由B 、C 、D 三点的三维坐标就能确定盾构机的仰俯角和滚动角，从而达到检测盾构机姿态的目的。

3.3.2通过AutoCAD 作图求解盾构姿态

通过几何解算盾构姿态方法的缺点是在内业计算时，如果用人工手算，其工作量相当大，而且难免出错，因此我们在进行解算时，是利用AutoCAD 进行作图求解，相对于用几何方法解算，速度要快很多。其操作过程如下：

首先是把隧道中心线（三维坐标）通过建立CAD 脚本文件输入CAD 中，这个工作一个工地只要做一次。然后是把所测参考点1、10、21的坐标（三维）输入到CAD 里面。分别以1、10、21为球心，以1、10、21到前点的距离为半径画球，求三个球的交集。用鼠标左键点击交集后的体，就可以找到两个端点，这两个端点到1、10、21的距离就分别等于1、10、21到前点的距离。然后根据盾构掘进的方向，舍去其中一个点。同样方法把后点在CAD 里画出来。由于后点通过求交集的方法求出的两个端点距离很近，通过盾构机的掘进方向很南判断，于是通过前点到后点的距离是3.9491米来判断。画出前后点的位置后，通过前后点向隧道中线做垂线，通过测量垂线在水平和垂直方向上偏离值来求解盾构机前后点的姿态。盾构机的坡度=（为盾体前后参考点连线长度）。根据测量平差理论可知，实际测量时，需要观测至少4个点位以上，观测的参考点越多，多余观测就越多，因此计算的精度就越高。比较VMT 导向系统测得的盾构姿态值和人工检测的盾构姿态值，其精度基本上能达到±5mm 之内。

图11盾构姿态CAD计算示意图

4.管环检测

4.1管环测量概述

由于在盾构掘进过程中，刚拼装的管环还没有来得及注入双液浆加固，因此还不稳定，经常发生管环位移现象。有时位移量很大，特别是上浮，位移量大常常引起管环限界超限。因为地铁施工中规定，拼装好的管环允许最大限界值是±10㎝。为了防止管环的侵限，我们首先是提高控制测量的精度外，其次是提高导线系统的精度，最后就是通过每天的管环测量，实测出管环的位移趋势，采取措施尽量减小位移量。当然，管环测量还起到复核导向系统的作用。

4.2管环测量方法

根据管环的内径是2.7米, 采用铝合金制作一铝合金尺,铝合金尺长3.8米（可根据实际情况调整长度）。在铝合金尺正中央，贴上一个反射贴片。根据管环、铝合金尺、反射贴片的尺寸，就可以计算出实际上的管环中心与铝合金尺上反射贴片中心的高差。测量时，首先用水平尺把铝合金尺精确整平，然后用全站仪测量出铝合金尺上反射贴片中心的三维坐标，就可以推算出实际的管环中心的三维坐标。每次管环测量时，应重叠5环已经稳定了的管环，这样就可以消除测错的可能。

图12.管环测量示意图

图13管环中心标高推算示意图

4.3管环姿态计算

管环测量时，把管环检测外业数据直接存储在全站仪的内存里。回到办公室后，通过徕卡测量办公室软件(Leica Survey –Office),将全站仪里面的管环测量外业数据下载，然后将其复制到EXCLE表格中编辑成CAD认识的三维坐标，然后将三维坐标数据复制到记事本程序里面保存，文件的后缀名必须是.SCR，如“管环检测外业数据.SCR”。这样就把管环检测的外业数据编辑成了CAD的画点脚本文件。通过CAD的脚本功能，就很方便快节地在CAD里面把点画出来。

打开AutoCAD，在模型状态下（一定要关闭“对象捕捉”命令），打开菜单栏的“工具（T）”选项，在下拉子菜单中选择“运行脚本（R…）”，或者在命令行中输入“.SCR”，两种方式都是运行脚本，AutoCAD便查找脚本文件。操作者找

到要调用的脚本文件“管环检测外业数据.SCR” 后，直接打开它。AutoCAD 便自动把点画出来了。如下图14。

图14 管环姿态计算示意图

点位画出来后，就可以在CAD里通过查询命令直接量出管环的水平和垂直姿态了。通过以上管环的测量和计算方法，解决了管环检测数据量大，计算难，测量时间长的问题。大大提高管环检测的效率和准确度。

5. 结束语

由于盾构机的VMT导向系统必须有控制测量的支持才能运作，所以控制测量还是盾构隧道测量的基础。为了保证隧道的顺利贯通，我们首先要做好控制测量，然后就是保证导向系统的正常运行，定期对盾构姿态进行人工检测，保证导向系统的正确可靠。加强管环姿态检测，及时发现管环的位移趋势，防止管环安装侵限。加强管环姿态的检测同时也是对导向系统的复核。由于笔者才疏学浅，文中难免有不周全之处，恳请各位提出批评与建议。