盾构姿态自动测量系统的开发与应用
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关于盾构机实时姿态测量和计算方法的研究 随着社会经济的发展和城市建设的加快，城市规模不断扩大，人口不断增多，交通越来越来拥挤。一些地方的城市建设者为了治理交通拥堵，分散交通压力。不断寻求解决方式，修建地铁成为了一些城市建设者的主要的选择方式。但是在修建地铁的过程中，工程量非常大，施工难度相对较高。在地铁施工过程中，采用盾构技术，与传统的施工技术相比，有着许多优势，逐渐成为地铁修建过程中的主要施工方法。本文将主要分析盾构姿态的测量的原理和方法，探究盾构姿态的测量的精度分析。 盾构机姿态简介 盾构施工过程就像生活中的目标运动，先进行重心平移，然后在运动的过程中偏航，最后进行自身重心的滚动。因此，在盾构施工过程中，需要监测的数据是盾构机位置和姿态的参数。主要是三维坐标和滚动角、偏航角和俯仰角。 盾构机姿态的控制对整个工程施工意义重大，它决定着施工的质量和隧道推进方向的精度。一旦控制不好，容易导致隧道偏差过大和盾尾间隙过小而相碰。 盾构机液压系统 液压系统是盾构机的核心部分，盾构机的工作机构主要是由液压系统驱动完成，对盾构机系统的运行起着很大的作用。盾构机的液压系统主要包括两大系统，一是推进系统，二是主动铰接系统。 2.1.推进系统 盾构机的主要工作系统是推进系统，它主要是通过油缸作用于成型观片，以此来实现盾构前进。推进系统的动力单元是一台80L/min旋转柱塞泵，执行元件是24个油缸，调节和控制部分包括方向的控制、油缸电磁阀的选择、安全阀、节流阀等。盾构机工作时的最大工作压力是35MPa，液压泵最大推进流量是80L/min，推进油缸是240/180-1950（mm）。 2.1.1.推力计算 盾构机共有推进油缸24个，总推力是这24个油缸的推力之和，那么在液压系统的最大推力F最大-24×P×Sn中，P表示油缸的最大压强，S表示活塞面积，因此，F最大-24×35×106Pa ×3.14×0.122㎡≈37981t 2.1.2.推进速度计算 盾构机的最大推进速度就是油缸的最大伸长速度，S-1/T，T-V/S1,在这个公式中，S表示最大推进速度，T表示伸长1mm所需要的时间，V表示伸长1mm需要的油液体积，S1为推进流
盾构施工控制测量
中铁三局西南公司盾构施工作业指导书 盾构施工控制测量 中铁三局西南公司盾构工程段
1.盾构施工控制测量 1.1 目的和适用范围 为了保证盾构机准确定位始发，根据设计蓝图计算出的隧道中心线在规范偏差允许范围内掘进并准确贯通，制定本作业指导书。 本作业指导书适用于采用盾构施工的区间隧道工程。 1.2 工作内容及技术要点 盾构施工测量主要分为四部分：地面控制、联系测量、洞内控制和竣工测量，具体内容及技术要求见表1.2-1。 表1.2-1 盾构施工测量内容及技术要点 1.3 测量前准备工作 1.3.1盾构施工前，项目部应成立专门的测量组织机构，测量人员应具备相应的测量技能等级及执业资格。 1.3.2项目应配置精度满足要求的测量仪器，全站仪测角精度不低于2″，测距精度不低于Ⅱ级（5～10mm）。
1.3.3盾构施工前，应编制测量方案，并按程序经过审查、批准后方可实施。1.4 测量作业 1.4.1 交接桩及复测 1 项目中标后，交接桩资料包括平面控制点坐标及高程以及相应的“点之记”，经业主方代表（或者业主委托的第三方测量（以下简称“业主测量队”）单位代表）、施工承包方代表签字确认后生效，并到各控制桩点现场确认。 2 施工承包方完成接桩后，应及时编写复测方案并组织实施。复测成果上报监理及业主（或业主测量队）审查。如发现有交桩控制点精度不满足要求，应在复测报告中明确申请业主测量队进行复测确认。 3 一条区间隧道交桩控制点应不少于6个，即在隧道两端各有2个以上平面控制点和1个以上水准点。 4 按照精密导线的要求进行控制导线复测，具体要求按照《城市轨道交通工程测量规范》（GB 50308-2008）“3.3精密导线测量”执行。 1.4.2 地面控制点加密 1 加密导线点与交桩控制点宜形成附合导线，附合导线的边数宜少于12个，相邻的短边不宜小于长边的1/2，个别短边的边长不应小于100m。 2 受条件限制，加密导线点与交桩控制点只能形成闭合导线时，应在《城市轨道交通工程测量规范》（GB 50308-2008）要求基础上增加至少一倍的观测频率。 3 加密水准点应设置在施工影响范围之外且比较稳固的地方，至少每半年对加密水准点与交桩水准点进行一次联测。 1.4.3 平面联系测量 1 平面联系测量一般可采用一井定向（如图 1.4.3-1）、两井定向（如图 1.4.3-2），投点方式可采用钢丝或者投点仪。 2 一井定向联系三角形测量具体要求按照《城市轨道交通工程测量规范》（GB 50308-2008）“9.3联系三角形测量”执行。 3 两井定向联系测量 1）在盾构施工时，可以利用车站两个端头井或者是一个端头井和中间的出土口位置进行两井定向。 2）左右线的地下控制边可以同时测量，但应分开计算。
盾构机激光导向测量系统原理研究
盾构机激光导向测量系统原理研究 盾构机激光导向测量系统原理研究 摘要：以我公司在某工程使用的海瑞克S481盾构机为例，介绍该盾构机配套的激光导向测量系统的组成，探讨该激光导向系统的工作过程，从测绘学角度，研究该激光导向系统的工作原理。 关键字：盾构施工盾构机导向测量系统姿态 中图分类号：V556文献标识码： A 引言 目前，盾构法已成为我国隧道施工的一种主要方法，包括地铁隧道，电缆隧道，大的输水隧洞，伴随着激光、计算机及自动控制等技术的发展成熟，激光导向测量系统得到成功运用和发展。我国盾构施工技术自20世纪50、60年代引进以来，在许多领域有了进步和发展，但在激光导向系统方面，尤其是测绘学原理方面研究不深，在一定程度上影响了盾构施工对隧洞中心轴线控制，而且对我国自行研发也不利。 全面理解激光导向系统的测量原理，有助于工程技术人员在盾构施工中解决问题，保证隧道中心轴线和准确贯通。 1、盾构机激光导向系统组成及其作用 激光导向系统是综合运用测绘技术、激光传感技术、计算机应用技术以及机械电子等技术指导盾构施工的独立运行体系，它主要由：（1）激光全站仪（激光发射和接收源、距离和角度量测设备）和黄盒子（信号传输和供电装置，共2个）；（2）激光接收靶（内置光栅和横、竖向测斜仪）和小棱镜；（3）主控室的中继箱、工业电脑（包括安装的软件）、PLC；（4）油缸伸长量测量装置等。海瑞克盾构机激光导向系统核心是VMT测量系统软件。 在整个盾构施工过程中，激光导线测量系统起着非常重要的作用，它比作盾构机的“眼睛”，如下图2-1盾构施工基本过程图所示，盾构机激光导向系统贯穿整个盾构施工过程： 在测量系统工业电脑上动态显示盾构机轴线相对于隧道设计轴
VMT自动导向系统在盾构法施工中的应用
VMT自动导向系统在盾构法施工中的应用 摘要利用自动仿真技术，结合应用广泛的测量仪器，针对盾构法地铁施工，采用无线数据传输功能，方便、快捷地将盾构机掘进姿态以图形和文字的双重效果实时显示在计算机屏幕上，指导盾构机操作手调整盾构掘进参数，可真正实现操作可视化、同步化。 关键词控制测量联系测量导向系统盾构法地铁施工 1引言 盾构法施工工艺目前已经被绝大多数城市轨道交通工程予以采用。本文通过对国内城市轨道交通盾构法施工工艺的研究及成都地铁1、2 号线一期工程的实践，介绍地铁盾构施工中的控制测量、联系测量、盾构机自动导向系统，其中重点介绍海瑞克盾构机配置的VMT 导向系统的应用和研究。 2控制测量 2.1 平面控制测量 2.1.1 平面控制测量概述 地铁施工领域里平面控制网分两级布设，首级为GPS 控制网，二级为精密导线网。施工前建设单位提供一定数量的GPS 点和精密导线点，施工单位根据自身需要在标段范围内加密导线点，以满足在施工过程中测设工作的需要。 2.1.2 地面平面控制测量 在业主交接桩后，施工单位要对所交桩位进行复测，同时在所交桩的基础上加密精密导线点；特别是在始发井附近，一定要保证有足够数量的控制点。 控制测量采用导线边角测量方法进行，测量仪器应符合下列精度要求：角度≧2″，距离≧1.5 mm+2×10-6D/2.4s,人工测量应不低于4 个测回。 2.1.3 地下平面控制测量 洞内导线控制网是隧道掘进的基本框架，洞内施工控制导线一般采用双支导线的形式向前传递，然后将双支导线最前点连接起来，构成复合导线的形式。如果是在满足条件的成型隧道内，应尽量构成三角控制网的形式进行测设。测量精度要求同于地面测量。 洞内控制导线点一般采用在隧道最大跨度附近安装强制对中托架，这样测量起来非常方便，且可以提高对中精度，同时不影响洞内运输。 2.2 高程控制测量 2.2.1 高程控制测量概述 高程控制测量主要包括地面精密水准测量和高程传递测量及洞内精密水准测量，在一般情况下，城市地铁领域里的精密水准测量按城市二等水准测量标准施测。 2.2.2 地面高程控制测量 在业主交桩后，应及时对桩位进行复测，同时在标段范围内加密高程控制点，在始发井附近不得少于 1 个，根据情况也可以用导线点作为高程加密点。 2.2.3 地下高程控制测量 由于成型隧道一般都需要进行水平运输，底部铺设了钢轨，所以在布设洞内高程控制点时一定要确保点位不能突出最低轨面，否则很容易被电动机车破坏；但也不应过低，应避免被隧道底部淤泥掩埋，造成不必要的重测。 2.3 联系测量 2.3.1 联系测量概述
盾构姿态控制
复合地层长距离小半径曲线隧道盾构姿态控制 一、工程概况 大连市地铁二号线西安路站～交通大学站区间，本区间隧道起讫里程为DK16+803.630～CK18+462.893。本区间主要采用盾构法施工，在靠近交通大学站一端采用矿山法。本盾构区间隧道起讫里程为DK16+803.630～DK18+130.000，右线全长1326.370m，区间在DK16+796.63处设盾构始发井，在DK18+135.5处设盾构接收井。 西安路站至交通大学站区间平面线路出西安路站后沿南北向向南，通过半径为300m的曲线转入偏东西方向，再通过半径450m曲线接入黄河路，到达交通大学站。区间纵断布置形式呈“V”字形，最大纵坡为25‰。区间为双线地下隧道，左右线路为上下重叠至区间终点左右线逐渐分离并行。盾构段隧道开挖断面直径为6m，盾构隧道衬砌的管片采用厚300mm，宽1200mm，每环由6片管片拼装而成，拼装方式采用错缝拼装。 图1-1 西安路站至交通大学站区间平面
二、工程重、难点 2.1小半径（300m半径）曲线始发 由于受线路和现场条件限制，盾构机设计在线路为300m小半径曲线段上的竖井始发进洞，保证开挖隧道轴线在规范允许范围内是一项技术难题。 2.2复合地层长距离小半径R300曲线掘进 在硬岩地层或岩土复合地层小半径曲线掘进，对盾构掘进姿态的控制提出极高的要求。主要问题有: （1）风化岩地层基本无压缩性，在风化岩中刀具磨损较快，当边缘滚刀磨损5-8mm后盾构即出现卡盾及转向困难趋势；在曲线外侧超差时盾构需要以更小的转弯半径才能回正； （2）掘进中对盾构姿态控制的要求高，操作者对超差趋势需极其敏感。边缘滚刀的磨损检查及更换频率高。 (3) 推进油缸的推力方向为线路的切线方向，因此对管片有1个向外的分力，导致管片发生偏移，故油缸推力要合理设置 (4) 转弯过程中，盾尾和管片有一定的夹角，导致盾尾密封刷局部防水效果不理想，易发生盾尾漏浆。 (5)盾尾密封刷局部受压容易使盾尾密封损坏，同时管片外边缘易受损，铰接油缸及纠偏强度需合理设置 2.3长距离硬岩段掘进施工 相比上软下硬、砂层推进中可能导致的地面环境灾害，在长距离硬岩段中掘进主要的困难在于盾构穿越硬层时会出现刀具磨损快、掘进效率低下以及管片上浮等问题。硬岩段地层推进时管片脱出盾尾后上浮现象明显，下坡变坡段时尤盛。出现管片上浮的原因在于赋存与岩层中的地下水、壁后注浆浆液以及向工作面注入的改良性液体等汇集到盾尾处，这些带有一定压力的液体会使脱出盾尾的管片悬浮。在此过程中，应根据管片测量成果，对盾构姿态进行预压，保证在管片浮动后，成型隧道轴线与设计轴线偏差保持在规范允许范围内。
盾构机姿态人工测量方案
盾构机姿态人工测量方案 由于ELS靶被送往德国进行例行的检修，大汉盾构区间右线暂时无法使用SLS-T 导向系统，为保证盾构日常掘进的需要，确保盾构机按设计轴线前进，拟采用人工测量的办法测量出盾构机当前的姿态，以指导盾构机的掘进。以下对盾构机姿态的人工测量方案进行说明： §1原理 盾构机在出厂时，开发SLS-T导向系统的VMT公司就根据盾构机的设计与加工尺寸，在盾构机中体的隔板上布置了12～16个测点，所有的测点都在出厂前详细测设了每一个测点与刀盘中心的相对位置。盾构机姿态人工测量就是利用人工直接采用控制导线的测量办法详细测出这些测点中的部分点位的绝对坐标，然后根据测点与刀盘中心的空间关系，反算出刀盘中心坐标，最后根据设计线路参数与刀盘中心的绝对坐标的空间关系推算出盾构机的三维控制姿态。 §2适用范围 2.1盾构机始发姿态测量 盾构机始发姿态便是由人工测量出的盾构机姿态。盾构机始发定位时需精确测定ELS靶相对于盾构机主机的相对位置关系，其方法便是根据人工测量出的盾构机姿态，在SLS-T导向系统的微机中调整ELS靶的位置参数，以改变微机上显示的盾构机姿态，当盾构机上显示的姿态与人工测量出的盾构机姿态一致时，便可认为当前ELS靶的位置参数是正确的，ELS靶始发定位调试顺利完成。 2.2对S L S-T导向系统的复核 在掘进施工中，利用人工测量的办法测量出盾构机当前的姿态，与SLS-T导向系统显示的盾构机姿态进行比较，来复核导向系统的测量成果。 2.3盾构掘进施工测量 利用人工测量出的盾构机姿态可指导盾构机的掘进施工，保证盾构机按设计轴线前进。盾构掘进施工中，人工测量盾构机姿态的测量频率为每环1次。
盾构测量
内容提要：通过广州轨道交通四号线大学城专线隧道盾构掘进的实践，介绍了地铁盾构施工中的控制测量、联系测量、VMT导向系统、盾构姿态人工检测、管环检测的技术和经验，其中VMT导向系统的应用和维护及经验教训是本文介绍的重点。 关键词：平面控制、高程控制、联系测量、导向系统、盾构姿态、管环检测 1控制测量 1.1平面控制测量: 1.1.1平面控制测量概述: 地铁施工领域里平面控制网分两级布设，首级为GPS控制网，二级为精密导线网。施工前业主会提供一定数量的GPS点和精密导线点以满足施工单位的需要。施工单位需要做的是在业主给定的平面控制点上加密地面精密导线点，然后是为了向洞内投点定向而做联系测量，最后是在洞内为了保证隧道的掘进而做施工控制导线测量。不管是地面精密导线还是洞内施工控制导线都是精密导线测量，虽然边长不满足四等导线的要求，但是基本上是采用四等导线的技术要求施测，其中具体技术要求在《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》都有规定。 1.1.2地面平面控制测量： 在业主交接桩后，施工单位要马上对所交桩位进行复测。业主交桩数量有限，不一定能很好地满足施工的需要，所以经常要在业主所交桩的基础上加密精密导线点，以方便施工。特别是在始发井附近，一定要保证有足够数量的控制点，不少于３个。其具体技术要求在《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》都有规定。 1.1.3 洞内平面控制测量 洞内施工控制导线一般采用支导线的形式向里传递。但是支导线没有检核条件，很容易出错，所以最好采用双支导线的形式向前传递。然后在双支导线的前面连接起来，构成附合导线的形式，以便平定测量精度。洞内施工控制导线一般采用在管片最大跨度附近安装牵制对中托架，测量起来非常方便，且可以提高对中精度，还不影响洞内运输。强制对中托架尺寸形状要控制好，以便可以直接安装在管片的螺栓上面，不需要电钻打眼安装。由于盾构施工一般都是双线隧道错开50环左右掘进，如果错开环数很大，后面掘进的盾构机由于推力很大，会对前面另一个洞的导线点产生影响。特别是在左右线间距较小岩层很软时，影响很大，很容易导致测量出大错。还有就是如果在曲线隧道里，管片上的导线点间的边角关系经常受盾构机的推力和地质条件的影响，所以要经常复测。 1.2 高程控制测量： 1.2.1高程控制测量概述：
盾构导向系统横向比较
盾构导向系统横向比较 1、比较的导向系统 SLS-T 盾构导向系统（简称SLS-T ） MTG-T 盾构导向系统（简称MTG-T ） ROBOTEC 盾构导向系统（简称ROBOTEC ） ZED GLOBAL 盾构导向系统（简称ZED GLOBAL ） PPS 盾构导向系统（简称PPS ） RMS-D 盾构导向系统（简称RMS-D ） 2、关键技术 1.1系统原理 1.1.1 激光靶系统 图1激光靶偏航角测量示意图 如图1所示，激光靶的关键技术是精确感应激光束与激光靶轴线间的偏航角度，激光靶集成有精密角度传感器，能精确测定激光靶的转动角及俯仰角。 1.1.2 棱镜系统 图2棱镜技术原 如图2所示，棱镜技术是通过测量安装在盾构机上的两个棱镜及盾构机的转动角，通过数学 激光束 激光靶 偏航角 激光靶轴线
的方法计算盾构的位置姿态。 1.1.3 两种原理的差别 安装 1）、激光靶安装 图3 激光靶安装 激光靶系统在盾构机上仅需安装一个激光靶设备，易于安装、保护和维护。 2）、棱镜安装 图4 棱镜安装 除安装两个开关棱镜外，还需要安装一个角度传感器，共在盾构机上安装三个设备，每个设备需要供电及通讯。 通视状况 1）、激光靶系统
图5 激光靶通视状况 激光靶系统具有较好的通视距离，可很好的应用于狭窄测量通道的盾构机及小型盾构机。2）、棱镜系统 图6 棱镜系统通视状况 棱镜系统易发生棱镜被遮挡的情况，在狭窄测量通道的盾构机上应用受限，不能应用于小型盾构机。 测量精度及稳定性 1）、激光靶系统 方位角：0.25～0.5mm/m； 俯仰角：0.18～0.5mm/m； 转动角：0.18～0.5mm/m； 位置：1mm 测量结果稳定性：稳定。 2）、棱镜系统 方位角：与棱镜之间的距离有关； 俯仰角：0.18～0.5mm/m； 转动角：0.18～0.5mm/m； 测量结果稳定性：与棱镜安装位置有关。
盾构管片拼装和姿态控制的要点
盾构管片拼装和姿态控制的要点盾构管片拼装质量和姿态控制是相互关联，密不不可分的。为保证拼装质量和姿态，我们可以从人、机、物、法、环几个方面进行控制。 1、人的控制首先人是控制工程质量的第一因素，在这里我认为主要是责任心和技能素质。责任心与自身所受的教育，家庭责任感和社会责任感及公司的管理制度有很大的关系。你的用心操作和一丝不苟的作风，将直接影响到拼装质量。所以拼装 负责人和机械操作手要掌握质量标准，以质量求进度，质量不达标准不进行下一环的拼装。 在技能方面，你们公司是第一次在上海做盾构，盾构机又是新购进的，人员也是新配备的，机械性能等方面都需要调试和一个熟悉的过程。这里固然有有利的因素，那就是机械性能先进，自动化程度高。但我们也要看到不利的因素，就是新的人员要驾御这匹性能还不完全熟悉的盾构机。一是需要专家的现场指导，二是在干中学学中干。并要结合实际，积累经验，达到熟练操作的程度。 2、管片拼装 1）、管片拼装的前期准备盾构推进的后座应与后壁密实贴紧，后座的环面应与推进轴线垂直，同时开口段的上半部应设有稳固的后座支撑体系。 盾构在基座导轨上推进时应同步垫实管片脱出盾尾后与导轨之间的空隙，不使管片下沉，垫实材料宜用木楔。 盾构的出洞施工由于后座条件的限制，一般盾构的上部千斤顶在一定期间内不能使用，为此要精心调整盾构正面土体反力以少用或不用底部范围千斤顶，防止盾构上飘以及后座因受力不均而遭破坏。当上飘较大而开口副环又没到位时，要临时在上部加支撑和使用上部千斤顶。. 盾构管片的第一环（包括副环），管片的横向轴线一定要垂直于隧道设计的纵向轴线。这一环致关重要，首次拼装一定要千万注意。 施工人员要加强对前一环管片环面进行质量检查和确认，及时通知地面管片进行调整接缝弹性密封垫厚度的调整。同时本环的第一块管片定位前，应观察管片与盾构四周的空隙情况及上环管片的成果报表来决定本环的纠偏方法和纠偏量，然后确定本环第一块的拼装位置。 送到盾构后续车架内的管片，要按先后顺序——由下而上，待拱底块管片就位
PPS盾构机导向系统简介
PPS盾构机导向系统简介 （1）导向系统是为了最大限度地把控制点位置信息提供给盾构机掘进系统，指导盾构司机进行操作。导向系统自动确定准确的三维空间位置和盾构机的开挖方向，并向司机提供盾构机离设计中心线的偏差。投影路径显示器（选用件）将偏离的盾构机调回设计中心线的最佳路线提供给司机。 （2）盾构机的位置和开挖方向的控制，是通过控制盾构机的至少两个控制位置及倾斜和转动角度来完成的，其控制点为安装在盾构机前部的两块棱镜，其相对于盾构机轴心线和局部坐标系的精确位置在组装盾构机时一次确定下来。 （3）盾构机转动和倾斜的角度是通过安装在盾构机内部的双轴倾斜仪精确测量得出，并进行控制和随时调整。 盾构机导向系统布置图见图12-4《PPS系统布置图》。 盾构机掘进控制机理为：在安装过程中通过人工测定预先确定好坐标的参考点（9）来定向经纬仪（1），并将测量基准资料输入系统电脑（2），再通过固定好位置和方向的机动经纬仪（1）自动测量盾构机里面的两块棱镜，通过标准勘测方法（系统附加功能）确定出经纬仪新的位置，进而得出盾构机姿态。 图12-4 PPS系统布置图 1：机动经纬仪、2：计算机、3：为间隙测量（选用）、4：推进油缸数据传输（选用） 5：倾斜与转动双轴倾斜计、6：安装在盾构机上的棱镜、7：系列数据传输（选用） 8：办公室电脑（选用）、9：远程棱镜、10：无线电子连接
（4）通过已定向的经纬仪测量斜距及水平和垂直角度得出盾构机两块棱镜的地球坐标。由于盾构机局部坐标系中两棱镜的位置在组装盾构机时已确定，而且盾构机转动和倾斜的角度可随时调出，进而盾构机上任意点（如：刀盘中心）在三维空间中的位置都可以计算出来。地球坐标系中的设计中心线是已知的并预先输入系统电脑，因此，盾构机相对中心线水平和垂直方向的偏差以及盾构机方位经过计算模拟以图形方式显示于液晶屏上。根据需要，可计算出投影路径并且将偏离的盾构机调回设计中心线的最佳路线显示出来，计算时需考虑一些参数如最小转弯半径或与预制衬砌管片几何图形有关的参数的影响。 （5）经纬仪上的远程棱镜进行定向经纬仪，能够测出自动联机检测经纬仪固定点移动造成的潜在误差。因为经纬仪通常安装在盾构机后面约25至300m 处刚开挖的可能不稳定的隧道壁上，所以经纬仪移动的可能性很高，盾构机导向系统通过定期测量远程棱镜检查经纬仪固定点的稳定性情况，一旦发生移动随即警示司机。其误差监测频率可根据需要进行调整。
姿态测量方法
盾构机姿态测量实例 德国VMT公司制造的盾构机掘进姿态测量方法。 1，德国VMT公司制造的盾构机。在盾构机主机横向截面上有18个由螺母构成的测量标志点，这些点在盾构机构建之时就已经定位，每个点相对于盾构机的轴线有一定的几何关系，并在由盾构机轴线构成的坐标系中有坐标数据。盾构机轴线坐标数据如下图：
2 测量标志点 对于德国VMT公司制造的盾构机上有18个点，单只要测出其中任意3个点（最好取左中右3个点）的实际三维坐标，就可以计算出盾构机的姿态，在进行测量时，当盾首中心为坐标原点，其三维坐标为（0，0，0）盾首与盾尾的距离为4.34m，盾尾中心的三维坐标为（—4.34，0，0）。同样在该坐标系中，从表中可以查出3，8，15三个点的三维坐标分别为（X1，Y1，Z1），（X2,Y2,Z2）,(X3，Y3，Z3,) .由此可以列出利用该三个点计算盾首中心的三维坐标 （X首，Y首，Z首）和盾尾中心三维坐标（X尾Y尾Z尾）的两组三元二次方程组的数学表达方式。 计算盾首中心三维坐标数学方程组为： （X1?X首）2 +（Y1?Y首）2+（Z1?Z首）2 =（?3.9567）2+（?1.9917）2+（1.6565）2 （X2?X首）2 +（Y2?Y首）2+（Z2?Z首）2 =（?3.9701）2+（?0.3638）2+（2.8150）2
（X3?X首）2 +（Y3?Y首）2+（Z3?Z首）2 =（?3.9560）2+（2.3056）2+（1.1695）2计算盾尾中心三维坐标数学方程组为： （X1?X尾）2 +（Y1?Y尾）2+（Z1?Z尾）2 =（?3.9567+4.34）2+（?1.9917）2+（1.6565）2 （X2?X尾）2 +（Y2?Y尾）2+（Z2?Z尾）2 =（?3.9701+4.34）2+（?0.3638）2+（2.8150）2 （X3?X尾）2 +（Y3?Y尾）2+（Z3?Z尾）2 =（?3.9560+4.34）2+（2.3056）2+（1.1695）2 上述3.8.15三个点是在以盾构机轴线构成的坐标系中，盾首中心为坐标原点（0，0，0）盾尾为（-34.4，0，0）的条件下的坐标系。当盾构掘进过程中实测出该三个点的某一里程的大地坐标非别为 X1=45336.775，X2=45336.610，X3=45336.461 Y1=29534.236，Y2=29535.846，Y3=29538.525 Z1=-1.434 Z2=-0.236 Z3=-1.885 把以上数据代入第一组方程组，可解算出盾首中心在某一里程的大地三维坐标： X首=45340.608，Y首=29536.538，Z首=-2.975 在该里程上盾首中心的设计大地三维坐标为： X首=45340.610，Y首=29536.520，Z首=-2.945 由此得到三维坐标较差： △X=-2mm，△Y=18mm, △Z=-30mm 则可计算出盾首中心左右上下偏差，其分别为：
盾构姿态实时监控原理与方法
盾构姿态实时监控原理与方法 摘要:本文着重介绍盾构姿态自动监测与控制的原理与方法，并对系统软、硬件组成及运行界面进行简略说明。 关键词：盾构姿态自动监控 1引言 盾构姿态的良好保持是盾构法施工的重要控制目标，它直接关系到隧道质量与施工成败，如何实现高水平的盾构姿态实时监控一直是盾构施工人员关心的工程难题，盾构姿态实时监控技术的重要性不言而喻。 完整的盾构姿态实时监控系统包括盾构姿态偏差自动监测和自动控制两方面内容。国内使用的盾构姿态监测系统多为国外产品，主要有德国VMT公司的SLS-T系统、英国的ZED系统和日本TOKIMEC的TMG-32B（陀螺仪）系统等，许多地方还在使用人工测量；国内使用的盾构姿态控制系统大多取之于国外盾构生产厂家成套盾构产品中提供的控制功能(注：目前国内也有较成熟的盾构引导控制系统，如我公司使用的上海米度与上海力信两家公司研制生产盾构导向、顶管导向系统、隧道精灵软件等均已较成熟，本人现在使用中，欢迎探讨交流)。由于盾构控制系统富含PLC可编程控制器控制代码及上位控制计算机控制程序，又与具体的控制器件和动力设备的关系极为密切，因而具有一定的技术含量和非标准性。 国外有全自动盾构的研究，但少有成功应用的实例。在科学技术突飞猛进的今天，研究先进、自主的盾构姿态实时监控技术，建立盾构姿态实时监控理论、方法，对改善盾构施工水平有着深刻的现实意义。介绍盾构姿态自动监测与控制的原理与方法。 2盾构姿态监测系统原理 根据公路、轨道交通设计规范，公路、轨道交通的设计路线由平曲线和竖曲线组成，平曲线一般包括直线、缓曲线、圆曲线三种，竖曲线一般包括直线、圆曲线（凸曲线、凹曲线）两种。盾构根据公路、地铁隧道设计路线向前推进，盾
日本演算工坊(ENZAN)自动导向系统概述
日本演算工坊（ENZAN）自动导向系统浅析 崔广宇 （中铁九局集团有限公司沈阳地铁项目部，沈阳110013 ） 摘要：结合沈阳地铁一号线第五标段两个盾构区间、沈阳地铁二号线第十六标一个区间隧道掘进的测量实践，对日本演算工坊（ENZAN）自动导向系统进行了研究，阐述了自动导向系统姿态定位测量的原理和方法，以及自动导向系统调试方法和换站步骤。 关键词：地铁；盾构；自动导向系统 1前言 随着科学技术的发展，激光导向技术已经广泛应用于隧道掘进施工中。其原理就是利用具有良好直线性光束的激光投射到盾构里，通过数据计算使盾构操作人员及时了解盾构的偏离、偏转情况，并随时纠正掘进方向，保证隧道施工的质量，提高隧道施工进度。 本文主要以沈阳地铁一号线重工街～启工街区间、启工街～保工街区间、沈阳地铁二号线下深沟～上深沟区间隧道掘进的测量项目为背景，阐述了演算工坊（ENZAN）自动导向系统定位测量的功能、原理、调试方法及换站步骤。 2自动导向系统的主要作用 盾构在掘进中由于地层阻力、刀盘掘削反力及推力千斤顶作用力不均等原因，使盾构偏离设计轴线。自动导向系统主要有以下作用： （1）可以通过隧道设计的几何元素计算出隧道的理论轴线。 （2）通过测倾仪器测量盾构的俯仰角和滚动角并予以显示。 （3）在显示器上实时以图形直观显示盾构轴线相对于隧道设计轴线的偏差，便于盾构操作人员根据偏差随时调整盾构掘进的姿态，使盾构轴线逼近隧道设计轴线。 （4）通过调制解调器和电话线与地面监控室电脑建立网络联系，将盾构掘进数据传输到监控室，便于工程管理人员实时监控盾构的掘进情况，查阅各环的掘进资料、测量资料及其他资料。 3演算工坊（ENZAN）自动导向系统的基本原理 演算工坊（ENZAN）自动导向系统通过全站仪测量设置在盾构中盾上方固定位置上的三个目标棱镜的绝对坐标（一般设置三个，其中一个备用），根据预先测定棱镜与盾构机切口和盾尾的相对位置关系以及盾构的俯仰角、滚动角推算出切口和盾尾的绝对坐标。然后将切口和盾尾的绝对坐标与设计轴线相比较得出盾构的偏离情况，即平面偏差和高程偏差。根据系统显示的轴线偏差和偏差趋势，以隧道设计轴线为目标，把偏差控制在设计要求范围内，从而达到通过控制盾构姿态来指导隧道掘进的目的。 盾构导向系统原理示意图
盾构施工人工测量与自动测量技术探讨
盾构施工人工测量与自动测量技术探讨 发表时间：2018-09-17T09:47:03.810Z 来源：《基层建设》2018年第20期作者：王强1 毛俊涛2 [导读] 摘要：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4个阶段。 1浙江省大成建设集团有限公司 310012；2杭州市地铁集团有限责任公司运营分公司 310014 摘要：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4个阶段。 关键词：盾构施工；人工测量；自动测量技术 盾构法具有施工速度快、机械化程度高、人员配备少、不影响地面交通等优点，所以在地铁区间施工中得到广泛应用。盾构施工测量是盾构施工中最重要的环节之一。 1工程概况 上海市轨道交通12号线顾戴路站～东兰路站区间：区间出顾戴路站端头井后下穿顾戴路北侧规划公园，自顾戴路折向万源路，然后沿万源路下向北进行，下穿万源路地块后，线路左、右线分离，分别从东西侧绕僻万源路桥桩基，下穿漕河泾港。过东兰路后进入东兰路站。本段区间较长，里程范围为SK+411.527～SK5+080.520，长度为1668.993。上行线有5段曲线，曲线半径依次为370m、1200m、650m、 1000m、1000m。线路纵断面最小坡度2‰，最大坡度25‰。隧道覆土最小为10.0m，最大为22.2m。本区间为双线单圆盾构区间，在最低点设置旁通道（兼排水泵站）1座。 2盾构掘进测量 2.1人工测量 （1）盾构测量标志的安装及测定测量标志由前靶、后靶、横向坡度、纵向坡度组成，具体实物为前后测量徕卡反射贴片和坡度板（纵向和横向坡度都可测），进行安装时，先测量出盾构的轴线，并把贴片和坡度板固定在盾构中心线上，前标后标应具有足够的长度，前靶距切口越近越好。测量出前靶、后靶到盾构中心线的距离以及前靶到切口的距离、后靶到盾尾距离，以确定前后靶与切口盾尾坐标归算的几何关系。为确保整个施工期间不被破坏，设置保护记号，此项工作应有原始记录和校核记录，以免盾构标志数据中存在系统误差。初次测量时，用仪器照准前、后占牌各测量一个测回，再根据坡度板的数值确定盾构的初始姿态，方便盾构始发及时纠正。（2）人工测量的相关计算确定好前后靶与切口盾尾坐标归算的几何关系后，编制相关计算器程序，人工测量主要测设前标水平角，后标水平角，前标垂直角，后标垂直角，坡度和转角。人工测量仪器为经纬仪和坡度板。测设完相关数据后进行计算。①盾构计算：坡度W和转角U在坡度板上直接读出；设W=2.546m为前标至盾构中心轴线的距离，Z=2.391为后标至盾构中心轴线的距离；G、H为经纬仪所在测站X、Y坐标，L为测站到后标方位角，Ｒ为经纬仪棱镜高程；I=1.2×T－x：I为经纬仪所在测站到前标的平距，T为当前环号，根据所测当前环号，反算得x，x是测站到第一环的距离。每次转站都要更新。N=1.2×T－y：N为经纬仪所在测站到后标的平距，原理同上；K=测站里程+I+5.308：K为切口里程，5.308是前标到切口的距离。测站的里程，是从第一个测站开始累加起来，每次加上新测站到上一测站的平距；E=X－arcsin （（sinU×Z）÷N）+L－180：X为后标水平角，E为修正过的测站到后标的水平方位角；F=Y－arcsin（（sinU×W）÷I）+L－180：Y为前标水平角，F为修正过的测站到前标的水平角；A=G+I×cosF：B=H+I×sinF：C=G+N×cosE：D=H+N×sinE；"QKZ"=Ｒ+I×cosQ+（1－cosU）×W－W+5.3082"DWZ"=Ｒ+I×cosQ+（1－cosU）×W－W－3.8252Q为前标垂直角；POL（C－A，D－B）： E=J+180"QKX"=A+5.308×cosE"QKY"=B+5.308×cosE"DWX"=C+1.326×cosE"DWY"=D+1.326×cosE得出三维坐标与设计轴线比较即可得出偏差。②管片姿态测量管片姿态=盾构轴线上管片拼装位置的偏离值计算+管片偏离盾构轴线计算的叠加。A、B、C、D分别为管片拼装完成后上右下左与盾壳之间间隙；E、O为切口平偏和高偏，G、Q为盾尾平偏和高偏；K=测站里程+I+5.308－6.73；K为管片里程，6.73为切口至当前环拼装好的管片的距离；"SPZJ"=5550－A－C；为水平直径"CZZJ"=5550－B－D；为垂直直径"GPC"=（L－S） ÷L×G+S÷L×E+（C－A）÷2000"GGC"=S÷L×O+（L－S）÷L×Q+（B－D）÷2000L为盾构长度，S为管片前端至盾尾的距离。 2.2自动测量 为了做到对盾构机姿态的实时控制，盾构机掘进中采用盾构姿态自动监测系统。该系统是盾构机自动导向测量系统，采用ＲOBOTEC 隧道导向系统，具有国际先进水平，适用于隧道工程施工控制的自动测量系统。采用该系统能够确保实时、准确地控制隧道掘进，保证贯通的精度。（1）自动测量导向系统本自动测量系统安装了3个棱镜，前靶一个，后靶两个（只用一个，一个备用），安装测定与人工测量相同。在盾构始发前，对整条隧道每一米的三维坐标计算出来，输入自动测量系统，方便实测数据与其对比计算偏差。（2）自动测量盾构姿态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及盾尾的中心坐标，只能用间接法来推算出中心的坐标。A点是盾构机刀盘中心，E点是盾构机盾尾断面中心点，即AE连线为盾构机的中心轴线，布置三个自动棱镜B、C、D。由A、B、C、D、四点构成一个四面体，在盾构始发前测量出B、C、D三个角点的三维坐标（xi，yi，zi）和刀盘盾尾中心的三维坐标，建立几何关系。根据三个点的三维坐标（xi，yi，zi）分别计算出LAB，LAC，LAD，LBC，LBD，LCD，四面体中的6条边长，作为以后计算的初始值，在盾构机掘进过程中Li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。 3两套测量控制技术的比较 两套测量系统、相互校核，不断修正，主要相互验证测量数据计算的准确性和测量仪器的误差。通过比较两者最大相差在2厘米左右，在规定的容许范围之内。依据自动测量系统提供的数据进行推进，管片脱出盾尾后对管环进行复测，可发现偏差基本都在5cm之内，所以本工程大部分数据依据自动测量系统，节省大量劳动力。 4总结 上海市轨道交通12号线顾戴路站～东兰路站区间区间长度为1668.993m，是一般隧道的2倍左右，且曲线多、部分曲线急且长，导致导线边数多且部分导线长度较短，而这些导线又不能闭合，直接导致盾构贯通误差的增大。在半径为350m的小曲线推进时，由于隧道曲率大，前方可视距离短，导致自动与人工测量移站频繁。在本工程中，在Ｒ=350m的圆曲线隧道上，平均要20环（24m）换站一次。每次换站
地铁盾构施工人工测量方法探讨
地铁盾构施工人工测量方法探讨 摘要：本文结合合肥地铁项目，讲述了地面控制测量、联系测量盾构机人工测量和管片测量 关键词：地铁；盾构；人工测量 盾构法具有施工速度快、机械化程度高、人员配备少、不影响地面交通等优点，所以在地铁区间施工中得到广泛应用。盾构施工测量是盾构施工中最重要的环节之一。现以合肥市地铁一号线9标南宁路站～贵阳路站盾构区间（以下简称南贵区间）介绍盾构施工人工测量方法。 一、控制测量 1、地面控制测量 地面控制测量分为地面平面控制测量和地面高程控制测量，本工程控制点是合肥轨道公司提供的覆盖线路的整体控制网。 2、联系测量 首先测设近井点。根据地面控制点在贵阳路站区间布设两个近井点，形成闭合导线，导线变数4条。高程按照二等水准进行加密。通过近井点用两井定向把控制点加密到贵阳路站底板。 为提高精度，盾构始发点采用强制对中装置（如图1所
示）。高程传递采用吊钢尺的方法。 从始发到接收共做了三次联系测量，三次测量方位角差值不到1″（表1所示）。 3、洞内导线测量 本工程隧道长度582米，则隧道导线加密采用支导线往返测的方法进行。 二、盾构机始发前测量 1、在盾构机始发前利用联系测量控制点，满足盾构机组装、反力架、轨道安装的需要。其三维坐标值测设值与设计值较差小于3毫米。 2、盾构机姿态测量。在盾构始发前测设盾构机初始位置和盾构机姿态。盾构机自身导向系统成果必须和人工测量结果一致。本工程使用的是力信RMS-D导向系统。盾构初始姿态我们利用特征点发和分中发分别独立测量了，两次结果一致。盾构初始姿态测量，是盾构测量独有的测量。 三、盾构管片测量 盾构机在推进过程中，利用力信RMS-D导向系统，控制盾构机本身姿态。但是管片测量也不可忽视。可以利用管片测量结果观察隧道推进情况。做到多重复合。人工测量管片使用的是标尺法（如图2所示），测设出反射片的三维坐标，根据隧道半径算出隧道中心。 现已310环隧道导向系统测量姿态和人工测量管片姿态
关于盾构机实时姿态测量和计算方法的研究
编订：__________________ 审核：__________________ 单位：__________________ 关于盾构机实时姿态测量和计算方法的研究Deploy The Objectives, Requirements And Methods To Make The Personnel In The Organization Operate According To The Established Standards And Reach The Expected Level. Word格式 / 完整 / 可编辑
文件编号：KG-AO-5971-19 关于盾构机实时姿态测量和计算方 法的研究 使用备注：本文档可用在日常工作场景，通过对目的、要求、方式、方法、进度等进行具体的部署，从而使得组织内人员按照既定标准、规范的要求进行操作，使日常工作或活动达到预期的水平。下载后就可自由编辑。 随着社会经济的发展和城市建设的加快，城市规模不断扩大，人口不断增多，交通越来越来拥挤。一些地方的城市建设者为了治理交通拥堵，分散交通压力。不断寻求解决方式，修建地铁成为了一些城市建设者的主要的选择方式。但是在修建地铁的过程中，工程量非常大，施工难度相对较高。在地铁施工过程中，采用盾构技术，与传统的施工技术相比，有着许多优势，逐渐成为地铁修建过程中的主要施工方法。本文将主要分析盾构姿态的测量的原理和方法，探究盾构姿态的测量的精度分析。 盾构机姿态简介 盾构施工过程就像生活中的目标运动，先进行重心平移，然后在运动的过程中偏航，最后进行自身重
心的滚动。因此，在盾构施工过程中，需要监测的数据是盾构机位置和姿态的参数。主要是三维坐标和滚动角、偏航角和俯仰角。 盾构机姿态的控制对整个工程施工意义重大，它决定着施工的质量和隧道推进方向的精度。一旦控制不好，容易导致隧道偏差过大和盾尾间隙过小而相碰。 盾构机液压系统 液压系统是盾构机的核心部分，盾构机的工作机构主要是由液压系统驱动完成，对盾构机系统的运行起着很大的作用。盾构机的液压系统主要包括两大系统，一是推进系统，二是主动铰接系统。 2.1.推进系统 盾构机的主要工作系统是推进系统，它主要是通过油缸作用于成型观片，以此来实现盾构前进。推进系统的动力单元是一台80L/min旋转柱塞泵，执行元件是24个油缸，调节和控制部分包括方向的控制、油缸电磁阀的选择、安全阀、节流阀等。盾构机工作时的最大工作压力是35MPa，液压泵最大推进流量是
学习盾构机始发时的测量姿态
操作系统学习 主要任务：继续将管片姿态测完，学习操作系统，以及学习盾构机始发时的测量姿态。 建立人工导向的意义 所有盾构(TBM)都必须建立人工导向系统，做为机器自身导向系统的检查和备份系统。 一、搬站 （1）根据设计专门的搬站记录表，包括全站仪托架和后视棱镜托架编号、坐标和高程（搬站前后）、机器姿态数据（搬站前后）、搬站前后各项姿态数据较差的限差等数据。 （2）搬站前，应提前做好准备工作。 （3）首先关闭导向系统前，应保证其在正常工作状态，记录下
搬站前机器姿态并截屏保存； （4）从关闭导向系统到搬站结束后再开机，直到导向系统工作正常的过程中，盾构（TBM）位置不能变化、刀盘不能转动、不可进行调向操作、更不可盲推。 （5）搬站时，可以利用已有的全站仪托架向前传递坐标、高程，但只能一次；下一次搬站就应从地面控制点用导线测量托架和后视棱镜坐标。 （6）利用已有的托架传递时，可按导向系统搬站程序（自动测量）进行，也可用导线方式测量； （7）搬站结束，导向系统开机正常工作后，再次记录搬站后的机器姿态并截屏保存。 （8）对比搬站前后机器姿态数据，如果各项偏差小于限差，则说明搬站成果合格。否则应查找原因，必要时重测。 二：操作系统主要学习了全站仪搬站后在操作室仪器上的数据输入。
（1）关于搬站首要要做的是在拱顶处选择一合理的位置，装上事先准备好的用来放一起的架子。将棱镜放 在上面。然后将用全站仪测出棱镜的坐标以及高程。 （2）将测出来的坐标在导向系统上输入作为新的站点坐标。将以前旧的的站点坐标勾选为新的后视坐标。 （3）操作系统将提醒你变换前视和站点，然后人工将其位置变换。 （4）位置变换好后，在操作仪器上点击后视点复位，全站仪将自动测量后视点坐标以核实。核实完毕后点 击后视点确认。搬站工作完毕。 二：盾构始发姿态测量。 盾构姿态测量成果是盾构施工的一项重要依据，值班工程师、盾