盾构人工姿态测量及测量精度研究20090416

基于前后标尺法的盾构姿态测量及精度研究

王维1，2 高俊强1

1）南京工业大学土木工程学院，江苏南京210009

2）同济大学测量与国土信息工程系，上海200092

【摘要】前后尺法是人工导向测量的传统方法，它的原理简单，容易操作，目前仍然是一种广泛使用姿态测量方法。文中详细讨论了前后尺法的测量原理和盾构姿态计算方法，并以导出的理论公式分析旋转角、平面偏差与高程偏差的测量精度，同时结合工程实践分析了姿态测量的最低精度，即盾构姿态平面精度约±10 mm，高程精度约±15 mm。上述结论对指导盾构推进和盾构姿态测量有重要的实际意义。

【关键词】盾构隧道，姿态测量，人工导向，前后尺法

Research on Shield Attitude Determination and Accuracy Based on Pre and Post Scale Method

WANG Wei1，2 GAO Jun-qiang1

1）College of Civil Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China;

2）Department of Surveying and Geo-informatics, Tongji University, Shanghai, 200092 【Abstract】Pre and post scale method is a traditional method of manual orientation measurement. Because of its convenience, it is still widely used to determine the attitude of the shield machine. The article discusses measuring principle of pre and post scale method and calculation method of attitude determination in detail, also discusses measuring accuracy of rotation angle, plane deviation and elevation deviation, then gives a theoretical formula. It analyses possible lowest accuracy combined with engineering practice, that is ±10 mm plane accuracy and ±15 mm elevation accuracy. The result is practical significance in shield attitude determination.

【Key words】shield tunnel, attitude determination, manual orientation, pre and post scale method 1.引言

前后尺法是人工测量盾构姿态的传统方法，它原理简单、操作简便，目前仍被施工单位广泛采用。在盾构始发前测量盾构机始发姿态，包括旋转角、坡度角，同时根据测量控制点测出盾尾、盾首中心（预先采用几何方法定出中心）以及前后水平尺中心平面坐标，利用井下水准点测量盾首、盾尾及标尺高程，通过坐标转换，得到前后标尺在盾构局部坐标系中的坐标[1,2]。

2.前后尺法测量原理

2.1前后尺

在盾构机内壁顶部中心轴线上，固定一根水平前尺和水平后尺（图1、2），测定中心坐标，并根据盾尾和盾首坐标计算出距盾尾2.051 m、距盾首2.572m，再分别计算出在盾构

王维，女（1982-），在读博士，南京工业大学土木工程学院，主要研究方向：精密工程测量，GPS精密定轨E-Mail：wangwei_nj@ 江苏省测绘局科研项目，项目号：JSCHKY200808

机左侧的前后竖尺中心点O 距盾构轴线距离2.712 m 、2.685 m 和前后坡度。

图1 水平尺在盾构机上的位置 图2 竖尺在盾构机上的位置

Fig.1 The Position of Level Bar in Shield Fig.2 The Position of Vertical Bar in Shield

2.2坡度板

图3中，设计垂球悬挂长度l 为1.146 m ，这时在坡度板上1°所对应的长度为：

0.201tan 11461tan =⋅=⋅= l d mm

这样可以保证坡度板上每大格是20 mm ，每小格是2 mm ，分别代表1°和6'，实际测量时可估读到每小格的0.1，即63''。旋转角方向：按推进方向，逆时针旋转（左旋）θ为“－”值，顺时针旋转（右旋）θ为“+”值。理论上读数误差为分划值的-1/4～+1/4，当分划值为1 mm 时，读数误差为-0.25～0.25 mm ，实际上由于坡度板平面放置，而垂球是悬挂的，这样读数时的精度就较难保证。此外，垂球尖一般有1 mm 的大小，因此根据施工经验读数误差约为±1 mm ，则读数中误差为：

⎰=-=-=∆∆=0.103223333.0)00.1(0

.31000.11][dx x n m a mm 58.0±=a m

旋转角的计算式为：

)/arctan(l a =θ （1）

式中，a 为坡度板读数，l 为悬挂长度。

考虑到旋转角θ为小角，因此上式可简化为：

ρθl a ≈

（2）

则旋转角的测量精度为： 01258.0*1000

206265''±≈==a m l m ρ

θ

悬挂点

R

A

B

+2

+4

-4

-2

-2

-4

图3 坡度板示意图图4 U形管示意图Fig.3 The Sketch of Slope Plate Fig.4 The Sketch of U Pipe

2.3 U形管

U形管一般沿盾构机内壁安装，常常把它安装在不容易碰到的内壁沟槽中，然后灌上液体（通常用水）。在U形管两端水平线位置设置标尺（在一端设置也可），在盾构推进中发生旋转时，只要在标尺上读数即可计算出盾构旋转量。

U形管横断面直径一般0.01～0.02 m，管的形状半径R一般与盾构机内径一致，通常为5.6～5.7 m，两端标尺最小刻度为1 mm。当施工中在A端（图4）读数差是L

∆=+3 mm的时候，实际ϕ角应该为两次测量的角度差（第一次是初始定位，第二次为施工中的测量），由此可以计算出旋转角ϕ为：

ρ

ϕ''

∆

=

R

L

2

（3）根据施工经验，L的读数精度为m m

5.0

±

=

L

m，半径R的量测精度为m m

5±

=

R

m。则旋转角中误差为：

2

2

4

2

2

2

4

)

2

(

R

L

m

R

L

m

R

mρ

ρ

ϕ

+

=

∆

（4）一般盾构机的旋转角约在±2°之间，因此L一般在±200 mm的范围内。不妨设mm

200

=

L，mm

2700

=

R，mm

71

.0

2±

=

=

∆L

L

m

m，m m

5±

=

R

m，从而盾构机旋转角的测量精度应该为：6.

30''

±

=

ϕ

m。由于施工中容易损坏U型管，此法已不常使用。

3.盾首盾尾偏差计算

3.1前后尺偏差量计算

盾构姿态测量时，一般用DJ2级电子经纬仪测量前后横尺水平角和前后竖尺垂直角1个测回，吊篮距盾构机前后尺一般不超过100 m，其距离可根据管片宽度及拼装环累加得到（或按设计的坐标数据反算得到）。