浅谈小半径盾构姿态人工辅助测量方法

浅谈小半径盾构姿态人工辅助测量方法

摘要】目前我国各大中城市地铁修建工程正逐渐增多，并且地铁盾构技术越来

越受到青睐，而在地铁盾构施工中，小半径盾构施工一直是其中难点。本文主要

介绍了如何利用作为自动测量方法检核的人工测量的方法来保证在小半径曲线段

盾构姿态符合设计要求。首先就直线段和小半径曲线段盾构姿态控制的难点做了

简要论述。然后介绍了描述盾构位姿的五个参数（三个位姿角以及盾首盾尾中心

坐标）并对其分别作了解释，之后重点对人工测量的两种方法（前后标尺法、三

点法）做了详细论述，并且对比分析了两种计算方法的优劣。最后，就上述内容

以及人工测量方法应当注意的方面作了总结。

关键词：地铁、小半径曲线、盾构姿态、人工测量

引言:

随着我国现代化进程的加快，地面交通压力也逐渐增大，越来越多的大中城

市选择建设地铁来缓解交通压力，盾构技术由于其自动化程度高、施工速度快、

节约人力、一次成洞、不受地面气候条件制约、开挖时可控制地面沉降、减少对

地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通正常运行的优点而受到青睐。

1.概述

1.1小半径曲线盾构姿态测量工作的难点

盾构技术是指使用盾构机按照设计线路在地下进行隧道开挖作业。在盾构机

推进过程中，保证盾构机掘进的线路跟设计的线路符合是十分重要的一个方面，

这需要不停地调整盾构机的姿态。并且在设计线路时，需要考虑复杂的城市市政

地下管线、地面高层建筑物沉降及地上城市交通等限制地下轨道交通施工的因素，这样一来，设计线路中的小半径曲线段不断增加，实际施工中的难度也就提高了

不少。

2.盾构姿态测量方法

2.1盾构位姿参数

盾构机的位姿可以用三个角度和两个点的坐标来描述。其中，这三个角度分

别代表的是盾构机沿着三个相互垂直的方向所旋转的角度，业界将这三个角度称

为扭转角（滚角）、俯仰角和水平方位角，这三个角是用来描述盾构机的姿态的，那么剩下的两个点的坐标根据前边所述选取的是盾首的刀盘中心和盾尾中心这两

个点的坐标，这两个点是用来描述盾构机的位置的。

扭转角（滚角）：描述盾构机自身绕前进方向旋转的姿态角。这个角度是由

盾构机在掘进过程中刀盘旋转切削土体时的反力矩所导致的。从盾构机前进方向

来看，绕前进方向顺时针旋转为正、逆时针为负。

俯仰角：描述盾构机自身绕水平方向旋转的姿态角，表示盾构机轴线与水平

面之间的夹角，主要影响盾构机掘进的坡度。一般俯仰角以盾构机轴线上倾为正，下倾为负。

水平方位角：描述盾构机自身绕竖直方向旋转的姿态角，它表示盾构机在水

平方向的方位，主要影响隧道在水平方向的转弯方向。

2.2常用测量方法

目前用于盾构姿态测量的主要有自动测量和人工测量两种方法。

2.3人工测量方法

人工测量方法主要有前后标尺法和三点法。

2.3.1前后标尺法

通过安装在控制点上的测量仪器，测量出事先安装在盾构机上的前后标尺中

心的水平角和天顶距，根据事先测量出的前后标尺与盾构机轴线的几何关系，计

算得到盾构姿态参数，然后根据这些数据与设计线路比较，以此作为调整盾构机

姿态的基础。

盾构机内部构造比较复杂，并且地下施工面较小，因此在安装前后两个标尺时，需要根据盾构机的实际情况，比如通视情况等做考虑，然后比较确定其中最

合适的位置。另外为了方便读数，通常需要在前后标尺上标出刻度，刻度要清晰。为防止在一些情况下视线被遮挡，一般会选择在标尺中心的两侧各10cm做标记。在标尺安装时，根据选择的最合适的位置，首先用仪器确定盾构机中心，并使标

尺中心能够落在盾构机中心轴线上且使标尺水平，然后精确测出前后标尺底部中

心的三维坐标，保证其安装位置准确。

盾构机出洞前，需要精确测量的前后标尺与盾构机之间的几何关系有，盾构

机自身长度、半径，盾首、前尺、后尺、盾尾之间的水平距离，前后尺底部中心

与盾构机中心的垂直距离以及每推进一环后拼装环的大里程与盾尾的距离。

2.3.2三点法

在盾构机组装阶段在盾构机上合适的位置均匀焊接数个（不少于三个）螺母

作为特征点，将棱镜安装在螺母上，事先测出各个特征点与盾构机轴线的几何关系，在施工过程中，只需要测量其中任意三个特征点，然后根据已有的几何关系

就可以计算得出盾构机盾首刀盘中心和盾尾中心的三维坐标。这种测量方法所得

的数据可以用两种计算方法来解算，一种是直接利用测量的特征点与盾构轴线的

几何关系来解算，另一种是利用特征点在盾构坐标系和施工坐标系下的坐标解求

两个坐标系之间的转换参数，然后根据盾首中心和盾尾中心在盾构坐标系下的坐

标利用坐标转换参数求得两点在施工坐标系下的实际三维坐标。相比于前后标尺法，三点法测量精度更高，但操作时间长、计算复杂，可用于定期检核自动导向

系统的准确性。

2.4前后标尺法与三点法对比分析

前后标尺法与三点法对比来看，前后标尺法计算过程要简单得多，并且测量

内容也要少，但是在精度方面，三点法精度更高，并且三点法中设的点可以用来

剔除粗差和检核，在这一方面，前后标尺法很显然是做不到的，基于盾构施工精

度要求较高方面的考虑，建议在实际的测量中采用三点法作为人工辅助测量的手段，另外也可以用前后标尺法测量的数据作为三点法的检核，或是将两种方法所

得数据进行数据融合，以进一步提高人工测量结果的精度，但相对而言工作量将

会大大增加。

2.6自动测量方法

目前盾构机自动测量的方法较多，主要有激光导向和陀螺仪导向两种方法，

具体原理较为复杂，此处只对激光导向这种方法做简单的介绍。激光导向又称为

激光全站仪导向或测量机器人导向，这种方法的原理同三点法比较相似，都是根

据事先在盾构机上确定的特征点和这些点与盾构机之间的位置关系来确定盾构机

的位姿。激光导向方法采用的是更为精密的激光标靶和带有自动照准功能的全站仪，即测量机器人。测量机器人将测量得到的数据传送给盾构机自动导向系统配

置的计算机上，然后计算机会根据之前得到的参数关系和测量数据，用系统自带

的软件来解算，最后这些数据会显示在控制屏上，操作人员就可以根据这些数据

调整盾构机的姿态。

结束语