有关盾构机姿态人工测量及计算方法的论证.doc

盾构机姿态人工测量计算方法论坛
作者:李懂懂
【摘要】本文针对地铁隧道盾构法施工中盾构机的姿态位置,提出盾构机姿态的人工测量原理,简明地介绍了地铁建设中盾构及姿态人工测量过程,并着重对盾构机姿态定位中的测量工作做了深入细致的研究,阐述了盾构机自动导向系统姿态定位测量的原理和方法,以及如何使用人工测量的方法来检核自动导向系统的准确性,分析了盾构机姿态定位检测的情况。确保盾构机按照设计的线路进行掘进。
【关键词】城市地铁;盾构机姿态;人工测量原理
1 、概述
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),必须研究每一步盾构机姿态人工测量的方法。
2 、人工测量原理简介
盾构机姿态的人工测量原理是利用安装在管片顶部小吊篮上采用强制归心的全站仪来测量盾构机上自设的三个人工标靶,通过专业的盾构掘进姿态解算程序来计算盾构机的掘进姿态,及时指导盾构机纠偏,确保盾构机按照设计的线路进行掘进。
3、盾构机姿态位置的检测方法和计算
由于盾构机在隧道内推进过程中有各项因素都可能影响ENZAN系统的稳定性,这时候我们就需要通过其他方法来检测盾构机姿态是否在设计轴线内。间隔时间取决于隧道的具体情况,在有严重的光折射效应的隧道中,每次检查之间的间隔时间应该比较短。这主要是由于空气温度差别很大的效应。论述折射及其效应的题目有大量的文献资料,此处不再详述。在隧道测量时必须始终考虑这一效应。低估这个问题可能会引起严重的困难,尤其在长隧道中。
我们采用在盾构机上焊接钢筋头来对盾构机的姿态进行检查,在盾构机1、2、3号棱镜边焊接一根5cm左右长度的钢筋头,并在钢筋头上凿好十字丝,在盾构始发前应多次测设钢筋头与盾构机三维轴线坐标,他们相对于盾构机的轴线有固定的参数关系,即它们与盾构机的轴线构成局部坐标系。测量时只需测出三个钢筋头位置,通过始发前建立的局部坐标系,就可以计算出盾构机的姿态与位置参数与ENZAN系统上显示的实时姿态的差别,推断实时姿态是否准确。
盾构机推进时,若是在管片拼装中施工操作人员无意中破坏了三个前视棱镜,也能通过始发前焊接好的钢筋头推算盾构机姿态,从而恢复三个前视小棱镜与盾构机的相对姿态(即它们与盾构机的局部坐标系)。如图所示:
首先需要测量出刀尖及盾尾中心的三维坐标,其中盾尾中心坐标只能间接测量,一般通过测量盾尾圆边左右水平对称的点的平面坐标,取其平均值为盾尾中心平面坐标。
盾构机平面坐标测量
测量方法如下图:可以在刀尖和盾尾分别吊一根钢丝对称吊下,在钢丝下面绑一重锤且对称同时绑定使其悬空放置,并把重锤分别放与油桶内使其完全稳定后让其钢丝上的反射片对准仪器,同时在对称两侧分别架一台全站仪两台全站仪同时测量两对称钢丝上反射片的平面坐标。在测量过程中直至盾构机测量导向系统调试完成前任何人不得移动或碰撞盾构机,为了提高精度,应至少测四组以上对称点坐标,剔除可能存在的初差值,取平均值为盾尾中心平面坐标;刀尖测量方法与盾尾测量方法一致。如图所示:
盾构机高程测量
可通过水准尺测量盾尾圆内壁顶部和底部的高程,取其平均值作为中心高程,刀尖高程可通过水准尺测量刀尖最顶部高程然后减去刀尖直径的一半作为刀尖中心高程。
盾构机俯仰角人工测量
同盾构机高程测量一致测量出刀尖中心高程H1和盾尾中心高程H2取其刀尖和盾尾中心高程之差H1-H2等于高差H,然后用卷尺量取刀尖至盾尾中心距离S,通过反正切三角函数计算出来盾构机俯仰角,具体如下:arctan(H/S)得到一角度即为盾构机俯仰角负值代表盾构机下坡、正值代表盾构机上坡。
盾构机回转角人工测量
首先我们在盾尾内找一盾尾两边对称注浆管,分别测量出两对称点高程左H1、右H2然后取两对称点高差(H1-H2)等于H,在用钢尺量取两对称点高程之间距离S,通过反正切三角函数计算出来盾构机回转角,即arctan(H/S)得到一角度即为盾构机回转角,负值代表左回转、正值代表右回转。
盾构机标靶测量
我们应保证盾构机在完全静止的状态下完成这项测量工作,打开我们的标靶保护装置使标靶上的反射片上无任何污债,我们首先在盾构机上方做两个吊蓝,然后把全站仪架立与站点吊篮上且与前视三个目标靶都通视,照准盾构机上后视吊篮,采用全圆测回法进行导线测量。由于盾构机下井所以里面标靶采光不好可采用人工照明。高程可采用三角高程正倒镜测量四测回取其平均值作为三个标靶的高程。
我们已经测出左,中,右(1,2,3号)三个参考点的实际三维坐标,分别为(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2),(X3,Y3,Z3),并测知盾首中心的实际三维坐标(X首,Y首,Z首)和盾尾中心的实际三维坐标(X尾,Y尾,Z尾)。
三个方程三个未知量,采用专业软件解算方程