盾构法施工中与VMT导向系统配套的测量控制技术.docx
《盾构法施工中与VMT导向系统配套的测量控制技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《盾构法施工中与VMT导向系统配套的测量控制技术.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
盾构法施工中与VMT导向系统配套的测量控制技术
盾构法施工中与VMT导向系统配套的测量技术
志坤
（中铁十六局集团北京市地下轨道交通工程有限公司）
北京100018
摘要：
本文以北京地铁10号线学院路站～花园东路站区间盾构工程为例，详细论述盾构法施工中与VMT导向系统配套的测量技术，涵盖了地下控制测量、VMT导向系统的设置及参数调整以及测量与VMT导向系统是怎样有机的联系统一的。
通过此文所述的成功经验为今后类似工程提供了一定的参考。
关键词：
区间盾构控制测量VMT导向系统配套测量
1前言
盾构（英文shield）一词的含义在土木工程领域中遮盖物、保护物。
外形与隧道横截面相同，但尺寸比隧道外形稍大的钢筒或框架压入地中构成保护掘削及的外壳。
该外壳及壳各种作业机械、作业空间的组合体称盾构机。
它不受地形、地貌、环境条件限制，无噪音、震动问题，施工对边的影响小，造价低速度快的优点。
本文中盾构机的直径为6.25m，长度9m。
这样的一个庞然大物，潜在地层中运动，要想改变向谈容易。
所以若推进过程中不及时管理，致使偏离预定的计划中心线，则后果及损失不堪设想，故在盾构机推进过程中必须时刻测量监视盾构机所处的位置（三维坐标）、姿态（倾角），并与设计线路时时对比，出现偏差立即纠正。
为使盾构机时时处在设计位置就要有与VMT导线系统相配套的测量手段。
同时保证控制测量、WMT导向系统测量以及控制与WMT导向系统测量有机的联系测量才能保证盾构机按着设计线路推进及正确贯通。
2工程概况
学院路站～花园东路站起讫里程:
K5+525.3～K6+599.30，区间长度2423.882米（折合单线）。
本区间采用盾构法施工，盾构管片采用C50钢筋混凝土管片错缝拼装，弯螺栓连接，管片外径6.0m，径5.4m，每环管片宽度1.2m，管片防水等级不低于S10。
本区段的盾构工作井利用车站端头井设置。
本区间线路最大纵向坡度5‰；最小纵向坡度2‰，设计结构顶板埋深约为14.00～16.00米。
3、盾构法施工测量
盾构法施测量是一套系统工程，它涵盖地上、地下控制测量，联系测量以及与WMT导线系统有机联系测量及调整。
1、联系测量
地面上的控制测量的布设及施测精度是保证盾构隧道贯通的重要前提，为保证测设精度，在向始发井与接收井投点之前，必须进行两井间导线精密联测工作（含高程）。
使其导线精度及闭合差均满足四等以上导线精度要求。
在地面导线满足精度要求后，将精密导线点用1/20万投点仪将引至井下。
通过竖井将控制点的位及高程传递。
在每个竖井底板上个投三个控制点，以便下一步的控制点的扩展，要确保精度。
所投到底板的控制点为永久控制点，做好保护措施。
如图：
并定期与地面控制网联测，调整闭合差（含高程）。
再利用陀螺经纬仪检测控制导线基线，再将利用基线导线引入区间隧道。
（如下图）
通过调整后竖井投中的点，在向洞增加导线前必须进行陀螺定向，陀螺定向起检查及参考调整位角的作用。
洞导线相当于支导线，缺乏检核条件，角度误差对我们长隧道贯通是极为不利的。
所以用陀螺仪进行位检查是必不可缺的。
再采用陀螺经纬仪定向（见示意图），在地面竖井附近的洞外导线控制点A处安置陀螺仪，在竖井中安置投点仪B，并测出A-B点的真位角，用全站仪测出A、B两点的平距M。
然后，将陀螺仪安置在井下的控制点D上（即要检查的控制点），测出D点至投点仪投下的控制点C的真位角及平距S。
即可推出D点的坐标。
再通过测量，求出洞外测量控制网的真位角与坐标位角差值的平均值γ前。
向井下传递位角完毕后，再测一次地面上的已知控制点的真位角，求出洞外测量控制网的真位角与坐标位角差值的平均值γ后。
取γ=（γ前+γ后）/2作为最后结果，将陀螺仪测量的真位角改算为坐标位角，并求得地铁坐标。
地下导线采用全站仪及陀螺仪联合定向，推算出各个控制点的精确成果。
并随着施工的进程，在车站及洞陆续建立其它测量控制点。
整个施工过程中将定期对地面施工控制网、导线点及车站测量基准网进行检验复核。
并对地下定向边间点间的几关系进行检校。
2、洞导线控制测量
洞控制导线是支导线，而且它不可能一次测完，只有掘进一段距离后才可以增设一个新点。
新点间距在180～200m为宜。
但距离盾构机尾部台车30m以上距离。
为了防止错误和提高支导线的精度，通常在大概同一断面上埋设二个新点，形成两条导线。
但对每次新增导线都从原基线起点开始全面施测。
这样可以检查并发现已建成的隧道是否存在变形，点位是否已移位变形。
通过测量成果判断及时调整控制的数据。
并将同一断面的两个点的距离进行施测，施测的距离与推算坐标的反算距离进行校核。
隧道中导线主付导线形式布设。
每增加两个新点必须进行校核。
这样才能确保洞导线的测量精度。
同一隧道两条支导线
在确保洞导线精度的同时，为使洞导线与MWT导向系统紧密的结合，就必须又一个“桥梁”为纽带。
也是提高测量工作效率机节省时间的最好法。
同时也为减少仪器的对中误差和目标偏心误差，洞控制全部采用强制对中点板。
固定在管片上。
（如图）
强制对中板图
每增加一对新点都有检查复核的条件。
导线采用长边，且尽量以直伸形式布设，这样可以减少转折角的个数，以减弱边长误差和测角误差对隧道横向贯通误差的影响。
为了增加检核条件和提高测角精度评定的可行性，导线应组成多边形导线闭合环并具有多个闭合环的闭合导线网，在控制网中，导线环的个数不宜少于4个；每个环的边数宜为4～6条。
在联络通道处形将左右隧道中的导线环联测，形成一个大的导线环，并将与地面上的导线控制进行一次精密的联测，将测得结果进行密平差。
在隧道掘进至200～300m处和距离贯通面150m～200m处分别进行一次洞外联测工作以及陀螺定向检测。
掘进至500m处要增加一次陀螺检测；隧道贯通前，应对隧道的控制点进行一次全面检测。
四、高程控制测量
高程控制点，是通过设在地面的高程控制点，利用精密水准仪配合钢尺将高程引区间隧道控制导线点上每一个洞口应埋设3个水准点，以相互检核；两水准点的位置，以能安置一次仪器即可联测为宜，便引测并避开施工的干扰。
以便将整个隧道的统一高程系统引入洞，以保证在高程向按规定精度正确贯通。
地面高程控制网采用城市Ⅱ等水准点布设精密水准点。
精密水准网沿隧道线路布设成附和路线。
往返较差、符合或环线闭合差±8×L1／2（L为往返测段、符合或环线的路线长度为Km）。
传递高程测量采用钢尺及水准测量，通过在竖井悬吊钢尺的法进行高程传递测量时，并应在钢尺上悬吊与钢尺检定时相同质量的重锤，地上和地下安置的两台水准仪同时读数。
每次应独立观测三测回，每测回应变动仪器高度，三测回测得地上、地下水准点的高差较差应小于3mm。
三测回测定的高差，进行温度、尺长改正。
（见示意图）
传递高程测量示意图
洞高程测量与洞导线点一样，洞高程点是支水准线路，水准点布设在导线点上。
每新埋设一个水准点，都应从洞外水准点开始至新点重复往返观测。
使其测量成果满足其精度要求。
4、WMT系统的工作基本原理与测量
1、工作的基本原理
由德国VMT公司开发的制导系统（SLS-T）采用了三种不同的坐标系统.它是通过全球坐标系统（Globalcoordinatesystem）来测量固定点,起点和终点。
通过掘进机坐标系统（TBMCoordinatesystem）测量来控制测量掘进机的位；通过设计线路中心线系统（DTASystem）来确定个相关点的坐标。
从而，掘进机操作室控制电脑就可以准确地显示出各相关点的水平、垂直偏离值以及掘进数和里程。
掘进机操作人员通过调整TBM上的4组32个千斤顶的压力差值来达到控制调节掘进机向的目的。
最终使掘进机沿着设计线路中心线在允偏差围稳
定前进。
2、VMT系统的基本设置
首先，是TBM的就位，在使用SLS-T之前需要用到TBM的一些如TBM油缸的安装尺寸等的特定数据以及对TBM始发位置对系统的预先设置。
为了得到TBM的位置，需要测量TBM中的各个基准点的坐标，并将测量得到的数据传向DTA。
接着用测得的坐标计算TBM的精确位置。
TBM的定位。
为了确定TBM的位置，我们需要全球坐标系统的一个确定点来放置全站仪，接着还需要通过一个基准点使全站仪定向。
被导向ELS的激光可以得到其于ELS平面之间的偏航角。
激光束入射点和ELS之间的激光的反射角及入射角用来确定TBM和DTA之间的偏航角。
由安装在ELS的倾斜计来测定TTBM的滚动角和仰俯角。
通过激光站上的全站仪可以测定ELS和激光站的距离。
这些数据将传输到主控电脑上，这样就可以得到TBM在全球坐标系统中的
精确位置。
这样通过隧道轴线上的两个基准点就可完成TBM的定位工作。
对盾构机的控制测量。
在隧道掘进过程中，由于地质、水文等外界条件以及盾构机本身的机器操作和使用原因，会造成TBM的位置参数已不能满足要求。
为此需每隔一定时间对TBM的位置进行检测。
在TBM上布有基准点，这些基准点已经在掘进前就定过位。
检测中只需要对基准点进行测量。
然后利用已知点测得坐标来确定所有的TBM位置参数（滚动角、仰俯
角等）.
3、数据库的建立与计算
建立准确的数据库是导向系统正常、精准工作的必要条件。
在盾构机始发之前一定要做好数据库的建立和计算工作，这样才能为以后的导向提供准确的设计轴线〔DTA〕。
建立DTA数据库是有编写好的曲线坐标程序来完成的。
它是将设计线分成水平要素和垂直要素。
线段水平要素包括直线段的长度，直线段的起始里程及对应的全球坐标系统的坐标，直线段的位角。
对于缓和曲线需要由其长度、角度偏差、偏差和弯曲向来控制。
对于圆曲线要由长度、角度偏差、偏差和半径来控制。
在向规定上采用左转为负向下为负。
垂直要素则采用直线段和圆曲线来控制。
它也包括了直线段的长度，偏差以及圆曲线的向、半径、偏差等。
对于创建好的数据库要及时地复查，经复查无误的情况下传入VMT专用电脑。
最终将作为
控制设计线。
4、吊篮托架的安装及有关注意事项和尺寸图等
作为全站仪和配套棱镜的载体的吊篮托架对于整个测量工作非常重要.首先它是我们传递坐标的重要控制点.在吊篮托架上我们安置了强制对中点.而这些点的优越性在于能够较稳定、快速地传递全球坐标系统,准确地测量出盾构机的姿态.同时,托架还起到了固定全站仪、和黄盒子和相关接口的作用.
在吊兰托架上面的钢板中间切割200mm*20mm的长形，将自制的强制固定对点盘通过长形固定，再将测量仪器和棱镜通用的基座固定在强制对点盘上。
每次导线测量时，只需移动仪器或棱镜上部，免去了每次的对点操作，大大减少了整平时间。
在盾构机前进过程中,我们的站点是不动的,而连接仪器的线盘是随着盾构机不断前进的,因此保护好吊篮才能够保证我们站点的坐标不至于发生较大偏移,更为重要的是保护我们全站仪、黄盒子以及线盘的安全.我们发现在多的工地出现了电缆线拉断、黄盒子损坏以及全站仪的碰撞等情况,这些专用的设备一旦受损就致使TBM无法掘进.其直接和间接损失非常
重.
在狭小的作业空间围安装吊篮托架,对于尺寸要求非常高,托架太低时,前进中的TBM台车在牵引机的带动下会突然向前跃进,可能致使托架底部遭遇致命的碰撞.同时,太高的托架就容易碰撞两侧的台车横梁.通过不断调整，我们最终将吊篮托架尺寸规定如下图;
5控制测量与WMT系统有机的联系测量
1．基站测量
基站点的测量直接关系到TBM的姿态是否正确.在VMT测量中是通过基站点传递全球坐标系统的.因此,它的精度直接关系到整个隧道掘进的向.我们采用了”以人工换站为主保
证其测量的精度,以自动换站为辅保证掘进速度”的法.
我们也可以人工测出新激光站和基准点的坐标,然后替换原有的值,但它需要测量、计算、复核,这样就占用了很长的时间.重影响了掘进的速度。
为此,我们采用了自动换站和人工测量换站相结合的法.具体步骤如下:
1.准备工作.包括吊篮托架的安装；带上全站仪、棱镜、电筒等必要的测量工具；取下盾头ELS靶上的小棱镜,在新站点上安置棱镜,调平并指向全站仪向.
2.自动换站操作.首先,需要对原激光站点19（500187.9460,312082.8284,33.4889）,
18（500234.8044,312083.3008,33.7537）位进行检查,检查会出现水平差值、垂直差值、里程的偏差等三项指标.三项偏差满足要求时就可以开始下一步工作了。
然后将激光站转移到新测的站点上来,将后视棱镜安装到原激光站上来,完成定位作业。
整个自动换站结束.
3．在完成上一步骤中的测新点20后，我们将人工测量和调换仪器同时开展。
从已有的强制对中点LK8，LK9来测量原来的激光站19坐标,和新点20的坐标.测量使用TPCON721全站仪，由于隧道观测条件限制，采用向侧回观测法，向观测4测回，距离正倒镜观测4次。
完成外业后，采用NASEW平差软件进行平差，最大边长比例误差为1/100000，向观测中误差为1.8〞最终19（312082.8362,500187.9499,33.7319）,20（312082.2802,500141.0561,33.542）进行整个业计算大约需要一个小时，在此期间，TBM就可以用自动换站的坐标进行掘进大约1环（1.2m）产生的偏差在1～4mm之间,对掘进的向控制的影响很小。
待得出精准坐标后输入电脑就可以进行线路纠偏。
对于高程的精准控制.无论是自动换站还是利用全站仪高差测出来的新点的高程都有较大的误差,特别在盾构机尾部的空气条件对全站仪的测量有较大的影响,为此我们在原站点的托架通过用水平仪测出其高程h,再由全站仪测得的高差h’得出新点的高程.
2、控制点与强制对中点联测检查
作为控制隧道的VMT导向系统的准确性是由测量出的激光站和基准点的精度决定的,而用来测量它们的则是隧道两边的强制对中点,因此,强制对中点是直接影响激光站的因素.由于隧道的观测条件较差，管环的变位,新布设点的测量和已测地控制导线点都可能发生变动,
所以必须定期开展导线点和左右强制对中点的联测检查.在我们测量中首先要加强导线控制点与强制对中点的联测检查.
对于左线强制对中点LK8点测量就需要以ZQK1和ZQK2作为基准点来测量，置仪ZQK2点,对LK8和LK10进行观测;置仪LK8点,对ZQK2和LK9进行观测;置仪LK9点，对LK8、LK10进行观测;置仪然后分别置仪LK8、LK9、LK10点进行三角闭合测量。
最终得出强制对中点LK8、LK9、LK10
的坐标平面坐标。
再用水准仪对、进行水准测量，得出三点的三位坐标。
3．各种控制点的检测
由于管片的不断变动，以及隧道观测条件的限制，处于隧道的各种控制点都处于不断的变动之中，为此，就需要经常对以布设的点进行检测。
各种控制点检测时间表
序号
检查项目
点离TBM尾部
台车距离
检测
1
强制对中点
＜50m
2天/次
2
强制对中点
50～100m
3天/次
3
强制对中点
100～200m
5天/次
4
强制对中点
＞200m
7天/次
5
隧道控制导线点
＜50m
3天/次
6
隧道控制导线点
50～100m
5天/次
7
隧道控制导线点
100～200m
7天/次
8
隧道控制导线点
＞200m
10天/次
6结束语
用4个月的时间就完成了全部隧道的推进，经贯通测量各项技术指标都满足设计和德国的专家的要求，得了较好的社会和经济效益，总结了一套盾构法施工中与VMT导向系统配套的测量技术，为今后盾构工程的施工提供了宝贵的经验。
参考文献：
1、盾构隧道凤祥合华傅德明
2、工程测量学正禄等
3、土木工程测量覃辉等
:
升级会员 