盾构隧道测量.ppt

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盾构施工中的测量工作盾构施工中的测量工作盾构施工中的测量工作盾构施工中的测量工作盾构：

是在软土地层中暗挖隧道的一种施工工法。

盾构机：

一种隧道掘进机械。

是利用回转刀具开挖，破碎洞内围岩，同时掘进、支护、衬砌形成完整隧道断面的隧道施工机械；广泛应用于水利水电、地铁、矿山开采、交通、市政、国防等工程，盾构机的分类：

盾构机根据工作方式和出渣方法分为泥水气压平衡（在刀盘的开挖仓后部还有一个气平衡仓），土压平衡（是通过控制刀盘开挖仓内的渣土压力，来控制开挖处地面的沉降），敞开式硬岩掘进机（开挖仓的门掘进时一直处于开启状态，渣石由刀盘的导流槽刮起流出，用皮带运输机带走），土压平衡和敞开硬岩双模式以及超大直径环形管预挖盾构机。

盾构机的基本工作原理由机手操作液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，然后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。

当盾构机掘进一环的距离后，此时停下刀盘驱动马达，再由拼装机操作手操作拼装机拼装衬砌环片，使隧道一次成型。

盾构机操作室测量工作在盾构施工中的目的和作用保证盾构机能够按照设计路线精确地掘进，并准确地从预留洞门贯通。

内容提要内容提要一一.地下洞内轴线的控制地下洞内轴线的控制二二.自动测量系统的应用自动测量系统的应用盾构施工测量的关键工作在于地下洞内导线（轴线）的盾构施工测量的关键工作在于地下洞内导线（轴线）的控制。

其中地下洞内轴线的传递方式主要为竖井联系测量。

控制。

其中地下洞内轴线的传递方式主要为竖井联系测量。

其中竖井联系测量分为联系三角形测量、陀螺仪定向测量其中竖井联系测量分为联系三角形测量、陀螺仪定向测量、导线直接投点法。

在盾构施工的掘进中、导线直接投点法。

在盾构施工的掘进中,自动测量系统自动测量系统起着指导盾构机沿设计线路中心线推进的作用起着指导盾构机沿设计线路中心线推进的作用.一、地下洞内轴线的控制一、地下洞内轴线的控制

（一）、地下洞内轴线控制的目的和意义

（一）、地下洞内轴线控制的目的和意义目的是用一定的方式（竖井联系测量）将地面坐标系统传入到地目的是用一定的方式（竖井联系测量）将地面坐标系统传入到地下洞内的起始点、起始边。

以起始边为首向洞内敷设一条支导线下洞内的起始点、起始边。

以起始边为首向洞内敷设一条支导线，并以此支导线作为地下洞内的控制轴线，将坐标导入到盾构机，并以此支导线作为地下洞内的控制轴线，将坐标导入到盾构机上的自动测量系统，从而引导盾构机的掘进方向。

因此洞内轴线上的自动测量系统，从而引导盾构机的掘进方向。

因此洞内轴线控制的好坏直接决定了隧洞的贯通质量，也是整个盾构工程成败控制的好坏直接决定了隧洞的贯通质量，也是整个盾构工程成败的关键因素之一。

的关键因素之一。

（二）、地下洞内轴线控制的内容

（二）、地下洞内轴线控制的内容地下平面控制测量地下平面控制测量1.1.竖井联系三角形测量竖井联系三角形测量2.2.陀螺经纬仪定向测量陀螺经纬仪定向测量3.3.导线直接投点法导线直接投点法地下高程控制测量地下高程控制测量1.1.悬挂钢尺导入法悬挂钢尺导入法2.2.全站仪三角高程法传递高程全站仪三角高程法传递高程3.3.全站仪天顶测距法传递高程全站仪天顶测距法传递高程联系三角形测量联系三角形测量在竖井中悬挂两根钢丝，在地面近井点与钢丝组成三角形，并测定近井点与钢丝的距离和角度，从而算得两钢丝的坐标以及他们之间的方位角。

在井下，同样井下近井点也与钢丝构成三角形，并测定井下近井点与钢丝的距离和角度，由于钢丝处在自由悬挂状态，可以认为钢丝的坐标和方位角与地面一致，通过计算便可获得地下导线起算，这样就把地面与地下的坐标系统统一起来。

地下三角形的角度可通过正弦定理求得：

联系三角形测量，每次定向应独立进行三次，取三次平均值作为定向成果。

在同一竖井中内可悬挂两根钢丝组成联系三角形。

井上、井下联系三角形布置应满足下列要求：

1.竖井中悬挂钢丝间的距离a应尽可能长；2.联系三角形锐角宜小于1，呈直伸三角形；3.c/a及c/a宜小于1.5，c、c为近井点至悬挂钢丝的最短距离。

做联系三角形测量的钢丝宜选用直径0.3mm的钢丝，悬挂重物重量10kg，重物应浸没在阻尼液中。

经过竖井用联系三角形法将方位角传递到地下去时，地下导线起始边方位角的误差可以用下列公式：

边长测量误差所引起的计算角度的误差abasinsinsm）（0）（0m）（0m角度观测误差的影响用吊锤投点误差的影响联系三角形测量向洞内投点时应尽量拉大点间距，在竖井联系三角形测量向洞内投点时应尽量拉大点间距，在竖井底板，最好投四个点，保证竖井两端都各有两个控制点。

底板，最好投四个点，保证竖井两端都各有两个控制点。

且尽量保证每次联系测量投点时都投在这四个点上。

以便且尽量保证每次联系测量投点时都投在这四个点上。

以便取多次联系测量的加权平均值做为最终的地下洞内轴线控取多次联系测量的加权平均值做为最终的地下洞内轴线控制的起算点坐标。

制的起算点坐标。

陀螺经纬仪定向测量陀螺经纬仪是一种全天候、不依赖其他条件能够测定真北方位的物理定向仪器。

凡是绕自身轴高速旋转的任意刚体都可以看作是一个陀螺，自由陀螺仪有两个基本特性：

定轴性和进动性。

进动性自由陀螺仪的基本特性之，当绕内框架轴作用外力矩时，将使高速旋转的转子自转轴产生绕外框架轴的进动，而绕外框架轴作用外力矩时，将使转子轴产生绕内框架轴的进动。

定轴性是自由陀螺仪的另一基本特性。

无论基座绕陀螺仪自转轴转动，还是绕内框架轴或外框架轴方向转动，都不会直接带动陀螺转子一起转动（指转子自转之外的转动）。

由内、外框架所组成的框架装置，将基座的转动与陀螺转子隔离开来。

这样，如果陀螺仪自转轴稳定在惯性空间的某个方位上，当基座转动时，它仍然稳定在原来的方位上。

在隧道等挖掘工程中，坑内的中心线测量一般采用难以保证精度的长距离导线。

特别是进行盾构掘进的情况，从立坑的短基准中心线出发必须有很高的测角精度和移站精度，测量中还要经常进行地面和地下的对应检查，以确保测量的精度。

特别是在密集的城市地区，不可能进行过多的检测作业而遇到困难。

如果使用陀螺经纬仪可以得到绝对高精度的方位基准，而且可减少耗费很高的检测作业（检查点最少），是一种效率很高的隧道轴线定向的测量方法。

陀螺经纬仪定向的一般步骤如下：

1）在地面已知边上测定测前仪器常数；2）在待定边上测定该边的陀螺方位角；3）在地面已知边上测定测后仪器常数；4）计算待定边坐标方位角和精度评定。

导线直接投点法导线直接传递测量应符合下列要求：

1.竖直角应小于30；2.仪器和棱镜安置宜采用强制对中或三联脚架法；3.各测回间应检查仪器和棱镜气泡的偏离情况，必要时重新整平；4.导线边长必须对向观测。

高程传递测量高程传递测量高程传递测量是将地面坐标系统中的高高程传递测量是将地面坐标系统中的高程传递到地下隧道高程起算点上的测量工作。

根程传递到地下隧道高程起算点上的测量工作。

根据不同的精度要求，可采取不同的测量方法。

据不同的精度要求，可采取不同的测量方法。

悬挂钢尺导入法悬挂钢尺导入法全站仪三角高程法传递高程全站仪三角高程法传递高程全站仪天顶测距法传递高程全站仪天顶测距法传递高程悬挂钢尺导入法悬挂钢尺导入法利用悬挂的钢尺向地下传递高程是经常采用的测量方法，测量时，首先应建挂尺架，在挂尺架上悬挂经检定过的钢尺至底部，钢尺零刻化端朝下，并在下端挂一个重锤（一般为10kg），重锤重量应与钢尺检定时拉力相同；然后在地上和地下各安置一台水准仪（在盾构施工测量中一般采用LeicaNA2/GPM3精密水准仪，0.7mm/km）进行测量。

全站仪三角高程法传递高程当竖井联系测量采用导线直接传递法将方位角传递到井下时，可同时采用全站仪三角高程法将高程传递到井下。

全站仪天顶测距法传递高程全站仪天顶测距法传递高程地铁盾构施工中，车站施工竖井或定向测量投点孔，为采用全站仪天顶测距法传递高程步骤如下：

在竖井或隧道中钻孔下安置配有弯管目镜的全站仪，并将望远镜放置水平，即竖盘天顶距读数为90，读取立于井下待测高程的控制点上的水准尺读数，得到仪器高。

在地面投点孔上方安置有孔的钢板，在钢板孔上安置反射棱镜。

然后将望远镜指向天顶，显示天顶距读数为0的状态，并瞄准反射棱镜，按测距键测定垂直距离；仪器高程加垂直距离后，即得到仪器与钢板面的高差。

在地面上用水准仪将钢板面与地面水准控制点联测，得到钢板面高程后，根据已经测得的仪器高、仪器与钢板面的高差，从而计算出井下高程控制点的高程。

二、盾构机（二、盾构机（TBMTBM）掘进中的自动测量）掘进中的自动测量系统系统

（一）、

（一）、VMTVMT导向系统的基本组成、功能和原导向系统的基本组成、功能和原理理此系统是由激光全站仪（此系统是由激光全站仪（TCATCA）、中央控制箱、）、中央控制箱、ESLESL靶、后视棱镜、黄盒子和工业电脑及隧道掘进软件组靶、后视棱镜、黄盒子和工业电脑及隧道掘进软件组成。

成。

1.1.激光全站仪：

具有伺服马达，可以自动照准目标和跟踪，并激光全站仪：

具有伺服马达，可以自动照准目标和跟踪，并可发射激光束，主要用于后视定向，测量距离、水平角和竖可发射激光束，主要用于后视定向，测量距离、水平角和竖直角，并将测量结果传输到操作室的工业电脑上。

直角，并将测量结果传输到操作室的工业电脑上。

2.ESL靶是一台智能性型的传感器，用来确定盾构机的偏航角、滚动角及俯仰角。

ELS接收激光全站仪发射的激光束，测定激光光束的X坐标及Y坐标。

偏航角是由ELS内置的光学元件“阴屏”通过感光角度来确定，滚动角和俯仰角则由该系统内置的两个倾斜仪测量，一个纵向放置，一个横向放置。

ELS靶在盾构机机体上的位置是固定的，即相对TBM坐标系的位置是确定的。

3.后视棱镜3.中央控制箱VMT系统各线路的主要的接口箱，它为黄盒子（间接为激光全站仪）及ELS靶供电，是此系统的关键部分之一。

4.黄盒子它主要为激光全站仪供电，并与操作室的工业电脑保持通信和传输数据。

一般位于激光全站仪旁边，和全站仪一起置于托架上。

5.工业电脑及隧道掘进软件SLS-T软件是VMT导向系统数据处理和自动控制的核心，通过这台工业电脑分别与全站仪和ELS靶通信并交换数据，将盾构机在线路的平面、纵断面上的位置计算出来后，以数字和模拟图形在计算机上显示出来。

导向系统的工作原理：

地下洞内轴线控制点是支持盾构机掘进导向定位的基础。

激光全站仪安装在位于盾构机掘进方向右上侧管片上的托架上，后视一个基准点（后视靶棱镜）定位后。

全站仪自动掉转方向，搜索前视ELS靶，ELS靶接收到全站仪发出的激光定向光束，即可获取激光站至ELS靶的方位角、竖直角，通过ELS靶上的小棱镜和激光全站仪就可以测量出激光站至ELS靶间的距离。

TBM的仰俯角和滚动角通过ELS靶内置的两个倾斜仪来测定。

ELS靶将各项测量数据传输给操作室的工业电脑，计算机将所有测量数据汇总，就可以确定TBM在隧道内的坐标系统中的精确位置。

将前后两个参考点（盾头和盾尾）的三维坐标与工业电脑内的DTA（隧道设计中心线）相比较，以毫米为单位显示出盾构机的实时姿态。

盾构机在掘进时的姿态控制是通过全站仪的实时测设ELS靶的坐标，反算出盾构机盾头、盾尾的实际三维坐标，将实测的三维坐标与DTA相比较，从而计算出盾构机的姿态参数。

随着盾构机不断往前推进，每隔一定的距离就必须进行激光站的前移（这是因为盾构隧道设计的线路会因不同的上下坡度和左右转弯，导致TCA发生视场死角，且当距离过远时，ELS靶接收的激光信号强度变弱，因而无法正常工作）。

激光站的支架用角钢和钢板做成可以安装在管片螺栓的托架形式,采取强制对中，减少仪器对中误差。

托架安装的位置在隧道右侧管片的顶部。

安装时，用水平尺大致调平托架底板，将其固定好，然后安装后视棱镜和仪器