盾构掘进施工测量技术总结南京宁天城际轨道交通一期工程TJ标张海彬Word文档下载推荐.docx

1、强制对中托架尺寸形状要控制好，以便可以直接安装在管片的螺栓上面，不需要电钻打眼安装。由于盾构施工一般都是双线隧道错开60环（100M）左右掘进，如果错开环数很大，后面掘进的盾构机由于推力很大，会对前面另一个洞的导线点产生影响。特别是在左右线间距较小岩层很软时，影响很大，很容易导致测量出大错。还有就是如果在曲线隧道里，管片上的导线点间的边角关系经常受盾构机的推力和地质条件的影响，所以要经常复测。2.2 高程控制测量2.2.1高程控制测量概述高程控制测量主要包括地面精密水准测量和高程传递测量及洞内精密水准测量，不管是地面还是洞内都采用的是城市二等水准测量。其技术要求在城市轨道交通工程测量规范GB2

2、008-5008都有规定，在此不过多阐述。2.2.2 地面高程控制测量地面水准测量按城市二等水准的要求施测。2.2.3洞内高程控制测量洞内由于轨道上钢枕太多，轨道下的泥水经常盖到钢枕上来了，立尺很不方便，用水准仪配因钢尺测量非常麻烦。而采用全站仪三角高程测高差的办法传递高程就很方便。见图二。当然此时一定要保证前后视的棱镜高要不变，由于不需要量仪器高，而是通过测量前后两个点的高差来传递高程，所以往返观测取平均值精度可以满足施工的需要。这在我们浐半区间左、右线都得到证实，浐半区间约1.0公里，高程贯通误差左线是10、右线都在13左右。图二 全站仪三角高程测量传递高程3 联系测量3.1 定向测量地铁

3、施工规定，在任何贯通面上，地下测量控制网的贯通中误差，横向不超过，竖向不超过。联系测量主要有一井定向（联系三角形定向）、两井定向、铅垂仪陀螺经纬仪联合定向、导线定向四种方式，其中施工单位一般都没有陀螺经纬仪，所以很少采用铅垂仪陀螺经纬仪联合定向。用导线定向精度最好且最方便，但是用导线定向受始发井的长度和深度制约，一般使用较少。所以大都采用一井定向（联系三角形定向）或两井定向，其中用两井定向受地面及洞内各种因素的制约较少，比较方便，但是在同样的始发井长度和深度的情况下最好采用一井定向（联系三角形定向），这样有利于提高井下定向的精度。这在我们浐半始发井的多次联系测量中得到证实。虽然一井定向（联系三

4、角形定向）对场地要求较高，做起来也很麻烦，但是定向精度很有保证。联系测量向洞内投点时把点间距尽量拉大些，在始发井底板，最好投四个点，保证始发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。以便取多次联系测量的加权平均值做为最终的始发控制点坐标。图三 一井定向联系测量示意图图四 两井定向联系测量示意图3.2 高程传递测量向洞内传递高程一般采用悬挂钢尺的方法，一定要注意加温度和尺长改正，才能保证导入井下的水准点的精度。如果有斜井或通道，也可以用水准测量的方法向井下传递高程。如果全站仪的仰俯角不大的话还可以直接用全站仪三角高程测高差的办法传递高程。图五 钢尺导入法传递高程4 V

5、MT导向系统4.1导向系统介绍4.1.1 VMT导向系统概述：在掘进隧道的过程中,为了避免盾构机发生意外的运动及方向的突然改变, 必须对盾构机的位置和隧道设计轴线的相对位置关系进行持续地测量监控。盾构机能够按照设计路线精确地掘进，则对掘进各个方面都有好处（计划更精确，施工质量更高）。这就是盾构机采用“导向系统”（SLS）的原因。德国VMT公司的SLS-T系统就是为此而开发，该系统为使盾构机沿设计轴线掘进提供所有重要的数据信息。SLS-T系统功能完美，操作简单。4.1.2导向系统基本组成与功能导向系统是由激光全站仪（TCA）、中央控制箱、ESL靶、黄盒子和计算机及掘进软件组成。其组成见下图：图六

6、 导向系统组成4.1.2.1全站仪（TCA）具有四副马达，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、水平角和竖直角，并将测量结果传输到计算机。图七 带马达的全站仪（TCA）4.1.2.2 ESL激光靶也称光靶板，是一台智能性型的传感器。ELS接收全站仪发射的激光束，测定水平和垂直方向的入射点。偏角由ELS上激光的入射角确认，坡度由该系统内的倾斜仪测量。ELS在盾构机体上的位置是确定的，即对TBM坐标系的位置是确定的。图八 激光靶照片和通过标靶中的光栅获取激光入射方位角原理图4.1.2.3中央控制箱主要的接口箱，它为黄盒子（继而为激光全站仪）及ELS靶提供电源。4.1.

7、2.4黄盒子它主要为全站仪供电，保证全站仪工作和与计算机之间的通信和数据传输。图九 黄盒子和数据传输线缆4.1.2.5计算机及掘进软件SLS-T软件是自动导向系统数据处理和自动控制的核心，通过计算机分别与全站仪和ELS通信接收数据，盾构机在线路平、剖面上的位置计算出来后，以数字和图形在计算机上显示出来。如下图所示：图十 计算机及操作平台图十一 VMT导向系统盾构姿态显示4.1.3导向基本原理洞内控制导线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的右上侧管片上的拖架上，后视一基准点（后视靶棱镜）定位后。全站仪自动掉过方向来，收寻ELS靶， ELS接收入射的激光定向光束，即可获取激

8、光站至ELS靶间的方位角、竖直角，通过ELS棱镜和激光全站仪就可以测量出激光站至ELS靶间的距离。盾构机的仰俯角和滚动角通过ELS靶内的倾斜计来测定。ELS靶将各项测量数据传向主控计算机，计算机将所有测量数据汇总，就可以确定盾构机在全球坐标系统中的精确位置。将前后两个参考点的三维坐标与事先输入计算机的隧道设计轴线比较，就可以显示盾构机的姿态了。4.2导向系统应用4.2.1 始发托架和反力架定位盾构机初始状态主要决定于始发托架和反力架的安装，因此始发托架的定位在整个盾构施工测量过程中显得格外重要。盾构机在曲线段始发方式通常有两种：切线始发和割线始发，两种始发方式示意图见下图：图十二 切线和割线始

9、发示意图始发托架的高程要比设计提高约14，以消除盾构机入洞后“栽头”的影响。反力架的安装位置由始发托架来决定，反力架的支撑面要与隧道的中心轴线的法线平行，其倾角要与线路坡度保持一致。4.2.2 移站4.2.2.1激光站人工移站盾构机的掘进时的姿态控制是通过全站仪的实时测设ELS的坐标，反算出盾构机盾首、盾尾的实际三维坐标，通过比较实测三维坐标与隧道设计轴线三维坐标，从而得出盾构姿态参数。随着盾构机的往前推进，每隔规定的距离就必须进行激光站的移站。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似, 托架的底板采用40040010mm钢板，底板中心焊上仪器连接螺栓,长1。采取强制对中，减少

10、仪器对中误差。托架安装位置在隧道右侧顶部不受行车的影响和破坏的地方。安装时，用水平尺大致调平托架底板后，将其固定好，然后可以安装前视棱镜或仪器。托架示意图以及后视镜如下图：图十三 激光站的托架及后视镜示意图一般在后视靶托架即将脱出盾构机最后一节台车后进行，这样就可以直接站在盾构机上移站，不需要搭楼梯，既安全又方便。把前视棱镜安装在后视托架后，测量出棱镜中心到托架底板的高程，然后直接从下面的测站采用极坐标测量方式测出托架的三维坐标。然后在后视靶托架上设站，前视直接采用极坐标测量方式测出激光站托架的三维坐标。然后把后视棱镜安装在后视靶托架上，把激光全站仪安装在激光站托架上整平，把黄盒子固定好，给全

11、站仪接上电源，手动把全站仪瞄准后视棱镜，瞄准的精度在10左右，然后把全站仪电源关闭。接着在主空室里，启动SLS-T，按“编辑器F2”进入编辑器窗口，进入激光站编辑窗口，输入激光全站仪中心和后视靶棱镜中心的三维坐标。按“保存”键保存，然后关闭编辑器窗口。再按“定位F5”键，给激光全站仪定位。定位完成后，再按“方位检查F5”键，检查激光站和后视棱镜的坐标有没有错误。如果超限，将会显示差值，如果不超限，那么将不显示。最后再按“推进F4”就完成了激光站的人工移站的全过程。4.2.2.2激光站自动移站VMT导向软件SLST有激光站自动移站功能，移站的过程除了托架和全站仪及后视棱镜的安装，其它测量工作都可

12、以通过此功能完成。操作流程为： 程序的启动及后续测量工作在主控室进行。此时SLS-T软件处于“管片拼装”状态，按功能键F3，关闭测量后，通过功能键“激光站移站F6”来启动程序。在初始窗口中，按下按钮“测量开始F2”，启动方位检测程序。方位检测被成功的执行后，显示检测结果，在得到理想的结果后，按下F2确认后方位检测的结果。在测定新激光站点坐标前，事先在信息输入窗口中输入如下信息：水平与垂直方向上偏移的近似值及新激光站点的大致里程；当前棱镜的高度及仪器的高度；新站点的点位编码。在信息输入窗口下，按下F2键启动程序。全站仪自动搜索到前视棱镜（即新激光站点）后，自动瞄准棱镜进行测量。屏幕显示计算出来的

13、新激光站点坐标。在测定新激光站坐标时，为避免获得错误的数据，须遮盖住其他的反射棱镜。新激光站点的坐标测定后，将全站仪和后视棱镜转移到新的位置。全站仪和后视棱镜转移到新的位置后，主控室按功能键F2进行确认，新的信息窗口会显示新激光站点三维坐标，然后将新激光站点上的全站仪手动转向新的后视点即原先的激光站，按下F2，重新调整定位全站仪上的刻度。成功执行上述的步骤后，出现一新的信息窗口。通过按下F2功能键完成激光站移站程序。4.2.2.3激光站的人工检查在推进的过程中，可能会由于安装托架的管片出现沉降、位移或托架被碰动，使激光站点或后视靶的位置发生变化，从而全站仪测得错误的盾构机姿态信息。为了保证激光

14、全站仪的准确定位，在SLS-T软件的状态为“推进”时，通过功能键F5对全站仪的定位进行检查，如果测得的后视靶的值超过了在编辑器中设定的限值时，需要对激光站进行人工检查。检查方法是利用洞内精密导线点对激光站点及后视靶点位置进行测量，重新确定两点的三维坐标。设站导线点尽量选择在右侧管片侧壁上的强制对中导线点，这样建测站时能够一次建站测算出两个点位的坐标，避免误差的积累。当不满足上述建站条件时，从隧道内主控制导线点引测至后视靶托架上，在托架上建立测站，测定激光站点的三维坐标。5盾构姿态人工复测5.1盾构姿态人工检测概述在盾构施工的过程中，为了保证导向系统的正确性和可靠性，在盾构机掘进一定的长度或时间

15、之后，应通过洞内的独立导线独立的检测盾构机的姿态，即进行盾构姿态的人工检测。盾构施工中所用到的坐标系统有三种：全球坐标系统、 DTA坐标系、盾构机坐标系。图十四 激光导向系统涉及的坐标系5.2盾构机参考点的测量在进行盾构机组装时，盾构机公司的测量工程师就已经在盾体上布置了盾构姿态测量的参考点（共21个），如图十五。并精确测定了各参考点在盾构机坐标系中的三维坐标。我们在进行盾构姿态的人工检测时，可以直接利用VMT公司提供的相关数据来进行计算。其中盾体前参考点及后参考点是虚拟的，是根据盾构机上已知参考点推算的，实际是不存在的。图十五 盾构机参考点的布置盾构姿态人工检测的测站位置选在盾构机第一节台车

16、的连接桥上,此处通视条件非常理想,而且很好架设全站仪。只要在连接桥上的中部焊上一个全站仪的连接螺栓就可以了。测量时，应根据现场条件尽量使所选参考点之间连线距离大一些，以保证计算时的精度，最好保证左、中、右各测量一两个点，这样就可以提高测量计算的精度。例如在我们在选择盾构机的参考点时，即是选择的1、10、21三点作为盾构姿态人工检测的参考点。5.3 盾构姿态的计算5.3.1盾构姿态的计算原理盾构机作为一个近似的圆柱体，在开挖掘进过程中我们不能直接测量其刀盘的中心坐标，只能用间接法来推算出刀盘中心的坐标。图十六 盾构姿态计算原理图如图十六点是盾构机刀盘中心，E是盾构机中体断面的中心点，即AE连线为

17、盾构机的中心轴线，由A、B、C、D、四点构成一个四面体，测量出B、C、D 三个角点的三维坐标（xi,yi, zi）,根据三个点的三维坐标（xi, yi, zi）分别计算出LAB, LAC, LAD, LBC, LBD,LCD, 四面体中的六条边长，作为以后计算的初始值，在盾构机掘进过程中Li是不变的常量，通过对B、C、D三点的三维坐标测量来计算出A点的三维坐标。同理，B、C、D、E四点也构成一个四面体，相应地求得E点的三维坐标。由A、E两点的三维坐标就能计算出盾构机刀盘中心的水平偏航，垂直偏航，由B、C、D三点的三维坐标就能确定盾构机的仰俯角和滚动角，从而达到检测盾构机姿态的目的。5.3.2通

18、过AutoCAD作图求解盾构姿态通过几何解算盾构姿态方法的缺点是在内业计算时，如果用人工手算，其工作量相当大，而且难免出错，因此我们在进行解算时，是利用AutoCAD进行作图求解，相对于用几何方法解算，速度要快很多。其操作过程如下：首先是把隧道中心线（三维坐标）通过建立CAD脚本文件输入CAD中，这个工作一个工地只要做一次。然后是把所测参考点1、10、21的坐标（三维）输入到CAD里面。分别以1、10、21为球心，以1、10、21到前点的距离为半径画球，求三个球的交集。用鼠标左键点击交集后的体，就可以找到两个端点，这两个端点到1、10、21的距离就分别等于1、10、21到前点的距离。然后根据盾

19、构掘进的方向，舍去其中一个点。同样方法把后点在CAD里画出来。由于后点通过求交集的方法求出的两个端点距离很近，通过盾构机的掘进方向很难判断，于是通过前点到后点的距离是3.9491M来判断。画出前后点的位置后，通过前后点向隧道中线做垂线，通过测量垂线在水平和垂直方向上偏离值来求解盾构机前后点的姿态。盾构机的坡度=（为盾体前后参考点连线长度）。根据测量平差理论可知，实际测量时，需要观测至少4个点位以上，观测的参考点越多，多余观测就越多，因此计算的精度就越高。比较VMT导向系统测得的盾构姿态值和人工检测的盾构姿态值，其精度基本上能达到5mm之内。图十七 盾构姿态CAD计算示意图6管环检测6.1管环测

20、量概述由于在盾构掘进过程中，刚拼装的管环还没有来得及注入双液浆加固，因此还不稳定，经常发生管环位移现象。有时位移量很大，特别是上浮，位移量大常常引起管环限界超限。因为地铁施工中规定，拼装好的管环允许最大限界值是10。为了防止管环的侵限，我们首先是提高控制测量的精度外，其次是提高导线系统的精度，最后就是通过每天的管环测量，实测出管环的位移趋势，采取措施尽量减小位移量。此外，管环测量还起到复核导向系统的作用。6.2管环测量方法根据管环的内径是2.7M, 采用铝合金制作一铝合金尺,铝合金尺长3.8M（可根据实际情况调整长度）。在铝合金尺正中央，贴上一个反射贴片。根据管环、铝合金尺、反射贴片的尺寸，就

21、可以计算出实际上的管环中心与铝合金尺上反射贴片中心的高差。测量时，首先用水平尺把铝合金尺精确整平，然后用全站仪测量出铝合金尺上反射贴片中心的三维坐标，就可以推算出实际的管环中心的三维坐标。每次管环测量时，应重叠5环已经稳定了的管环，这样就可以消除测错的可能。图十八 管环测量示意图图十九 管环中心标高推算示意图6.3管环姿态计算管环测量时，把管环检测外业数据直接存储在全站仪的内存里。回到办公室后，通过徕卡测量办公室软件（Leica Survey Office）,将全站仪里面的管环测量外业数据下载，然后将其复制到EXCLE表格中编辑成CAD认识的三维坐标，然后将三维坐标数据复制到记事本程序里面保存

22、，文件的后缀名必须是.SCR，如“管环检测外业数据.SCR”。这样就把管环检测的外业数据编辑成了CAD的画点脚本文件。通过CAD的脚本功能，就很方便快节地在CAD里面把点画出来。打开AutoCAD，在模型状态下（一定要关闭“对象捕捉”命令），打开菜单栏的“工具（T）”选项，在下拉子菜单中选择“运行脚本（R）”，或者在命令行中输入“.SCR”，两种方式都是运行脚本，AutoCAD便查找脚本文件。操作者找到要调用的脚本文件“管环检测外业数据.SCR” 后，直接打开它。AutoCAD 便自动把点画出来了。如下图十八。图二十 管环姿态计算示意图点位画出来后，就可以在CAD里通过查询命令直接量出管环的水

23、平和垂直姿态了。通过以上管环的测量和计算方法，解决了管环检测数据量大，计算难，测量时间长的问题。大大提高管环检测的效率和准确度。7利用Excel计算隧道设计轴线三维坐标7.1隧道中心线的设计平面坐标计算概述在盾构机定位以及始发前需将整个区间以11.5m的间隔计算出隧道中心线的三维坐标，并将坐标成果输入盾构机导向系统内，作为盾构机掘进的指导线路，线路包括直线型和缓和曲线线路，其中缓和曲线使用手算比较复杂，且工作量大，容易出错，难以保证计算的准确性，借助Excel表格可以快速准确批量的计算出隧道中心线缓和曲线的设计坐标。6.2利用Excel表格计算隧道中心线缓和平曲线设计坐标1隧道中心线缓和平曲线

24、设计坐标计算表格2ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZAAABACADAEAFAGAHAIAJ3判断正负（大里程方向左-1右1）交点前方角线路转角交点后方角交点桩号交点坐标缓和曲线长Ls圆曲线半径R内移值P切垂距m切线长T缓曲基本角曲线总长ZH桩号HY桩号YH桩号HZ桩号ZH点坐标HY点坐标YH点坐标HZ点坐标计算桩号中桩坐标切方角左偏距右偏距左偏坐标右偏坐标45678注：1、表格中从A5I5为缓和曲线已知参数，AA5、AE5和AF5为输入的任意输入里程桩号；2、除以上说明，第5行其他各列表格参数计算编程如下：J5：=H52/24/I5-H54/2384/I53。 K5：=H5

25、/2-H53/240/I52。 L5：=（I5+J5）*TAN（C5/2）+K5 M5: =H5/2/I5 N5: =（C5-2*M5）*I5+2*H5O5: =E5-L5 P5: =O5+H5 Q5: =O5+N5-H5 R5: =O5+N5 S5: =F5+L5*COS（B5+PI（） T5: =G5+L5*SIN（B5+PI（） U5：=S5+（H5-H55/90/I52/H52）*COS（B5+A5*H5/6/I5） V5：=T5+（H5-H55/90/H52/I52）*SIN（B5+A5*H5/6/I5）W5：=Y5+（H5-H55/90/H52/I52）*COS（D5+PI（）-A5*H5/6/I5） X5：=Z5+（H5-H55/90/H52/I52）*SIN（D5+PI（）-A5*H5/6/I5）Y5：=F5+L5*COS（D5） Z5：=G5+L5*SIN（D5） AB5：=IF（AA5O5,S5+（O5-AA5）*COS（B5+PI（）,IF（AND（O5AA5）,S5+（AA5-O5）-（AA5-O5）5/90/H52/I52）*COS（B5+A5*（AA5-O5）2/6/H