盾构机姿态参数的测量及计算方法研究

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1、盾构机姿态参数的测量及计算方法研究张厚美第古力2（1上海交通大学建筑工程与力学学院，上海200030;2广州市盾建地下工程有限公司，广州510030）摘要根据三点决定一个平面的原理，通过在盾构机中体上布置测量控制点，对其三维坐标进行测量;根据空间解析几何原理，推导出盾构机刀盘中心三维坐标以及俯仰角横摆角扭转角的计算方法。文章利用计算机空伪随机函数对盾构机姿态参数的测量精度进行了模拟评价，探讨了提高测量精度的方法。结果表明，盾构姿态参数的测屋误非均服从TF杰分析：采甲精席为3mm的激光绎纬仪测屋枠制点半标•得到的盾构姿杰参数的误莠范圉吴键词盾构姿态测量误差分析中图分类号:U4

2、55.3*9文献标识码:A1冃iJB盾构法由于具有其施工速度快、安全、质量好、对周围环境影响小等优点，已越来越多地在城市地铁隧道施工中得到应用。盾构隧道测量技术己由原来人工为主测量技术发展到现在的全自动激光经纬仪、GPS等高科技测量方法。盾构姿态的测量方法可分为人工测量和自动测量两类。人工测量法人力投入大、测量频率高、测量工作量大，对隧道掘进干扰大，数据处理慢，无法实时获知盾构机的姿态和偏差，施工控制较困难，但设备投入少，成本较低，日前国内盾构隧道施工仍较多采用人工测量。自动导向仪器有激光全站仪导向和陀螺仪导向两种，自动导向测量技术可全天候对盾构机姿态进行测量、控制，实时计

3、算并显示盾构机姿态,具有人力投入小、测量频率高、对隧道掘进干扰小、测量速度高和数据处理快、数据和图象模拟能实时显示等优点，已成为盾构隧道测量技术的发展方向。激光自动导向系统主要通过固定在隧道成形管片上的全自动激光经纬仪对•盾构机姿态进行测量。由于施工过程中各种意外因素可能导致盾构机上的、瀚'"绘ii&卸佶密壶仃后m卜甬好7千I二市向匚;I件*越位置变动，使所测量的盾构机姿态产生很大误差，甚至导致隧道超限，为此必须采用不同的测量方法对盾构机姿态进行复核。目前，我国盾构机主要依靠进口，近年來进口笊用于地铁隧道施工的盾构机一般都配备有自动导向系统，但如何对盾构姿态进行复核测量还无

4、简单、快捷、准确的方法。为克服传统人工测量法精度低、测量占用时间多的缺点，本文提出一•种新的盾构姿态2盾构姿态参数的描述在盾构施工过程中需经常监测的有关盾构机位置和姿态的参数包括:盾构机刀盘屮心三维坐标以及俯仰角、横摆角、扭转角等，见图1。图1盾构姿态参数示意Fig.1Sketchofshieldpostureparameters俯仰角：指盾构机轴线与水平面Z间的夹角，它表征盾构机在铅直而上所处的坡度，主要影响隧道的掘进坡度。为了反映盾构机轴线与线路方向的相对偏差，本文用盾构机轴线与线路方向在铅直面内的夹角表示俯仰角，或称为纵摆角。横摆角：指盾构机轴线与线路方向在水平面内的

5、夹角，它表征盾构机在水平方向的方位，主要影响隧道在水平方向的转变方向。扭转角：指盾构机绕自轴线旋转的角度。扭转角主要是由于刀盘g时间朝同一方向旋转所致，推进千斤顶的不平衡推力也会导致盾构机绕自身轴线旋转。盾构机姿态的控制质量直接影响到隧道掘进方向的控制精度，对隧道管片的拼装质量也有影响。姿态控制不好易导致隧道蛇行、与设计轴线偏差过大县至侵限；盾构姿态偏差较大还会导致盾尾间隙过小以及盾尾碰、刮即将脱出的管片，使管片错台或开裂。在自动导向系统的计算机显示屏幕上，一般以坡庁gm/夷示IS私啣饬杰角魔“拥讲讨程肘话3盾构姿态的常用测量方法3.1人工测垦主要通过在盾体上安装坡度板，在

6、盾壳上焊接测量用的重锤线，并对准重锤，根据重锤在坡度板上指出的刻度，即可直接读出盾构的即时坡度和扭转角2。坡度初始值的确定：在盾构机安装就位后，用水准仪测定盾构的首尾高差△加，用钢尺测量盾构首尾两点间的水平距离厶从而算出盾构的坡度（A/zi/LJ>400%。盾构初始扭转角的确定.•采用水准仪测定水平方向相对应的两千斤顶间的高差用钢尺测量两千斤顶间的水平距离厶2,从而算出盾构旋转角。=2arctg（A/?2/厶2丿°盾构刀盘中心坐标的测量方法：在盾构顶部垂直中心位置安装前后靶，把测量仪器安置在隧道顶立口的洞II写厶I-乡昂乡rHfilll昙曲匚SUUrh,iQ人I人土二壬口

7、0匚曲两者为激光全站仪导向，后者为陀螺仪导向。陀螺仪GYRO系统可靠性方面有待提高o激光导向系统能实时反映盾构机的位置偏差和姿态，操作简单，导向精度高。以下简要介绍徳国VMT公司的MS・T自动导向系统。SLS-T自动导向系统主要由Leica激光经纬仪TCA1103、后视棱镜、帯光栅的棱镜标靶ELS、黄色电源盒、微型计算机、丄S・T自动导向系统软件等硬、软件组成。5T系统的工作原理是：固定在隧道成形管片右上方的托架上的全自动激光经纬仪发出的激光束被固定在盾构机前体右上方的电子激光靶接收到，根据激光束在激光靶接收屏上