關于盾構機實時姿態測量和計算方法的研究

李洪哲

摘要：隨著社會經濟的發展和城市建設的加快，城市規模不斷擴大，人口不斷增多，交通越來越來擁擠。一些地方的城市建設者為了治理交通擁堵，分散交通壓力。不斷尋求解決方式，修建地鐵成為了一些城市建設者的主要的選擇方式。但是在修建地鐵的過程中，工程量非常大，施工難度相對較高。在地鐵施工過程中，采用盾構技術，與傳統的施工技術相比，有著許多優勢，逐漸成為地鐵修建過程中的主要施工方法。本文將主要分析盾構姿態的測量的原理和方法，探究盾構姿態的測量的精度分析。

關鍵詞：盾構機；實時姿態測量；計算方法；研究

1.盾構機姿態簡介

盾構施工過程就像生活中的目標運動，先進行重心平移，然后在運動的過程中偏航，最后進行自身重心的滾動。因此，在盾構施工過程中，需要監測的數據是盾構機位置和姿態的參數。主要是三維坐標和滾動角、偏航角和俯仰角。

盾構機姿態的控制對整個工程施工意義重大，它決定著施工的質量和隧道推進方向的精度。一旦控制不好，容易導致隧道偏差過大和盾尾間隙過小而相碰。

2.盾構機液壓系統

液壓系統是盾構機的核心部分，盾構機的工作機構主要是由液壓系統驅動完成，對盾構機系統的運行起著很大的作用。盾構機的液壓系統主要包括兩大系統，一是推進系統，二是主動鉸接系統。

2.1.推進系統

盾構機的主要工作系統是推進系統，它主要是通過油缸作用于成型觀片，以此來實現盾構前進。推進系統的動力單元是一臺80L/min旋轉柱塞泵，執行元件是24個油缸，調節和控制部分包括方向的控制、油缸電磁閥的選擇、安全閥、節流閥等。盾構機工作時的最大工作壓力是35MPa，液壓泵最大推進流量是80L/min，推進油缸是240/180-1950（mm）。

2.1.1.推力計算

盾構機共有推進油缸24個，總推力是這24個油缸的推力之和，那么在液壓系統的最大推力F最大-24×P×Sn中，P表示油缸的最大壓強，S表示活塞面積，因此，F最大-24×35×106Pa×3.14×0.122㎡≈37981t

2.1.2.推進速度計算

盾構機的最大推進速度就是油缸的最大伸長速度，S-1/T，T-V/S1，在這個公式中，S表示最大推進速度，T表示伸長1mm所需要的時間，V表示伸長1mm需要的油液體積，S1為推進流量，S為74mm/min。因此，當前的盾構機最大推力是1200kN，掘進速度是40—65mm/min，推進系統的設計完全符合要求。

2.2.鉸接系統

盾構機的調向主要使用鉸接系統，通過調向，使得盾構機形成一定角度，便于控制。鉸接系統的動力單元是一臺25L/min的高壓泵，執行元件是16個270/160-190（mm）的油缸。

鉸接系統的最大壓力是35MPa，液壓泵的最大流量是25L/min，鉸接油缸是270/160-190（mm），鉸接力F最大-P×S≈2003kN，其中，P是最大壓強，S是活塞面積，盾構機自身重量是300t，鋼和土體之間的摩擦系數是0.5，前盾和土體的摩擦力是Fˊ-G×ц-150t≈1500kN，G表示前盾自重，ц表示靜摩擦系數。

3.盾構機實時姿態的計算方法

3.1.測量原理和方法

盾構機姿態測量的原理： 盾構機前體位置上要選擇兩個控制點，這兩個控制點不能在同一條直線上，在控制點上還要安上反射片。在測量過程中，為了保證測量的便捷性，應當盡量保證這些控制點和盾尾通視，同時要保證在測量過程中，控制點上的反射片不能脫落或者是移動位置。為了保證盾構機上的控制點、刀盤中心和初始姿態的相對關系，在盾構機上已經安裝好的前基準點、后基準點以及刀盤上方應當各布置一個臨時觀測點，并且要在盾構機的前體位置上設置一些其它觀測點。盾構機工作前，應當對盾構機上的所有控制點以及臨時觀測點進行初始坐標測量，這樣就可以測量出盾構機的具體姿態和位置信息。

3.2.分析姿態測量的精度

盾構體的姿態測量的觀測值是由兩棱鏡的坐標和滾動角、俯仰角組成，坐標的誤差是由全站儀的精度決定的；而滾動角、俯仰角是通過雙軸傾斜儀進行測量的，它的誤差是由傾斜儀的精度決定的。全站儀是一種智能儀器，它主要由三部分組成，分別是電子經緯儀、光電測距儀和數據處理系統。

兩棱鏡安裝位置的確定是很困難的，因為在安裝時沒有參照物，很難求得偏航角。因此，在安裝兩棱鏡的時候，往往采取的是坐標轉換的辦法，通過坐標轉換，就可以定位兩棱鏡的相對位置。盾構機的測量過程以及計算過程必然會產生誤差，因此，需要對誤差進行評估。

3.3.提高精度測量的辦法

3.3.1.使用高精度測量儀器

如果使用測量精度為3mm的儀器，處于刀盤中心的Z坐標的誤差平均值會達到5.8mm，這個數值大約是儀器誤差的兩倍；如果使用精度為5mm的儀器，誤差平均值會達到34mm。所以，如果能夠使用高精度測量儀器，將會有效的減少盾構機的測量誤差。

3.3.2.采用多點復核測量

采用多點符合測量就需要在盾構機上的控制點至少要在5個以上，這樣既可以為符合測量做準備，也可以防止施工的時候被意外損壞的現象。

3.3.3.測量控制點的布置要合理

測量結果在很大程度上受控制點的位置影響，因此，在一般情況下，控制點應當布置在盾構機上的比較穩固的位置上，這樣在一定程度上就能保證盾構機在施工過程中不會被意外碰到，并且能夠保證和盾尾相通視。除此之外，三個控制點的位置應當盡量使他們呈三角形，并且最大程度上保證他們的邊最長。

結語：

由于盾構技術具有自動化程度高、施工速度快、對周圍的環境影響小等優勢，施工過程中能夠獲得良好的綜合效益，盾構技術現在已經發展成地鐵施工過程中主要采用的辦法。盾構技術的姿態控制對整個施工過程影響非常大，它控制著整個施工過程的質量和精度。此外，應當建立維護液壓系統的保護方案，掘進參數的設定要合理，避免長時間負荷運行，以降低設備運行風險。

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