盾構姿態測量原理的比較研究及精度分析

姜留濤，翟　燕

(1. 陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000； 2. 華北水利水電大學，河南 鄭州 450052)

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盾構姿態測量原理的比較研究及精度分析

姜留濤1，翟燕2

(1. 陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000； 2. 華北水利水電大學，河南 鄭州 450052)

對國內外盾構姿態自動測量系統進行了比較和總結，對盾構姿態的參數和姿態測量的原理進行了梳理，提出了盾構中心坐標偏差和切線偏差的計算方法，并對地鐵盾構施工過程中，各個階段的施工測量精度進行了具體分析和總結。

盾構施工；姿態測量；原理；測量精度

隨著我國城市軌道交通建設進入快速發展時期，城市地鐵因集約化、高效率、大容量、低污染等特點也迎來了前所未有的發展機遇和建設熱潮。近期，我國40余座城市的軌道線路規模將超過3400 km，投資總額將超過萬億。作為城市地鐵施工的主要施工方法和手段，有著180年歷史的盾構施工技術也發展迅速，現代盾構掘進機(TBM)中高新技術和自動化水平越來越高，采用了如控制、遙控、測量、探測、導向、通信技術等高新技術。其中，盾構自動測量導向系統是其關鍵技術。

一、盾構姿態自動測量導向系統基本原理

盾構自動測量導向系統是集測量技術、激光傳感技術、計算機技術、無線通信技術、機械電子技術于一體的綜合系統，由多種不同類型的精密傳感器組成，能夠準確實時測量盾構機的姿態和位置，并計算顯示出盾構機相對設計掘進中心線之間的偏差和偏角。

目前國內外的盾構姿態測量系統有3種模式，分別是：全站儀+激光靶 (laser target)的激光導向模式(代表系統有德國VMT公司的SLS-T系統、英國ZED、德國TACS公司的ACS系統、上海米度的MTG-T系統)；全站儀+兩棱鏡+傾斜儀模式(代表系統有德國PPS、日本演算工房的ROBOTEC系統、上海米度系統、上海力信的RMS-D系統)；陀螺儀全站儀模式(日本東京計器株式會社開發的TMG-32B系統和Tellus導向系統)。

3種系統中，激光靶系統精度高，智能化程度高，成本高；棱鏡系統精度稍差，但維修方便，成本低；陀螺儀全站儀模式依賴陀螺儀精度和人員素質，國內還沒有普及。

1. 盾構姿態需要測量的參數

盾構機的姿態指盾構機前端刀盤中心(簡稱“刀頭”或“切口”)的三維坐標和盾構筒體中心軸線在3個相互垂直平面內的轉角等參數。盾構機姿態的主要參數有以下9個：刀盤切口里程、刀盤切口方向偏差、刀盤切口高程偏差、盾尾方向偏差、盾尾高程偏差、盾構滾動角、盾構俯仰角、盾構方位角、環號，如圖1、圖2所示。

圖1　盾構姿態測量系統示意圖

圖2　盾構機刀盤滾動角示意圖

2. 測量姿態時的原理及公式

(1) 水平角和仰俯角的確定

激光靶系統是通過計算激光與CCD軸線之間的夾角(水平方向β，垂直方向γ)，然后對比激光在絕對坐標系的方位角和豎直角，從而計算出盾構機的水平角和仰俯角。如圖3所示，設p(xp,yp)為激光靶上的激光點坐標，則

圖3　激光靶系統中激光與CCD軸線的關系

(2) 切口中心坐標

如圖4、圖5所示，因激光靶中心的大地坐標由導線上的全站儀測得，盾構機的滾角、仰俯角、水平角可以由傾斜儀和激光靶數據測得，激光靶坐標系中切口中心的坐標為(a,-b,-c),激光靶中心大地坐標為(x0,y0,z0)，通過坐標系的旋轉和平移，可以求得切口中心在大地坐標系下的坐標，即

(3) 盾構中心坐標計算

直線段盾構中心和線路中心重合，盾構姿態相對容易獲取。在平曲線段(圓曲線段和緩和曲線段)，盾構中心軸線和線路曲線的切線方向重合，小半徑及盾構始發時會出現偏離值的矢距，這也是曲線段盾構姿態測量的關鍵。

圖4　激光靶坐標系在曲線下的模型

圖5　激光靶坐標系后視圖

根據激光靶到盾構中心M的相對平面距離(c,d)、激光靶中心的大地平面坐標(x0,y0)及切口中心坐標(x,y)，可以求出盾構中心坐標

式中，曲線右偏取+，左偏取-。

式中

經過M點的理論坐標和實測坐標進行比較，即可求出盾構中心偏移的矢量ΔM，即

通過對比矢量的大小來判斷盾構中心偏離線路中心的距離，從而進行盾構姿態修正和相關操作。

(4) 盾構姿態之切線方向

盾構機在曲線段施工的理想狀態是其盾構中心軸線與曲線切線方向保持一致。盾構中心軸線方位角可以根據盾構中心坐標和切口中心坐標反算求得αO-M，而曲線切線方位角可以根據其與過ZH點的切線方位角之間關系求得，其差值即為盾構中心線的切線偏差，即

δ=αZH切線±βi-αO-M

需要注意的是，此時的盾構偏角δ為實測盾構中心軸線與該曲線的理論切線之間的偏角，偏角δ真實反映了盾構機偏離理論水平曲線的偏差。它不同于激光靶的水平偏角β，β角是指全站儀前視與激光靶之間相對偏差，但是在直線段盾構機施工時水平偏角β可以等同于盾構偏角δ。

二、盾構施工及姿態測量的精度分析

地鐵區間隧道的貫通誤差中，橫向貫通測量中誤差限差為50 mm，高程貫通測量中誤差限差為25 mm。貫通誤差主要來源于地面控制測量誤差、豎井聯系測量誤差、進洞洞口中心坐標誤差、地下導線測量誤差、盾構姿態測量誤差5個方面。

3) 影響地鐵貫通精度的主要是橫向貫通誤差，若n為設站數，mβ為測角中誤差，L為隧道總長，mα為起始方向中誤差，則橫向誤差公式為

4) 盾構施工誤差是地鐵隧道貫通誤差的重要組成部分，其取決于盾構結構的形式、盾構震動、管片位移、管片旋轉、系統儀器類型精度和狀態、后視定向次數、測量環境(溫度、濕度、粉塵等)、測量窗口大小、激光靶(棱鏡)到刀盤切口的距離等。相關規范要求盾構機盾尾偏差小于10～15 mm，刀盤切口偏差小于20～25 mm。而搬站、導線復測前后，盾構姿態可能有所改變，一般相差20～30 mm屬于正常范圍。若發現姿態數據短時間內異常變化大于50 mm或跳動大于30 mm以上，應及時調整盾構位置和姿態的參數。

5) 盾構導向系統中儀器精度要求

由于盾構姿態數據計算的精度要求較高，包括橫豎向偏差、仰俯角、滾轉角等數據精度要求，故對激光靶和全站儀相關精度指標也應做出以下要求，見表1。

表1

三、結束語

1) 盾構施工時除盾構位置和姿態自動測量系統外，還應加入人工測量的數據、推進油缸的狀態參數及地下土層的特性參量，共同計算分析盾構機的掘進趨勢。

2) 對于盾構機俯仰角的參數測量，可以根據高程控制網和全站儀三角高程測量的方法，結合激光靶的傾斜儀數據進行綜合求得，特別在掘進豎曲線時應充分考慮豎曲線的坡度和預拱度。

3) 在有油缸鉸鏈的盾構機模式下進行姿態計算時，需要考慮其切口中心坐標值與激光靶中心坐標的相關性。

4) 為了減少由于盾構自轉所產生的管片拼裝困難，盾構旋轉量應控制在±30以內。盾構自轉角度大于10mm/m或盾構機位置偏離大于50mm時，可能發生盾構偏差超限、糾偏困難，危及盾構與地鐵隧道施工安全。

5) 盾構姿態人工測量每周不少于1次，最長掘進距離不應大于150m。盾構掘進至離洞口封門結構100m時，必須作一次盾構推進軸線的方向傳遞測量，以逐漸調整盾構軸線。盾構施工60m以后，隧道結構已經穩定，在此設置地下控制點。導線點的穩定情況，通過重復測量確定，一般不少于3次。

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Comparative Study of Shield Posture Measuring Principle and Accuracy Analysis

JIANG Liutao，ZHAI Yan

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0263.

2015-10-26

陜西鐵路工程職業技術學院科學研究基金

姜留濤(1982—)，男，碩士，講師，從事測繪類教研和管理工作。E-mail：chxbgs@126.com

P258

B

0494-0911(2016)08-0086-03

引文格式：姜留濤，翟燕.盾構姿態測量原理的比較研究及精度分析[J].測繪通報，2016(8)：86-88.