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关于盾构机实时姿态测量和计算方法的研究

随着社会经济的发展和城市建设的加快，城市规模不断扩展，人口不断增多，交通越来越来拥挤。一些地方的城市建设者为了治理交通拥堵，分散交通压力。不断寻求解决方式，修建地铁成为了一些城市建设者的主要的选择方式。但是在修建地铁的过程中，工程量非常大，施工难度相对较高。在地铁施工过程中，采纳盾构技术，与传统的施工技术相比，有着许多优势，逐渐成为地铁修建过程中的主要施工方法。本文将主要分析盾构姿态的测量的原理和方法，探究盾构姿态的测量的精度分析。
盾构机姿态简介
盾构施工过程就像生活中的目标运动，先进行重心平移，然后在运动的过程中偏航，最后进行自身重心的滚动。因此，在盾构施工过程中，需要监测的数据是盾构机位置和姿态的参数。主要是三维坐标和滚动角、偏航角和俯仰角。
盾构机姿态的控制对整个工程施工意义重大，它决定着施工的质量和隧道推动方向的精度。一旦控制不好，容易导致隧道偏差过大和盾尾间隙过小而相碰。
盾构机液压系统
液压系统是盾构机的核心部分，盾构机的工作机构主要是由液压系统驱动完成，对盾构机系统的运行起着很大的作用。盾构机的液压系统主要包括两大系统，一是推动系统，二是主动铰接系统。

盾构机的主要工作系统是推动系统，它主要是通过油缸作用于成型观片，以此来实现盾构前进。推动系统的动力单元是一台80L/min旋转柱塞泵，执行元件是24个油缸，调节和控制部分包括方向的控制、油缸电磁阀的选择、安全阀、节流阀等。盾构机工作时的最大工作压力是35MPa，液压泵最大推动流量是80L/min，推动油缸是240/180-1950〔mm〕。

盾构机共有推动油缸24个，总推力是这24个油缸的推力之和，那么在液压系统的最大推力F最大-24×P×Sn中，P表示油缸的最大压强，S表示活塞面积，因此，F最大-24×35×106Pa××0.122㎡≈37981t

盾构机的最大推动速度就是油缸的最大伸长速度，S-1/T，T-V/S1,在这个公式中，S表示最大推动速度，T表示伸长1mm所需要的时间，V表示伸长1mm需要的油液体积，S1为推动流量，S为74mm/min。因此，当前的盾构机最大推力是1200kN,掘进速度是40—65mm/min,推动系统的制定完全符合要求。

盾构机的调向主要使用铰接系统，通过调向，使得盾构机形成一定角度，便于控制。铰接系统的动力单元是一台25L/min的高压泵，执行元件是16个270/160-190〔mm〕的油缸。
铰接系统的最大压力是35MPa，液压泵的最大流量是25L/min，铰接油缸是270/160-190(mm),铰接力F最大-P×S≈2003kN,其中，P是最大压强，S是活塞面积，盾构机自身重量是300t，钢和土体之间的摩擦系数是0.5，前盾和土体的摩擦力是Fˊ-G×ц-150t≈1500kN，G表示前盾自重，ц表示静摩擦系数。

盾构机实时姿态的计算方法

盾构机姿态测量的原理: 盾构机前体位置上要选择两个控制点，这两个控制点不能在同一条直线上，在控制点上还要安上反射片。在测量过程中，为了保证测量的便捷性，应当尽量保证这些控制点和盾尾通视，同时要保证在测量过程中，控制点上的反射片不能脱落或者是移动位置。为了保证盾构机上的控制点、刀盘中心和初始姿态的相对关系，在盾构机上已经安装好的前基准点、后基准点以及刀盘上方应当各布置一个临时观测点，并且要在盾构机的前体位置上设置一些其它观测点。盾构机工作前，应当对盾构机上的所有控制点以及临时观测点进行初始坐标测量，这样就可以测量出盾构机的具体姿态和位置信息。

盾构体的姿态测量的观测值是由两棱镜的坐标和滚动角、俯仰角组成，坐标的误差是由全站仪的精度决定的；而滚动角、俯仰角是通过双轴倾斜仪进行测量的，它的误差是由倾斜仪的精度决定的。全站仪是一种智能仪器，它主要由三部分组成，分别是电子经纬仪、光电测距仪和数据处理系统。
两棱镜安装位置确实定是很困难的，因为在安装时没有参照物，很难求得偏航角。因此，在安装两棱镜的时候，往往采用的是坐标转换的办法，通过坐标转换，就可以定位两棱镜的相对位置。盾构机的测量过程以及计算过程必定会产生误差，因此，需要对误差进行评估。

如果使用测量精度为3mm的仪器，处于刀盘中心的Z坐标的误差平均值会达到5.8mm，这个数值大约是仪器误差的两倍；如果使用精度为5mm的仪器，误差平均值会达到34mm。所以，如果能够使用高精度测量仪器，将会有效的减少盾构机的测量误差。

采纳多点符合测量就需要在盾构机上的控制点至少要在5个以上，这样既可以为符合测量做准备，也可以防止施工的时候被意外损坏的现象。

测量结果在很大程度上受控制点的位置影响，因此，在一般状况下，控制点应当布置在盾构机上的比较稳固的位置上，这样在一定程度上就能保证盾构机在施工过程中不会被意外碰到，并且能够保证和盾尾相通视。除此之外，三个控制点的位置应当尽量使他们呈三角形，并且最大程度上保证他们的边最长。
由于盾构技术具有自动化程度高、施工速度快、对四周的环境影响小等优势，施工过程中能够获得优良的综合效益，盾构技术现在已经发展成地铁施工过程中主要采纳的办法。盾构技术的姿态控制对整个施工过程影响非常大，它控制着整个施工过程的质量和精度。此外，应当建立维护液压系统的保护方案，掘进参数的设定要合理，避免长时间负荷运行，以降低设备运行风险。