浅谈盾构隧道工程测量.doc

兰州交通大学继续教育学院 毕 业 设 计 论 文 浅谈盾构隧道工程测量 专 业：工程造价 班 级：2011级工程造价3班 姓 名： 学 号： 指导老师： 毕业设计（论文）任务书班级：11级工程造价3班 学生姓名： 学号： 题目：盾构隧道工程测量1、本论文的目的、意义：近几年来,我国许多大城市,伴随着城市交通流量的激增和地表空间的减小,地下空间不断开发,城市隧道施工工程中,作为不影响城市商业、交通功能的盾构法以其施工对周围环境影响小、快速的机械化施工等优点而被广泛应用于城市地下空间开发工程,尤其在地铁隧道工程中,逐渐代替传统的明挖法、暗挖法,成为一种较为普及的隧道成型工法。盾构隧道对周围环境要求较低及造价合理等优势而得到广泛的应用,并且在国内外的隧道工程中应用规模不断扩大。然而盾构测量工作是盾构隧道的重要组成部分，为工程施工提供准确的定位信息、实时监控量测施工进程地面、隧道相关变化量及周围构筑物、管线等的影响变化，为工程施工提供必要的测量数据，根据测量数据适当调整作业进度和措施方法，确保施工安全。2学生应完成的任务：盾构机姿态实时正确测定，是隧道顺利推进和确保工程质量的前提，其重要性不言而喻。在盾构机自动化程度越来越高的今天，甚至日掘进量超过二十米，可想而知，测量工作的压力是相当大的。这不仅要求精度高，不出错；还必须速度快，对工作面交叉影响尽可能小。能够在隧道施工过程中及时准确给出方向偏差，并予以指导纠偏，确保工程顺利进行。 3、论文各部分内容及时间分配：（共8周）第一部分：封面，任务书，检查表 （1周）第二部分：内容，目录，正文，参考文献 （4周）第三部分：整体修改 （3周） 指导老师： 2013年 月 日审 批 人： 2013年 月 日 15 兰州交通大学继续教育学院专科毕业论文检查表 班级：11级工程造价3班 学生姓名：王家霖 指导教师：王华强论文题目盾构隧道工程测量一、论文中期检查(论文完成情况及主要内容)：论文完成情况满足时间分配要求，主要内容的段落分配应稍加整理。如果能将建设工程盾构测量也写几方面将更全面些。 教师签字： 年 月 日二、论文结题验收： 论文对建设工程施工盾构测量的各方面分析较为透彻、全面，论据充足，对学习工程施工盾构工程测量有一定的指导意义 教师签字： 年 月 日三、论文评语及评分： 该篇论文满符合论文评阅标准要求，中心突出、论据充足、材料可靠，运用所学与实际结合，总结经验，说服力强。 教师签字： 年 月 日 内 容 摘 要为了在盾构机掘进过程中能直观、快速地反映和评价监测结果,实现自动化定位导向、控制和监测数据的信息化管理,开发了盾构测量自动导向程序,可以动态地以图表的形式直观地显示盾构行进的姿态信息。为确保盾构隧道的顺利推进和确保工程质量，随时掌握盾构姿态。准确给出线路中线、方向偏差，并予以指导纠偏，对隧道工程起到了很好的保证作用、对盾构测量中存在的一些问题给予研究。【关键词】： 盾构姿态 线路中线 自动测量目 录1 绪论 62 盾构测量的组成 72.1 盾构测量导向系统的组成 2.2 盾构测量导向系统和盾构机控制测量在盾构施工中的地位和作用 3 盾构机测量导向系统原理 83.1盾构机测量导向系统涉及的坐标系 3.2描述盾构机姿态的要素 3.3测量导向系统原理和工作过程.4 盾构机控制测量114.1 盾构机控制测量的原理4.2 盾构施工控制测量5 影响测量导向系统和盾构机控制测量精度的因素12结 束 语 14参 考 文 献151 绪论1.1盾构测量的发展背景20世纪70年代以来，盾构掘进机施工技术有了新的飞跃。伴随着激光、计算机以及自动控制等技术的发展成熟，激光导向系统在盾构机中逐渐得到成功运用、发展和完善。激光导向系统，使得盾构法施工极大地提高了准确性、可靠性和自动化程度，从而被广泛应用于铁路、公路、市政、油气等专业领域。 全面理解激光导向系统的原理，有助于工程技术人员在地铁的盾构施工中及时发现问题，解决问题，保证隧道的正确掘进和最后贯通；有助于国产盾构机研制工作的开展。1.2盾构测量的研究意义 基于对已有同类系统优缺点的分析，为达到更好的实用效果，我们就此从新进行整体设计，理论原理和方法同过去有所不同，主要体现在：其一，系统运行不采用直接激光指向接收靶的引导方式，而是根据测点精确坐标值来对盾构机刚体进行独立解算，计算盾构姿态元素的精确值，摈弃以往积分推算方法，防止误差积累；其二，选用具有自主开发功能的高精度全自动化的测量仪，测量过程达到完全自动化和计算机智能控制；其三，在理论上将平面加高程的传统概念，按空间向量归算，在理论上以三维向量表达，简化测量设置方式和计算过程。 目前全站仪具备了过去所没有的自动搜索、自动瞄准、自动测量等多种高级功能，还具有再开发的能力，这为我们得以找到另外的测量盾构机姿态的方法，提供了思路上和技术上的新途径。 系统开发着眼于克服传统测控方式的缺点，提高观测可靠性和测量的及时性，减少时间占用，最大限度降低人工测量劳动强度，避免大的偏差出现，有利于盾构施工进度，提高施工质量，在总体上提高盾构法隧道施工水平。系统设计上改进其他方式的缺点，在盾构推进过程中无需人工干预，实现全自动盾构姿态测量。1.3盾构测量的使用情况现有系统其依据的测量原理，是把盾构机各个姿态量（包括：坐标量X.Y.Z，方位偏角、坡度差、轴向转角）分别进行测定，准确性和时效性受系统构架原理和测量方法限制，其系统或者很复杂而降低了系统的运行稳定性，加大了投入的成本，或者精度偏低，或者功能不足，需配合其他手段才能完成。 国外生产的盾构设备一般备有可选各自成套的测量与控制系统，作业方式主要以单点测距定位、辅以激光方向指向接收靶来检测横向与垂向偏移量的形式为主。另外要有纵、横两个精密测倾仪辅助。有些（日本）盾构机厂商提供的测控装置中包括陀螺定向仪，采用角度与距离积分的计算方法，对较长距离和较长时间推进后的盾构机方位进行校核，对推进起到了指导控制作用。二 盾构测量的组成2.1 盾构测量导向系统的组成 测量导向系统是综合运用测绘技术、激光传感技术、计算机技术以及机械电子等技术指导盾构隧道施工的有机体系。激光全站仪（激光发射源和角度、距离及坐标量测设备）和黄盒子（信号传输和供电装置）；激光接收靶（ELS Target，内置光栅和两把竖向测角仪）、棱镜（ELS Prism）和定向点（Reference Target）；盾构机主控室（TBM Control Cabin）：由程控计算机（预装隧道掘进软件，具有显示和操作面板）、控制盒、网络传输Modem和可编程逻辑控制器（PLC）四部分组成；油缸杆伸长量测量（Extension Measurement）装置等。其中，隧道掘进软件是盾构机激光导向系统的核心。2.2盾构测量导向系统和盾构机控制测量在盾构施工中的地位和作用 盾构法施工过程。在隧道掘进模式下，测量导向系统是实时动态监测和调整盾构机的掘进状态，保持盾构机沿设计隧道轴线前进的工具之一。在整个盾构施工过程中，测量导向系统起着极其重要的作用：(1)在显示面板上动态显示盾构机轴线相对于隧道设计轴线的准确位置，报告掘进状态；并在一定模式下，自动调整或指导操作者人工调整盾构机掘进的姿态，使盾构机沿接近隧道设计轴线掘进。(2)获取各环掘进姿态及最前端已装环片状态，指导环片安装。(3)通过标准的隧道设计几何元素自动计算隧道的理论轴线坐标。(4)和地面电脑相连，对盾构机的掘进姿态进行远程实时监控。 从盾构施工基本过程可以看出，测量导向系统不能够独立完成导向任务，在盾构机始发、该系统启用之前，还需要做一些辅助工作：首先，激光全站仪首次设站点及其定向点坐标，需用人工测定。其次必须使用人工测量的方法，对盾构机姿态初值进行精确测定，以便于对激光导向系统中有关初始参数（如激光标靶上棱镜的坐标，内部的光栅初始位置及两竖角测量仪初值等）进行配置。盾构机姿态是指盾构机前端刀盘中心（以下简称“刀头”）三维坐标和盾构机筒体中心轴线在三个相互垂直平面内的转角等参数。盾构机姿态除了可以通过人工测量、单独解算方式获得外，还可以由导向系统实时、自动地获取。用人工测量方式获得盾构机姿态的过程，被称作“盾构机控制测量”。盾构机控制测量的另一个作用是：在盾构机掘进过程的间隙，对激光导向系统采集的盾构机姿态参数进行检核，对激光导向系统中有关配置参数进行校正。 3 盾构机测量导向系统原理 3.1盾构机测量导向系统涉及的坐标系 为了阐明测量导向系统的原理，首先介绍一些与盾构机及隧道有关的坐标系。 (1) 地面直角坐标系（O-XYZ）：简称地面坐标系，根据隧道中线设计而定，一般为地方坐标系。洞内(外)控制点、测站点、后视点以及隧道中线坐标，均用该系坐标表示。 (2) 盾构机坐标系（F-xyz）：在盾构机水平放置且未发生旋转的情况下，以盾构机刀头中心前端切点为原点，以盾构机中心纵轴为x轴，由盾尾指向刀头为正向；以竖直向上的方向线为z轴， y轴沿水平方向与x、z轴构成左手系。盾构机坐标系是连同盾构机一起运动的独立直角坐标系。盾构机尾部中心参考点、盾构机棱镜等相对盾构机的位置都以此系坐标表示。 (3) 棱镜中心坐标系（P-xyz）： 原点为安装在盾构机尾部的棱镜的中心，与盾构机坐标系平行。 3.2描述盾构机姿态的要素描述盾构机姿态的参数有：刀头坐标（xF，yF，zF）：水平角A；倾角；旋转角。 由盾构机姿态及设计隧道中线，可推算如下数据：刀头里程：刀头、盾尾三维偏差；平面偏角（Yaw）：盾构机中心轴线和设计隧道中线在水平投影面的夹角；倾角（Pitch）：盾构机中心轴线和设计隧道中线在纵向（线路前进方向）竖直投影面的夹角；旋角（Roll）：盾构机绕自身中心轴线相对于水平位置旋转的角度3.3测量导向系统原理和工作过程测量导向系统的英文本义是“盾构指导系统”，在盾构施工中有指导隧道掘进、指导环片安装、数据采集等多种功能；其中指导掘进是核心功能。本文仅研究测量导向系统指导掘进的原理。 在掘进过程中，测量导向系统按如下流程工作：由系统控制激光全站仪实时测定盾构机棱镜的三维地面坐标；同时发射激光自动照准激光标靶，并自动记录激光水平方位角；标靶内部光栅捕获激光的入射角，间接得到盾构机纵轴水平方位角；利用安装在标靶中相互垂直两立面内的两把测角仪测得盾构机倾角和旋转角。利用以上参数及刀头、盾尾、棱镜中心三者的几何关系，通过空间坐标变换解算刀头、盾尾中心坐标，结合设计隧道中线参数计算盾构机与隧道中线的相对偏差。依据各偏差值拟合改正曲线，由PLC根据修正曲线控制机械装置，调整各油缸杆在不同时刻的伸长量。如此反复，指导盾构机掘进。该导向过程包括如下5个步骤。 3.3.1棱镜P点坐标和旋转参数的获取 P点坐标(XP,YP,ZP)：由系统控制架设在隧洞顶部吊篮上的激光全站仪自动测量。盾构机水平方位角：设自激光全站仪发射到激光标靶的激光束的水平方位角为A0，光栅根据折射率捕获的激光入射角为。则系统获取盾构机方位角为A=A0-。 竖向倾角和旋角：依靠ELS中的两只相互垂直的测角仪测得。本文规定A顺时针旋为正，、逆时针旋为正。3.3.2刀头、盾尾中心的地面坐标系三维坐标解算 1）将盾构机坐标转化为棱镜中心坐标： 设刀头中心F、盾尾中心B及棱镜中心在盾构机坐标系 中的坐标分别为（0,0,0）（xB,yB，zB）和（xP,yP,zP）则三点在棱镜坐标系中的坐标为（-xP, -yP, -zP）、（xB -xP, yB -yP, zB -zP）和（0,0,0）。 2）刀头、盾尾中心地面坐标解算： 刀头中心在地面坐标系中的三维坐标为 3.3.3刀头、盾尾里程及盾构机与隧道中线相对偏差解 根据解出的刀头、盾尾地面坐标和隧道中心轴线设计参数，计算刀头、盾尾里程，难点是刀头和盾尾位于隧道中线缓和曲线段的情形，以及刀头、盾尾里程处设计隧道轴线平面坐标和高程。进而根据盾构机刀头、盾尾中心坐标、高程和对应的隧道中线理论坐标、高程，容易计算得到刀头、盾尾横向偏移和竖向偏移。测量导向系统的显示面板在掘进模式下动态显示盾构机姿态及偏差。内容包括：以图形和数字方式显示刀头、盾尾横向偏差和竖向偏差，以数字方式显示刀头里程、水平偏角、纵向倾角和旋转角等参数。3.3.4拟合修正曲线以盾构机横向、竖向偏移量和设计隧道中线为参数，拟合修正曲线。可人工输入修正曲线的曲率半径等参数，以控制盾构机回到设计轴线的速度。3.3.5推进 根据修正曲线由可编程逻辑控制器（PLC）控制机械设备，调整各油缸杆的伸长量。4 盾构机控制测量 4.1 盾构机控制测量的原理是：通过人工测量盾构机体上具有精确盾构机坐标的若干个(盾构机始发前，机体全身多于16个；在隧道掘进中，仅尾部16个可见)参考点的地面坐标系坐标，以著名的“Bursa-wolf模型”为基础，建立盾构机姿态解算改进模型，按最小二乘原理平差解算两坐标系的转换参数，即得盾构机姿态参数。4.2 盾构施工控制测量 盾构施工控制测量最大特点是所有的控制导线点和控制水准点均处运动状态,所以盾构施工测量中导线的后延伸测量和水准点的复测显得尤为重要。(1)地下导线测量导线直线段约150m布设一个控制导线点,曲线段控制导线点(包括曲线要素上的控制点)布设间距不少于60m。按等导线的技术要求施测.每次延伸施工控制导线测量前,对已有的施工控制导线前3个点进行检测无误后再向前延伸。施工控制导线在隧道贯通前测量5次,其测量时间与竖井定向同步。当重合点重复测量的坐标值与原测量的坐标值较差小于10mm时,采用逐次的加权平均值作为施工控制导线延伸测量的起算值。在掘进1000m和2000m时,加测陀螺方位角加以校核。(2)盾构机始发测量盾构机导轨定位测量盾构机导轨测量主要控制导轨的中线与设计隧道中线偏差不能超限,导轨的前后高程与设计高程不能超限,导轨下面是否坚实平整等。 反力架定位测量反力架定位测量包括反力架的高度、俯仰度、偏航等,反力架下面是否坚实、平整。反力架的稳定性直接影响到盾构机始发掘进是否能正常按照设计的方位进行。5 影响测量导向系统和盾构机控制测量精度的因素 测量主攻手向系统和盾构机控制测量中，盾构机姿态解算的方法有本质区别：测量导向系统，通过直接采集一个参考点（P）地面坐标和三个转角参数，正解刀头、盾尾地面坐标；盾构机控制测量是通过采集多个(至少3个)参考点地面坐标，反解刀头、盾尾地面坐标和三个转角参数。正解不含平差，反解运用了最小二乘原理平差。因此，从理论上讲，后者在盾构机姿态解算方面比前者更能有效地减少或消除偶然误差。这也是采用盾构机控制测量对测量导向系统进行参数配置和校核的原因。 不论是测量导向系统,还是盾构机控制测量,原始依据都是用支导线形式获得的测站坐标和定向点（后视）坐标。对于前者，三个转角的精度取决于光栅和测角仪的灵敏程度，其误差相对于测站误差和定向误差微乎其微。对于后者，盾尾参考点的盾构机坐标，由于在出厂前精确测定，误差亦可忽略。因此，激光导向和盾构机控制测量的误差主要集中在测站点三维坐标和后视方向上。另外，由于隧道内空气温、湿度条件对视线和激光都会产生折光影响，使得激光导向系统和盾构机控制测量测角均产生误差。 结 束 语在盾构施工中，采取以下措施，可提高测量导向系统的测量精度： (1) 在掘进始发前进行盾构机控制测量时,注意观测参考点的均匀分布、足数和有可能含粗差点的判定和剔除,以便精确解算盾构机初始姿态参数,保证激光导向系统正确初始化。 (2) 向系统正确输入隧道平曲线、竖曲线参数。 (3) 提高地下支导线的精度 ，并及时对激光全站仪设站点、定向点坐标进行人工检测。 (4) 随隧道掘进、环片拼装进度，及时对激光全站仪进行移站，以减少外界温、湿度等气象条件的影响。一般激光全站仪到盾构机上棱镜最远距离，在直线段不应超过200m,在曲线段不应超过100m。 (5) 隧道掘进过程的间隙，及时进行盾构机控制测量，以检核、修正测量导向系统的有关参数。 参 考 文 献1、朱肇光,孙护,崔炳光. 摄影测量学M.北京:测绘出版社,1995.2、刘基余,李征航等.全球定位系统原理及其应用M.北京: 测绘出版社,1993.3、武汉测绘科技大学测量平差教研室.测量平差基础M.北京: 测绘出版社，1996.4、秦世伟,陈小枚.快速确定交通线路加桩的简要方法探讨J.测绘通报,2001,(1).5、许曦,刘庆元等.基于牛顿法的缓和曲线加桩计算J.测绘通报,2004,(4).6、潘国荣,王穗辉.地铁盾构施工中的若干手段及方法J.测绘通报,2001,(1).7、秦长利.提高盾构施工测量精度的要点及方法J.北京测绘,2003,(3).