《盾构施工测量技术》PPT课件.ppt

盾构施工测量技术 摘要： l 通过对盾构施工测量技术的研究，并结合 客大盾构的具体情况，制定合理的测量方案， 使地面控制测量和竖井联系测量达到最佳效果 ；初步选定盾构隧道内施工测量控制网布设形 式、控制点埋设位置、控制点样式及埋设形式 ；结合盾构施工的特点，研究和分析盾构机本 身导向系统的使用功能，工作原理及应用；结 合盾构机特点研究一套对盾构机自动导向系统 测量的准确性进行复核测量，以及对盾构机和 管片进行定时姿态测量的方法。 一、盾构隧道施工测量误差来源及分配 二、盾构隧道施工地面控制测量的研究 与应用 三、地下控制测量 四、洞内单导线的估算 五、盾构姿态测量 目 录 一、盾构隧道施工测量误差来源及分 配 l为保证贯通测量有足够精度，我测量组针对盾 构施工测量的特点进行误差分析，为以后的测 量工作在精度控制上有所保证和提高。 l1、盾构隧道施工测量的误差来源 l结合盾构施工的特点，地铁隧道贯通测量误差 主要来自于以下几个方面： la.地面控制测量； 一、盾构隧道施工测量误差来源及分 配 lb.竖井联系测量； lc.激光站吊篮测量； ld.地下延伸导线测量； le.盾构姿态测量。 l2、隧道贯通误差限值控制及各阶段对测量误 差分配 l本工程的允许横向误差不超过50mm，高程允 许误差不超过50mm，故其相应的中误差为 25mm。 （1）平面测量的误差分配 l横向贯通误差来源主要由地面控制导线测量误 差、近井点联系测量误差，地下延伸导线测量 及盾构机本身姿态的定位测量误差等影响因素 。其他因素影响较小可以忽略不计。假设各项 误差相互独立，则有： lmQ2=mq12+mq22+mq32+mq42 l式中：mq1：地面控制测量横向中误差； l mq2：盾构施工竖井联系测量中误差 ； l mq3：地下导线测量中误差； l mq4：盾构姿态的定位测量中误差； l mQ：隧道平面贯通的横向中误差。 （1）平面测量的误差分配 l考虑到本工程的实际情况，以及所用测量方法 和已建地铁测量工作的实际经验，各种误差对 横向贯通精度的影响，采用不等精度分配原则 ，取值如下： lmq1=n mq2=3n mq3=3n mq4=2n l代入式中得： lmQ=(mq12+mq22+mq32+mq42)1/2=4.8n l根据设计要求，本工程允许横向贯通误差为 50mm，则其中误差mQ=25mm。 ln=25/4.8=5.2mm l从而可以求得每道工序的测量中误差： lmq1=5.2mm mq2=15.6mm mq3=15.6mm mq4=10.4mm （2）高程测量误差分配 l高程测量的误差计算公式为： lmH2=mh12+mh22+mh32+mh42 l式中：mh1：地面高程控制测量中误差； l mh2：竖井传递高程的测量中误差； l mh3：盾构机姿态高程测量中误差； l mh4：由盾构进洞处到隧道贯通处地下水准测量 中误差； l mH：区间隧道高程贯通测量中误差。 l根据地铁测量的经验，高程测量误差采用不等精度分 配取值如下： lmh1=14mm mh2=10mm mh3=10mm mh4=14mm l代入式中得mH=24.3mm25mm 总结: l按上述分配，进行平面和高程控制测量 ，只要把握每一环节的误差范围，都能 满足本工程区间隧道的贯通测量的精度 要求。 二、盾构隧道施工地面控制测量的研究与 应用 平面控制网测量 高程控制网测量 地面控制测量 1、地面平面控制网的布置 l盾构机从大塘北端头施工竖井出发在中间风井第一次 小的贯通，在从中间风井出发最终在客村调头断面处 贯通，盾构隧道掘进示意图如图1,我们根据业主给的 二号线的GPS导线点和一级导线控制网，在我们分别在 始发井、中间风井和客村竖井近井位置设置我们需要 往井下传递的导线点，在始发竖井、中间风井和客村 竖井附近各布设4个近井导线点，其中两个点作为坐标 起算和起始方向，另两个点作检核方向。 l盾构施工导线平面控制网，起算于地铁2号线首级GPS 控制网和一级导线控制网，采用规范规定的四等技术 要求进行观测。 盾构隧道掘进示意图 2、地面高程控制网的布设 l为了方便地下盾构隧道施工及地面的变 形监测，在线路沿线布设一条二等加密 水准线路，采取往返等距二等水准的施 测方法观测，往返闭合差不大于8L1/2， （L为单程水准线路长度，以千米计）。 3、地面控制测量实施 l根据现场情况，利用业主交给的GPS点和一级 精密导线网经复测后，再延伸到每个竖井近井 点。 l延伸的近井导线点必须要满足下一道测量工序 的需要，选点的位置必须要保证在现场不被破 坏和扰动。 l下图为地铁三号线大塘站地面控制网布设形式 ： 图1 大塘站地面控制网布设示意图 图1 大塘站地面控制网布设示 意图 4、竖井联系测量 l竖井联系测量是隧道贯通中的一个重要环节，它主要 是将地表的平面及高程，通过井筒传至地下导线点及 水准点，使洞内、外形成统一的空间坐标系统，以便 确定隧道中线的空间位置。因此，竖井联系测量的内 容包括： la.投点：将井口点位投影至井底，以便传算坐标和方 位； lb.定向：将井上定向边的方位角按同一坐标系统传递 井下的定向边，以便推算井下导线的起始坐标和方位 ； lc.导高：将井上水准点的高程按同一高程系统传递到 井下。 （1）竖井定向方法 l根据地下铁道测量的精度等级要求和现 有测量仪器的情况，我们在实际工作中 利用现有的仪器和现有的条件制定了我 们的测量方法，经过分析我们的线路长 度只有1.2公里，用传统的联系测量方法 就能满足我们的精度要求。 （2）竖井联系测量的要求 la.在进行联系测量前，须制定测量方案，根据地面控 制测量，建立近井点平面控制和高程控制，在井底车 场稳固的地面埋设不小于三个永久导线点和水准点， 也可用永久导线点作为水准点。 lb.联系测量在同阶段、同时期应至少独立进行两次， 在互差不超过限差时，取加权或算术平均值。其精度 应符合规范要求。 lc.每次联系测量前，应对近井平面控制点和水准点进 行检测，在证实点位没有移动的情况下，才能进行联 系测量。 ld.联系测量方案应根据仪器设备、技术水平及工程情 况选定。其基本原则是在满足测量精度的条件下，最 大限度的提高工效，优先选用新技术。凡井深大于40m 时，应根据横向及高程贯通精度要求进行竖井联系测 量技术设计。 3）竖井联系测量坐标和方位角传递选用的 方法： l（a.坐标和方位角传递选用下列方法： 当井筒不太深（100m以内），井筒直径 较大时，可采用联系三角形测量法：当 开挖面距竖井中心小于50m，可采用串线 法（方向线法），超过50m以上，以光学 投点配合陀螺仪定向方法为主； 当两井 间已贯通，可采用两井定向法。 3）竖井联系测量坐标和方位角传 递选用的方法： lb.高程的传递方法有：井深在40m以内， 可以采用钢丝导入法或长钢尺导入法； 超过40m，宜采用光电测距法。 （4）联系测量步骤如下: l在竖井中悬挂两根吊锤线B、A，称为 投点，吊锤重量和吊锤丝的直径随井深 的不同而不同（例如在井深为100m时， 吊锤重60kg，钢丝直径为0.7mm），为了 使吊锤很快静止下来，一般将其放入盛 有油类液体的容器中。等待钢丝静止下 来后，在井上井下钢丝上贴反射棱镜片 。 （4）联系测量步骤如下: l在近井控制点C设置全站仪，后视另一 控制点D，观测水平角DCB和DCA，即 图中和，并用全站仪测量三角形的边长a 、b和c。在地下架仪器于地下近井点C ，类似观测和，并测量a、b和c。 其中B和A分别为B、A的投影点，D 为另一导线点。三角形ABC和三角形AB C称为联系三角形。 l井上井下联系三角形应满足下列要求： （4）联系测量步骤如下: la.两悬吊钢丝间距不应小于5m。 lb.定向角应小于3 lc.a/c及a/cd的比值应小于1.5倍。 ld.用J2级仪器在地面、地下按全圆测回法 均观测4测回。 （5）竖井定向精度分析： l经过竖井用联系三角形法将方向角传 递到地下去时，地下导线起始方位角 的误差，可用下式表示： lM0=( M0)S 2+( M 0) 2+( M 0)P 2)1/2 l其中：( M0)S为边长测量所引起的计算 角度的误差 l( M0)为角度观测误差的影响 （5）竖井定向精度分析： l( M0)P为用吊锤投点误差的影响 l地面与地下联系三角形的形状相似，则 l( M0)S= l如果ms=0.8mm，=3，a=4.5m， b/a=1.5m，则： l( M0)S=4.6 （5）竖井定向精度分析： l( M0) 2= l在实际工作中可以认为地下方向观测 的误差约等于地面上方观测误差的一 倍半,即m1=1.5m，若再取b/a=1.5， 则 l(m0) 2=23.25m2（1+1.5+2.25） =30.9m 2 l(m0)=5.5m l如地面测角中误差规定为4，于 是方向中误差为m=3 （5）竖井定向精度分析： l故得(m0)=16.5 l当竖井深为80m，吊锤线的距离为5m时，其投点误 差引起的方向误差大约为(m0)p=8 l则地下导线起始方向角的误差为： lmo= l = l =19 l在进行竖井定向时，都要移动吊锤线，使方向的 传递经过不同的三组联系三角形，进行的定向称 为一次定向。三组联系三角形定向平均值的中误 差为11”。 小总结： l经过理论探讨和实践证实：地铁区间线 路较短，而且中间有设置中间风井，用 联系测量的方法传递方位和高程可满足 我盾构施工贯通精度的需要，是一种较 好的竖井定向方法，不仅提高了定向精 度和定向的可靠程度，而且大大减少了 定向时由于误操作造成的返工，提高了 工作效率。 三、地下控制测量 l1、联系测量完成之后，我们得到经传递 到地下起始边和高程，然后就是怎样布 设施工测量控制导线，以指导盾构机掘 进。 l2、地下导线随着盾构推进而不断延长， 导线点也随着盾构掘进而向前进行布设 。根据我们施工无数次的测量复测发现 盾构施工隧道的特殊性，地下施工控制 导线精度将主要受到隧道里的折光的影 响和不稳定的隧道管片环影响。 三、地下控制测量 l3、为了消除和减弱折光差对横向贯通误 差的影响，我们将施工测量控制导线点 埋设在隧道两侧并且交叉向前延伸达到 消除或减弱折光差影响的目的。 图3 托盘控制点布置图 三、地下控制测量 l5、经过我们对施工控制导线长期的测量 发现在埋设和测量时应注意以下几个方 面： la、导线点一定要埋设在稳固、标志完好 的地点。 lb、直线段施工控制导线点的平均边长 180m左右，特殊情况下，不应短于100m ，曲线段施工控制导线点的平均边长 150m左右，并要交叉分布。 三、地下控制测量 lc、施工控制导线测量宜采用II级全站仪施测 ，左、右角各测两测回，左右角平均值之和与 360较差应小于4，边长往返观测各两测回 ，往返观测平均值较差应小于7mm。 ld、施工控制导线最远点点位横向中误差应控 制在25mm之内。每次延伸导线之前，应对已 有的洞内导线前三个点进行检测。如有变动应 选择另外稳定的洞内导线点进行洞内延伸导线 测量。 le、洞内施工控制导线应在盾构掘进300-400m 重复测量一次，每次测量的方向角应小于7 ，在取重合点两次角值的平均值作为本次的测 量结果。 四、洞内单导线的估算 l盾构法施z工洞内的测量空间较大，顾我 们布设成等边直伸导线，我们都知道横 向误差是制约盾构隧道贯通的主要因素 ，按等边直伸形导线估算，其最远点横 向误差可用下式计算。 l式中：ma：测角中误差 L：支导线长 度；N：支导线边数。 四、洞内单导线的估算 l根据上式，按 边长平均150m ，测角中误差 为2.5计算， 我们计算出地 下控制导线任 意一点的横向 误差。下表给 出了不同长度 和边数的导线 最远点横向误 差。（见右图 ） 四、洞内单导线的估算 l从上图可以看出，当地下控制采用单一支导线 形式，在一定的支导线长度和边数下，其精度 很难大幅度提高。但是，由于盾构隧道工程贯 通距离短，且中间还设有中间风井，所以很容 易满足工程贯通精度要求。从表中我们不难看 到隧道超过2千米精度很难有所保证，所以地 下导线应布设成导线网、线形锁等形式，还可 以适当加测陀螺方位角来提高定向边的精度， 对于城市地铁盾构法施工的隧道来说，现在的 设计在500-1000米之间都设有中间风井，我们 可以在中间风井贯通后再做两井定向，无形中 又大大提高了我们的测量精度，以上可以作为 在各种情况下今后盾构施工测量的依据。 五、盾构姿态测量 l1、盾构施工自动导向测量 l（1）自动导向系统的作用与优势 五、盾构姿态测量 l盾构施工之前首先要将测量控制点从地面引到 井下地板上,检查好洞门的位置,调试好盾构机 始发托架,确保盾构机始发前定位的准确性。 盾构机掘进过程中的姿态控制是盾构法施工中 控制隧道精度的关键，也是盾构施工操作水平 的主要反映。因此，测量人员需要实时为盾构 机操作手提供盾构机偏离隧道设计中线的数值 及盾构机自身的仰俯、旋转和偏航情况，作为 纠编的依据，以确保运动中的盾构机始终被控 制在理想的偏差范围之内。 五、盾构姿态测量 l客大盾构项目采用德国VMT公司生产的SLS- T自动导向系统进行控制，该系统是目前世 界上在地铁盾构法施工领域最为先进的隧 道掘进机自动导向系统。加强了施工过程 中的管理水平和提高工程自动化控制程度 ，减轻了人工测量的劳动强度，提高盾构 施工的速度，其主要目的就是为了确定各 相关点的坐标，通过系统在盾构机操作室 的电脑上显示前后参考点的水平和垂直偏 离值、里程。使用该系统可以满足盾构法 施工测量的需要。 lSLS-T目前作为国际最先进的盾构测量导向 系统，同人工逐环测量导向系统及陀螺加 机械装置等方法相比较，主要有以下优点 ： 五、盾构姿态测量 la. 可以显示盾构机的行进曲线（相对DTA ）；实时显示盾构机的位置坐标和相对偏 差；实时显示盾构机的俯仰和旋转姿态， 可实现远程控制。 lb.测量复核的频率低。 lc.工作量相对小,施工过程中的导向测量需 要人员少。 ld.施工控制方便，精度高。 le. 结合导向功能，实现在管片的拼装和管 片环测量方面的应用。 五、盾构姿态测量 l（2）自动导 向系统的组成 及各部件的功 能 l SLS-T自 动掘进导向系 统主要由以下 部件组成： la:激光全站仪 l测量角度及距 离。 图4 隧道顶部激光 站位置安装布置图 五、盾构姿态测量 lb:电子激光接收靶 l接收激光全站仪的 激光，通过其可测 出盾构机的俯仰和 旋转姿态。 图5 电子激光接收靶 五、盾构姿态测量 lc:后视棱镜 l为导向系统提供后 视点。 图6 后视棱镜 五、盾构姿态测量 l d: 黄盒子 l 给激光全站仪 提供电源，同时也 实现PC机和激光全 站仪之间的通信。 le: 电脑 图7 电脑显示器 五、盾构姿态测量 lf: 网卡 lg:电缆卷盘 l此外要实现该系统的功能，相关联的部 件和软件还有：盾构机掘进系统的PLC ，要实现一些附加功能的部件如自动测 量盾尾间隙的部件、要实现管片环收敛 等量测的部件等，隧道掘进软件等。 五、盾构姿态测量 l 整个系统的 组成情况及 各个部件之 间的相互关 联如图所示 ： 图图8 8 系统相互关联图系统相互关联图 （3）自动导向系统的工作原理 lSLS-T导向系统通过人工提供相关坐标， 由激光全站仪实时测量盾构机姿态，实 现控制盾构掘进姿态的目的。工作原理 主要包括人工提供初始坐标和导向系统 的建立、盾构施工中的导向作业及数据 的处理这几个方面。 （3）自动导向系统的工作原理 l初始坐标的取得和导向系统的建立 l将地面控制点通过联系测量引至始发竖 井内，并以此作为洞内控制测量的依据 ，也是盾构机自动导向测量的依据。导 向测量系统激光全站仪及后视点的初始 坐标都是通过人工测量在竖井内控制点 的基础上测得的，并输入到计算机中， 作为下步施工中盾构机位置及姿态控制 的基础，盾构掘进过程中导向测量通过 吊篮上的强制对中点传递坐标，并通过 洞内导线点对吊篮坐标进行复核，减少 误差，确保精度。 （3）自动导向系统的工作原理 l安放激光全站仪和后视棱镜的吊篮设置 在已安装的管片上，安装吊篮时可利用 水平尺使其基本保持水平，并安置牢固 。受电缆线及线路曲线的制约，激光全 站仪往往需靠前一些，根据长期以来对 客大区间管片上浮偏移的统计，激光站 可安放在25环以后比较稳定的管片上， 确需再靠前安放在尚未稳定的管片上， 要特别注意导向系统方位检查的情况， 一旦超限，要立即检查原因或进行激光 站复测。 （3）自动导向系统的工作原理 l盾构掘进中的导向测量 l盾构机掘进过程中，安装在盾构机上的电子激 光接收靶（ELS靶）不断向前移动，安装在盾 构机后方已完成的隧道顶部的激光全站仪发出 的激光光束自动跟踪并射在ELS靶上。激光全 站仪的坐标由人工给定并提前输入电脑，系统 可根据激光入射点在光靶上的位置、角度和距 离推算出盾构机前后参考点与线路中线的偏移 值，由光靶内内置的倾斜仪可测出盾构机的转 角和俯仰角，从而得出盾构机的姿态参数。以 图文的形式在操作控制室内显示出来，以指导 盾构机的掘进施工。受导向系统电缆长度的影 响，需每隔50米左右对激光站及后视靶的位置 进行人工前移一次。 （3）自动导向系统的工作原理 l对盾构机自动导向系统调试 l为了控制盾构机自动导向系统的精度， 确保隧道的准确贯通，需定期利用洞内 的控制导线，来较核和调整激光全站仪 的坐标及人工测定盾构机的位置与SLS-T 自动导向系统显示的盾构机的位置是否 一致，而对盾构机自动导向系统进行调 试。调试工作主要是确保测量控制点稳 定、可靠，避免因吊篮控制点位移或导 向系统本身的误差引起偏差。 2、盾构机的人工复核测量 l准确测定盾构机姿态是确保隧道贯通的 重要环节。虽然盾构机所配备的测量自 动导向系统是很先进的，但是，由于制 约导向装置本身精度的主客观因素很多 ，导向装置提供的数据往往精度不高、 数据不可靠。为了使SLS-T系统测出的盾 构机姿态精准、可靠，我们必须依靠人 工测量方法对盾构机导向系统进行检核 ，对盾构机姿态进行检核测量。 2、盾构机的人工复核测量 l（1）人工复核的计算原理和方法 l盾构机的主体和盾尾之间是由铰接连在一 起，所以主体和盾尾不一定在同一状态， 要想测出盾构机姿态所利用的空间很少。 由于这些客观条件的制约，要利用人工测 出盾构机的姿态有一定的难度，人工测量 盾构机姿态是利用对盾构机盾尾的一些固 定点位的测设,通过人工计算，得出盾构机 相关的姿态参数，但计算比较繁琐。可以 借助于AutoCAD工程绘图软件进行坐标转换 ，使计算过程简单明了。 2、盾构机的人工复核测量 l盾构机制造时，在盾尾视线较好的位置 选择了许多测量点，并精确测得以前参 考点为原点的各点的三维坐标做为初始 坐标。通过人工测量，可测得其中任意 三点在大地坐标系中的三维坐标。利用 AutoCAD提供的ALGIN命令将这三点及 盾构机前后参考点的出厂初始坐标转换 为掘进中的大地坐标。各参数的计算也 借助AutoCAD软件，方法如下（客大盾 构区间采用的盾构机前后参考点的设计 距离为3.9303m）： 2、盾构机的人工复核测量 la.前后参考点与隧道中心线的水平、垂直偏离值可直接从转换过 来的前后参考点实测坐标向设计隧道中心线做垂线，list命令分别 显示出两段垂线的属性，X和Z方向的值就是偏离中心线的水平和 垂直数值。 lb.实测里程就是前参考点向隧道设计中心线所做垂足处的里程。 lc.偏航角=（前参考点的水平偏移值-后参考点的水平偏移值） /3.9303m。 ld.机体旋转角=（所测的三点中任意两点实测高程之差-该两点设 计高程之差）/该两点的三维距离 le.仰俯角=（前参考点的实测高程-后参考点的实测高程） /3.9303m. l通过以上计算，便可得出盾构机的姿态，与SLS-T导向系统进行 比较，我们确保每周人工测量一次盾构机姿态,其计算结果与SLS- T导向系统所测的结果一致。实践证明我们所采取的方法和措施 是方便可行的。 2、盾构机的人工复核测量 l（2）人工测量盾构机姿态的具体操作 l根据“开拓一号”盾构机的构造，在管片拼 装