盾构姿态测量方法.pdf

公路隧道 2011 年第 1 期 总第 73 期 盾构 姿态 测量方法 冯宝新 王解先 1 上海瑞纳信息技术有限公司 上海 200092 2 同济大学测量系 上海200092 3 现代工程测量国家测绘局重点实验室上海200092 摘 要 本文简要讲述了盾构隧道施工时 盾构姿态确定的观测方法 推导了通过观测安装在盾构壳上的棱镜 计算盾构特征点坐标的最小二乘公式 并给出计算实例 关键词盾构实时姿态测量 1 前言 盾构掘进是隧道施丁的主要手段 盾构是横圆 柱形 其姿态由其切面中心点和尾端 中心点决定 这 两点的移动轨迹决定 了隧道 的最后成型 但这两个 中心点不能直接观测 盾构隧道施工 时 实时确定 盾构姿态 使其沿设计轴线掘进 是隧道施工的关键 技 术之 一E2 引 本文介绍盾 构姿态 的确定方法 在 隧道 施工 前 在盾构壳面上安装 3 个以上棱镜 在一个临时的 任意坐标系内 测得棱镜坐标和盾构特征点的坐标 特征点包括盾构 中心点 因为棱镜与盾构固连在一 起 在盾构掘进过程 中 其 内部关系不会变化 通过 观测任意时刻 的棱镜坐标 就可求出盾构特征点 的 坐标 将其与设计值比较 便可得 出盾构与设计轴线 的偏离 从而指导施工 2 关 系测量 盾构开始掘进前 盾构组装完成后 在盾构上安 装用于全站仪观测的棱镜 空间姿态至少需要 3 个 点决定 盾构的姿态可 以用盾构上 3 个点决定 这 3 个点取为切 口端面 中心点 FO 盾尾 中心点 0 以 及切 口右测边沿点 R 盾构没有沿中轴旋转时 R 与 点同高 如图 1 所示 图中 1 2 3 为棱镜位置 为 了保证精度 棱镜位置应尽量分布得较开 但应能观 测到 在盾构周 围布设小型控制网 测量棱镜坐标和 特征点在一个坐标系 内的坐标 在 O F O 没有明显 标志或不能直接观测时 可以在端面 圆周上测量一 些点 拟合出圆心坐标Eli R 点不能直接观测时 也 可通过间接测量手段获得其坐标 Eli 测得的棱镜 坐标和特征点坐标作为初始状态保存 图 I棱镜 与盾构 特征点示意 图 3 盾构 实时姿态测量 在隧道施工过程中 利用盾构停机间隙 在施工 导线点上 测量棱镜坐标 zx YY hh 一 1 2 3 该坐标表示在工程坐标系中 它与关系测量时得到 的棱镜初始坐标 z y i h 一 1 2 3 之间的转换 关系为 y0 H R 1 a R z f1 R a y M J h0 J l J 其中 z yoh 为平移量参数 为旋转 角参数 三个旋转矩阵为 R 1 a 一 R 一 COS G si n a I J f c os 0 si n f1 1 1 0 1 0 l l si n f1 0 c os j 6 3 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 公路隧道 2011 年第 1 期 总第 73 期 0 0 1 J 荔 R ca Rz c R cy c 1一 j 对6个参数取近似值 328 h8 a8 粥 对 2 鞠 r Ji 一一 C i l 12 n l yi 一 f0 0 0 i一 3 一 f sin 0 c os C I c os 0一si n y J 等一 z c 一 l o 0 0 J yo R 1 12o R2 ff R s o 利用 1 式 将关 系测量时得 到的盾 构特征点 O F O R 的坐标 h 一0 F O R 转换到 当 前位置的实测坐标 xx yy hh 一0 F O R 将 o F 0 点的实测坐标投影到设计 中线上 得到这两 点的设计坐标 比较实测坐标和设计坐标 便可得到 盾构 当前前后偏离设计线的值 由 0 R 点的实测坐 标 可以得到当前盾构沿中轴线旋转的角度 4算例 首先根据关系测 量的方法 确定棱镜与盾构的 内部关系 表 为归算后棱镜与特征点关系测量得 到的坐标 表 1关系测量得到的棱镜与特征点坐标 某时刻棱镜的实测坐标如下表 2 所示 表 2某 时刻棱镜 的实测 坐标 按 以上方法 求得 的平移量和旋转角为 f o f8802 87395045063 Yo I I 20323 3484446704 l h j l一14 0186800590558 J f口 f358 58 40 20753 一 1 1 31 06 2207 1 I J l24 53 11 902444 J 利用 4 式求得特征点的实测坐标如表 3 所示 表 3算得的盾构特征点实测坐标 将表 3 中 O F O 的坐标投影到设计 中线上 并 与投影点的坐标 比较 便可得 出盾构前后端面偏离 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 冯宝新 等盾构姿 态测量方法 设计线的值 从而指 导盾构掘进 5 结 语 本文介绍了隧道盾构姿态确定 的方法和计算模 型 先在施工前测出棱镜与特征点之间的相对关系 在施丁时测得棱镜坐标 求 出其与初始棱 镜坐标 的 转换关系 再将特征点的初始坐标转换至实测坐标 方法严密 并给出了算例 在实际施1 时 有时不能 观测到全部棱镜 这 时可 以根据盾构上倾 斜仪测得 的旋转角 固定 2 式 中相应的角度 仍然可以T 作 参 考文 献 1 王解先 季凯敏 T 业测量拟合 M 北京 测绘出版 社 2008 E21贾连辉 陈馈 盾构推进系统的设计与控制分析EJ 建筑机械化 2009 30 2 3 徐浩 杨卓 地铁盾构施工中人工测量盾构机姿态 的方法rJ 山西建筑 2009 35 4 墨 脱公 路 嘎 隆拉 隧 道贯 通 素有 高原孤岛 之称的西藏林芝地 区墨脱县 是我国至今唯一不通公路 的县 2009 年 4 月 总投资达 9 5 亿元 的墨脱公路新改建工程全线动工 并列入西藏 十一五 重点建设项 目 作为墨脱公路先期准备T 程的嘎隆拉隧道 全长 3315m 系全线施工作业难度最大 地质气侯条件最为恶劣的重点控制性工程 隧道 呈南北走向 处于印度洋板块和欧亚板块接合部 穿越喜马拉雅 墨脱等两个大地震带 青藏高原寒冷气流和 印度洋暖湿气流相融交 汇于此 使得终年为积雪降雨期 年均降水量大于 l700ra m 是迄今为止国内穿越断 层最多 地应力最强 渗水最丰沛的高原隧道 强涌水是一直 困扰着施工的极端难题 武警交通二 支队官兵 扼守进 口端 集中了数百名技术精英 调集 了近百 台套 国内最先进的钻探和掘进设备 夜 以继 日地奋战在海 拔 3800m 的嘎隆拉隧道 施工过程中 官兵们采用地质雷达仪和