盾构姿态人工测量方法

1、盾构姿态人工测量方法隧道公司哈尔滨地铁项目部 王维鹏摘要：本文以哈尔滨地铁哈-南区间两台维尔特盾构机盾构姿态人工复核方法为例，运用布设特征点、在CAD中建立特征模型等方式，总结出了在盾构施工中人工检查盾构机姿态的方法。关键词：盾构机姿态 人工复核 Auto CAD在盾构法隧道施工中，为了确定盾构推进过程中盾构机的实时姿态，需要在其推进时实时的进行测量，为此一般盾构机上都配有自动导向系统。根据施工中的实际情况，无论盾构机有没有配备导向系统，对盾构姿态进行人工复核都是非常必要的。在哈尔滨地铁哈东站>南直路区间施工中，由于我公司两台维尔特盾构机的导向系统PPS经过了长途运输并多次拆解安装，原有

2、的机械参数都不同程度的发生了变化，我们在该区间始发时对导向系统进行了全面的检修，并自主进行了导向系统硬件及软件的安装，并在此基础上摸索出一套简单的人工对盾构机姿态进行复核的方法。下面分步骤进行简述。1. 概述盾构机装完成始发前，实地或运用相对局部坐标系，或直接用大地坐标系，在统一的坐标系统下用一定测量方法测出盾构机中轴线及特征点的空间三维坐标。这些三维坐标之间的关系本身就代表了特征点与盾构机中轴线之间的关系。而这一关系即是我们建立特征模型的基础。一般我们将盾构机定义为一个刚性圆柱体，其前端面圆心与后端面圆心的连线定义为盾构机的中轴线。2. 特征模型的建立2.1特征点的制作根据盾构机导向系统本身

3、的特点，特征点有时候需要我们自己根据盾构机的特征进行制作，布设。最简单的方法就是用反射贴片直接贴在盾体的刚性结构上，粘贴位置根据通视情况而定。当然也可以采用螺杆焊接的方法，制作一些特殊装置可以将棱镜安装在上面，如图一所示。a、反射贴片特征点示意b、螺杆焊接特征点制作简图图1 盾构机特征点制作简图2.2 盾构机中轴线及特征点坐标测量图2 特征断面及测量点位分布图盾构机的中轴线一般采用测切口及盾尾两个截面的几何中心求得，如图2所示，一般在特征断面（如切口和盾尾）上等距的测量如上图中若干点位的三维坐标（X,Y,Z）。再根据任何三点一定在一平面上，以及任何三点所构成的三角形均有一个外接圆的几何理论，我

4、们可以将各测点组合成若干个三角形，然后得出若干个圆心，将这些圆心的坐标进行平差计算，得出最佳圆心。当然由于盾壳本身的材质的粗糙度和制作工艺，不可能是正圆，另外测量过程中不可避免的会附带测量误差，导致我们的测量结果有一定的偏差，这就要求在实际操作中尽可能的去消除粗差。下面对测量过程中粗差的消除谈谈我自己的心得：准备工作盾构姿态测量前准备工作极为重要，首先需要复测主控导线，结果要符合规范及设计的要求；其次，联系测量必须符合规范要求，包括平面和高程联系测量。另外在条件允许的前提下，尽量使用强制对中装置。除此之外，测量前应检查所使用仪器的状态，必要时实时参考湿度、温度及气压参数。建站建站是整个测量过程

5、的基础，其本质就是确定仪器中心实际的平面坐标及方位角和高程，所以一般情况下将建站分为两部分：平面和高程。目前行业中使用的大多是全站仪，抛去仪器本身的机械误差，平面上人为可控的决定全站仪建站精度的无非对中精度和后视时确定的方位角的精度；仪中高程的确定可使用精测过仪高的对中杆反测高差进行计算。如图3所示。HtHHHi = H+ Ht +H图3 仪中高程反测示意2.2.3 碎部点测量建站完毕后即可进行碎部点的测量，这个过程要保证测得准，测得合理，并能反映待测物体的几何形状。为此我们在实际操作中如图4所示。图4 测点棱镜摆放示意图摆放的要点是要使棱镜头下部端头与盾壳外表面紧贴，尽量让棱镜头中垂线接近盾

6、壳外表面所在圆的法线方向。由于每个点均采用此法测量，所以在计算结果中半径存在一致的误差值，用游标卡尺等工具精确测量棱镜的高度Hl后，即可将此误差降为最小。在统一坐标系下，按照上述方法采集盾构机的中轴线及已经做好的特征点的坐标。为了提高测量结果的精度，可以采用多次测量求平均值的方法，另外对每个测点都分别用盘左和盘右各测一个值，计算时取均值为此点坐标。3. 建立模型如图5所示，通过测量1-7号三维坐标计算点坐标，同理可得点坐标。在同一坐标系下再测得A、B、C、D坐标。这些点即可组成所需的特征模型。图5 特征点盾构机中轴线模型示意图3.1 利用Auto CAD计算点坐标将经过简单平差过的1-7号点三

7、维坐标展入CAD，同时将DTA数据也展入CAD中。按照如下操作建立用户UCS：工具>新建UCS>三点命令: _ucs当前 UCS 名称: *没有名称*指定 UCS 的原点或 面(F)/命名(NA)/对象(OB)/上一个(P)/视图(V)/世界(W)/X/Y/Z/Z 轴(ZA) <世界>: _3 指定新原点 <0,0,0>: *以下根据提示依次指定新原点、X轴及Y轴。在正 X 轴范围上指定点 <1,0,0>:在 UCS XY 平面的正 Y 轴范围上指定点 <0,1,0>:结果如图6所示。接下来按如下操作绘制经过三点的圆：绘图>圆&

8、gt;三点以上述7个点钟的1、4、7号点为例，做圆O1。如图6所示。然后再退回原大地坐标系。操作：工具>新建UCS>上一个在这个坐标系下读取圆心的坐标，即在以1、4、7号点确定的平面上外接于这三点连线组成的三角形的圆的圆心坐标。O1YZX隧道中线图6 用户坐标系UCS通过组合17号点，上述方法可以求得很多个,的坐标，将这些坐标取均值作为最佳坐标。3.2 建立特征模型将及A、B、C、D各点坐标重新展入CAD，这些点组成的图形即为所需的特征模型。并将其粘贴为三维图形块保存。4、运用AutoCAD计算盾构姿态综上可知，A、B、C、D为特征点，我们可以通过测量任意最少三个特征点的大地坐标结

9、合特征模型确定盾构机中轴线的大地坐标。下面对过程分步概述。4.1盾构掘进设计轴线绘制一般施工中盾构中线按照每整米里程计算一个中线三维坐标，该数据称为DTA中线数据文件。在记事本中将DTA数据粘贴成如下格式：line X1,Y1,Z1X2,Y2,Z2X3,Y3,Z3Xn,Yn,Zn +Space或Enter备注：最后一行Xn,Yn,Zn后需加空格或回车，否则最后一点不能成功展点。将记事本的后缀“.txt”改为CAD脚本文件“.scr”格式，在Auto CAD中选择“工具->运行脚本”，则可将上述文件中各点坐标逐点展入。4.2模型引入将粘贴为块的特征模型粘贴到绘制好的隧道中线模型图中。图7

10、特征模型引入如图7所示，A,BC为在大地坐标系下实测盾构机上的特征点。利用CAD中的“对齐”工具将图中虚线框中的特征模型参照A、B、C三点对齐到图7下部的隧道中线模型上，结果如图8所示。对齐操作如下：命令: 3dalign选择对象: 选择特征模型指定源平面和方向 . *选择三点确定源平面和方向指定基点或 复制(C): *选择A点指定第二个点或 继续(C) <C>: *选择B点指定第三个点或 继续(C) <C>: *选择C点 指定目标平面和方向 . *选择三点确定目标平面和方向指定第一个目标点: *选择A点指定第二个目标点或 退出(X) <X>: *选择B点指

11、定第三个目标点或 退出(X) <X>: *选择C点说明：*后为操作说明。图8 对齐操作结果示意4.3 利用三维对齐计算盾构机的姿态参数上述操作完成后，打开CAD中的“对象捕捉”工具，选择垂直和端点项，分别过做垂线。盾构姿态参数包括前切口及盾尾的平面及高程偏差、盾体的俯仰角。下面就这几个参数的读取及计算做简要陈述。盾构机前切口及盾尾平面高程偏差在对齐操作的结果图中选择或, 在命令行输入命令“list”，回车后会返回所选线段的属性，如图9所示为线段的属性。图9 线段的属性上图中，当前UCS中的长度可看做是点在XY平面上偏离隧道设计中线的数值，增量Z为点在Z轴高程偏离隧道设计中线的数值。一般情况下数值的正负做如下定义：平面以掘进方向为准，偏左为负，偏右为正；高程已隧道中心高程为准，偏低为负，偏高位正。盾构机中轴线的实际坡度同上在图8中选取，同理读取其属性，可分别查出点的高程，则盾构中轴线坡度：式中 ：H1高程； H2高程；之间的平距。5. 小结通过在哈尔滨地铁项目盾构导向系统组装及始发后盾构姿