地鐵盾構(gòu)施工中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)定位測量的研究摘要:結(jié)合南京地鐵一號線兩個區(qū)間段地下隧道貫通的測量實(shí)踐,簡明地介紹了地鐵建設(shè)中各種測量過程,并著重對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)定位中的測量工作作了深入細(xì)致的研究,闡述了盾構(gòu)機(jī)自動導(dǎo)向系統(tǒng)姿態(tài)定位測量的原理和方法,以及如何使用人工測量的方法來檢核自動導(dǎo)向系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,分析了盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)定位檢測的情況。關(guān)鍵詞:地鐵;自動導(dǎo)向系統(tǒng);盾構(gòu)1概述 隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展,我國在各大城市都開展了地鐵建設(shè),為了滿足盾構(gòu)掘進(jìn)按設(shè)計(jì)要求貫通(貫通誤差必須小于±50ｍｍ),必須研究每一步測量工作所帶來的誤差,包括地面控制測量,豎井聯(lián)系測量,地下導(dǎo)線測量,盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)定位測量四個階段。 本文主要以南京地鐵南北線一期工程的2個區(qū)間隧道的貫通測量項(xiàng)目為背景,探討了地鐵隧道施工中盾構(gòu)機(jī)自動導(dǎo)向系統(tǒng)定位測量的功能及原理,并闡述了如何用棱鏡法來檢核自動導(dǎo)向系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。2盾構(gòu)機(jī)自動導(dǎo)向系統(tǒng)的組成與功能 現(xiàn)在的盾構(gòu)機(jī)都裝備有先進(jìn)的自動導(dǎo)向系統(tǒng),本區(qū)間盾構(gòu)機(jī)上的自動導(dǎo)向系統(tǒng)為德國ＶＭＴ公司的ＳＬＳ-Ｔ系統(tǒng),主要有以下四部分組成:(1)具有自動照準(zhǔn)目標(biāo)的全站儀。主要用于測量(水平和垂直的)角度和距離、發(fā)射激光束。(2)ＥＬＳ(電子激光系統(tǒng)),亦稱為標(biāo)板或激光靶板。這是一臺智能型傳感器,ＥＬＳ接受全站儀發(fā)出的激光束,測定水平方向和垂直方向的入射點(diǎn)。坡度和旋轉(zhuǎn)也由該系統(tǒng)內(nèi)的傾斜儀測量,偏角由ＥＬＳ上激光器的入射角確認(rèn)。ＥＬＳ固定在盾構(gòu)機(jī)的機(jī)身內(nèi),在安裝時其位置就確定了,它相對于盾構(gòu)機(jī)軸線的關(guān)系和參數(shù)就可以知道。(3)計(jì)算機(jī)及隧道掘進(jìn)軟件。ＳＬＳ-Ｔ軟件是自動導(dǎo)向系統(tǒng)的核心,它從全站儀和ＥＬＳ等通信設(shè)備接受數(shù)據(jù),盾構(gòu)機(jī)的位置在該軟件中計(jì)算,并以數(shù)字和圖形的形式顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上,操作系統(tǒng)采用Ｗｉｎｄｏｗｓ2000,確保用戶操作簡便。(4)黃色箱子。它主要給全站儀供電,保證計(jì)算機(jī)和全站儀之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。3盾構(gòu)機(jī)自動導(dǎo)向定位的基本原理 地鐵隧道貫通測量中的地下控制導(dǎo)線是一條支導(dǎo)線,它指示著盾構(gòu)的推進(jìn)方向,導(dǎo)線點(diǎn)隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)延伸,導(dǎo)線點(diǎn)通常建立在管片的側(cè)面儀器臺上和右上側(cè)內(nèi)外架式的吊籃上,儀器采用強(qiáng)制歸心(見圖1),為了提高地下導(dǎo)線點(diǎn)的精度,應(yīng)盡量減少支導(dǎo)線點(diǎn),拉長兩導(dǎo)線點(diǎn)的距離(但又不能無限制的拉長),并盡可能布設(shè)近乎直伸的導(dǎo)線。一般兩導(dǎo)線點(diǎn)的間距宜控制在150ｍ左右。
盾構(gòu)機(jī)自動導(dǎo)向系統(tǒng)的姿態(tài)定位主要是依據(jù)地下控制導(dǎo)線點(diǎn)來精確確定盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的方向和位置。在掘進(jìn)中盾構(gòu)機(jī)的自動導(dǎo)向系統(tǒng)是如何定位的呢?它主要是根據(jù)地下控制導(dǎo)線上一個點(diǎn)的坐標(biāo)(即Ｘ、Ｙ、Ｚ)來確定的,這個點(diǎn)就是帶有激光器的全站儀的位置,然后全站儀將依照作為后視方向的另一個地下導(dǎo)線的控制點(diǎn)來定向,這樣就確定了北方向,即方位角。再利用全站儀自動測出的測站與ＥＬＳ棱鏡之間的距離和方位角,就可以知道ＥＬＳ棱鏡的平面坐標(biāo)(即Ｘ、Ｙ),利用三角高程測出ＥＬＳ棱鏡的高程值(即Ｚ)。激光束射向ＥＬＳ,ＥＬＳ就可以測定激光相對于ＥＬＳ平面的偏角。在ＥＬＳ入射點(diǎn)之間測得的折射角及入射角用于測定盾構(gòu)機(jī)相對于隧道設(shè)計(jì)軸線(ＤＴＡ)的偏角。坡度和旋轉(zhuǎn)直接用安裝在ＥＬＳ內(nèi)的傾斜儀測量。這個數(shù)據(jù)大約每秒鐘兩次傳輸至控制用的計(jì)算機(jī)。通過全站儀測出的與ＥＬＳ之間的距離可以提供沿著ＤＴＡ掘進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)的里程長度。所有測得的數(shù)據(jù)由通信電纜傳輸至計(jì)算機(jī),通過軟件組合起來用于計(jì)算盾構(gòu)機(jī)軸線上前后兩個參考點(diǎn)的精確的空間位置,并與隧道設(shè)計(jì)軸線(ＤＴＡ)比較,得出的偏差值顯示在屏幕上,這就是盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài),在推進(jìn)時只要控制好姿態(tài),盾構(gòu)機(jī)就能精確地沿著隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn),保證隧道能順利準(zhǔn)確的貫通。4盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)位置的檢測和計(jì)算 在隧道推進(jìn)的過程中,必須獨(dú)立于ＳＬＳ Ｔ系統(tǒng)定期對盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和位置進(jìn)行檢查。間隔時間取決于隧道的具體情況,在有嚴(yán)重的光折射效應(yīng)的隧道中,每次檢查之間的間隔時間應(yīng)該比較短。這主要是由于空氣溫度差別很大的效應(yīng)。論述折射及其效應(yīng)的題目有大量的文獻(xiàn)資料,此處不再詳述。在隧道測量時必須始終考慮這一效應(yīng)。低估這個問題可能會引起嚴(yán)重的困難,尤其在長隧道中。我們采用棱鏡法來對盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行檢查。在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)有18個參考點(diǎn)(Ｍ8螺母),這些點(diǎn)在盾構(gòu)機(jī)構(gòu)建之前就已經(jīng)定好位了,它們相對于盾構(gòu)機(jī)的軸線有一定的參數(shù)關(guān)系(見表1),即它們與盾構(gòu)機(jī)的軸線構(gòu)成局部坐標(biāo)系(見圖2)。在進(jìn)行測量時,只要將特制的適配螺栓旋到Ｍ8螺母內(nèi),再裝上棱鏡。現(xiàn)在這些參考點(diǎn)的測量可以達(dá)到毫米的精度。已知的坐標(biāo)和測得的坐標(biāo)經(jīng)過三維轉(zhuǎn)換,與設(shè)計(jì)坐標(biāo)比較,就可以計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和位置參數(shù)等。 下面來說明如何用棱鏡法來計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和位置。 我們利用洞內(nèi)地下導(dǎo)線控制點(diǎn),只要測出18個參考點(diǎn)中的任意三個點(diǎn)(最好取左、中、右三個點(diǎn))的實(shí)際三維坐標(biāo),就可以計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。對于以盾構(gòu)機(jī)軸線為坐標(biāo)系的局部坐標(biāo)來說,無論盾構(gòu)機(jī)如何旋轉(zhuǎn)和傾斜,這些參考點(diǎn)與盾構(gòu)機(jī)的盾首中心和盾尾中心的空間距離是不會變的,他們始終保持一定的值,這些值我們可以從它的局部坐標(biāo)計(jì)算出來。 假設(shè)我們已經(jīng)測出左,中,右(3,8,15號)三個參考點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo),分別為(ｘ1,ｙ1,ｚ1),(ｘ2,ｙ2,ｚ2),(ｘ3,ｙ3,ｚ3),并設(shè)未知量為盾首中心的實(shí)際三維坐標(biāo)(Ｘ首,Ｙ首,Ｚ首)和盾尾中心的實(shí)際三維坐標(biāo)(Ｘ尾,Ｙ尾,Ｚ尾),從圖2中可以看出,在以盾構(gòu)機(jī)軸線構(gòu)成局部坐標(biāo)系中,盾首中心為坐標(biāo)原點(diǎn),坐標(biāo)為(0,0,0),盾尾中心坐標(biāo)為(-4 34,0,0)。從表1中也可以看出各參考點(diǎn)在局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)值。三個方程三個未知量,采用專業(yè)軟件解算方程組。我們測出某一里程盾構(gòu)機(jī)上三個參數(shù)點(diǎn)(3,8,15)的實(shí)際三維坐標(biāo)分別為: 從以上數(shù)據(jù)可以得知,在與對應(yīng)里程上盾首中心和盾尾中心設(shè)計(jì)的三維坐標(biāo)比較后,就可以得出盾構(gòu)機(jī)軸線與設(shè)計(jì)軸線的左右偏差值和上下偏差值,以及盾構(gòu)機(jī)的坡度,這就是盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。 把計(jì)算得出的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與自動導(dǎo)向系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的姿態(tài)作比較,據(jù)我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),只要兩者的差值不大于10ｍｍ,就可以認(rèn)為自動導(dǎo)向系統(tǒng)是正確的。5結(jié)束語 在南京地鐵一號線中,張府園～三山街區(qū)間隧道分為上行線和下行線兩條互相平行的線路,即往返兩條隧道。在這兩個區(qū)間段的實(shí)際應(yīng)用中,曾多次采用棱鏡法檢核盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),兩者的偏差值較差均不大于10ｍｍ,證明了該方法在檢核自動導(dǎo)向系統(tǒng)的正確性是可靠有效的。 在貫通測量中,由于采用了以上一系列的方法和措施,以及先進(jìn)的自動導(dǎo)向系統(tǒng)指導(dǎo)推進(jìn),上行線于2002年9月準(zhǔn)確貫通,經(jīng)甲方檢測,平面貫通誤差為18ｍｍ,高程貫通誤差為2ｍｍ;下行線于12月準(zhǔn)確貫通,平面貫通誤差為20ｍｍ,高程貫通誤差為3ｍｍ,均能很好的滿足貫通誤差不大于50ｍｍ的要求。參考文獻(xiàn)[1] 李青岳.工程測量學(xué).北京:測繪出版社,1984.[2] 王兆祥等.鐵路工程測量.北京:測繪出版社,1988.[3] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范ＧＢ50308-1999.北京:中國計(jì)劃出版社,2000.
盾構(gòu)機(jī)自動導(dǎo)向系統(tǒng)的姿態(tài)定位主要是依據(jù)地下控制導(dǎo)線點(diǎn)來精確確定盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的方向和位置。在掘進(jìn)中盾構(gòu)機(jī)的自動導(dǎo)向系統(tǒng)是如何定位的呢?它主要是根據(jù)地下控制導(dǎo)線上一個點(diǎn)的坐標(biāo)(即Ｘ、Ｙ、Ｚ)來確定的,這個點(diǎn)就是帶有激光器的全站儀的位置,然后全站儀將依照作為后視方向的另一個地下導(dǎo)線的控制點(diǎn)來定向,這樣就確定了北方向,即方位角。再利用全站儀自動測出的測站與ＥＬＳ棱鏡之間的距離和方位角,就可以知道ＥＬＳ棱鏡的平面坐標(biāo)(即Ｘ、Ｙ),利用三角高程測出ＥＬＳ棱鏡的高程值(即Ｚ)。激光束射向ＥＬＳ,ＥＬＳ就可以測定激光相對于ＥＬＳ平面的偏角。在ＥＬＳ入射點(diǎn)之間測得的折射角及入射角用于測定盾構(gòu)機(jī)相對于隧道設(shè)計(jì)軸線(ＤＴＡ)的偏角。坡度和旋轉(zhuǎn)直接用安裝在ＥＬＳ內(nèi)的傾斜儀測量。這個數(shù)據(jù)大約每秒鐘兩次傳輸至控制用的計(jì)算機(jī)。通過全站儀測出的與ＥＬＳ之間的距離可以提供沿著ＤＴＡ掘進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)的里程長度。所有測得的數(shù)據(jù)由通信電纜傳輸至計(jì)算機(jī),通過軟件組合起來用于計(jì)算盾構(gòu)機(jī)軸線上前后兩個參考點(diǎn)的精確的空間位置,并與隧道設(shè)計(jì)軸線(ＤＴＡ)比較,得出的偏差值顯示在屏幕上,這就是盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài),在推進(jìn)時只要控制好姿態(tài),盾構(gòu)機(jī)就能精確地沿著隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn),保證隧道能順利準(zhǔn)確的貫通。4盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)位置的檢測和計(jì)算 在隧道推進(jìn)的過程中,必須獨(dú)立于ＳＬＳ Ｔ系統(tǒng)定期對盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和位置進(jìn)行檢查。間隔時間取決于隧道的具體情況,在有嚴(yán)重的光折射效應(yīng)的隧道中,每次檢查之間的間隔時間應(yīng)該比較短。這主要是由于空氣溫度差別很大的效應(yīng)。論述折射及其效應(yīng)的題目有大量的文獻(xiàn)資料,此處不再詳述。在隧道測量時必須始終考慮這一效應(yīng)。低估這個問題可能會引起嚴(yán)重的困難,尤其在長隧道中。我們采用棱鏡法來對盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行檢查。在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)有18個參考點(diǎn)(Ｍ8螺母),這些點(diǎn)在盾構(gòu)機(jī)構(gòu)建之前就已經(jīng)定好位了,它們相對于盾構(gòu)機(jī)的軸線有一定的參數(shù)關(guān)系(見表1),即它們與盾構(gòu)機(jī)的軸線構(gòu)成局部坐標(biāo)系(見圖2)。在進(jìn)行測量時,只要將特制的適配螺栓旋到Ｍ8螺母內(nèi),再裝上棱鏡。現(xiàn)在這些參考點(diǎn)的測量可以達(dá)到毫米的精度。已知的坐標(biāo)和測得的坐標(biāo)經(jīng)過三維轉(zhuǎn)換,與設(shè)計(jì)坐標(biāo)比較,就可以計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和位置參數(shù)等。 下面來說明如何用棱鏡法來計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和位置。 我們利用洞內(nèi)地下導(dǎo)線控制點(diǎn),只要測出18個參考點(diǎn)中的任意三個點(diǎn)(最好取左、中、右三個點(diǎn))的實(shí)際三維坐標(biāo),就可以計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。對于以盾構(gòu)機(jī)軸線為坐標(biāo)系的局部坐標(biāo)來說,無論盾構(gòu)機(jī)如何旋轉(zhuǎn)和傾斜,這些參考點(diǎn)與盾構(gòu)機(jī)的盾首中心和盾尾中心的空間距離是不會變的,他們始終保持一定的值,這些值我們可以從它的局部坐標(biāo)計(jì)算出來。 假設(shè)我們已經(jīng)測出左,中,右(3,8,15號)三個參考點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo),分別為(ｘ1,ｙ1,ｚ1),(ｘ2,ｙ2,ｚ2),(ｘ3,ｙ3,ｚ3),并設(shè)未知量為盾首中心的實(shí)際三維坐標(biāo)(Ｘ首,Ｙ首,Ｚ首)和盾尾中心的實(shí)際三維坐標(biāo)(Ｘ尾,Ｙ尾,Ｚ尾),從圖2中可以看出,在以盾構(gòu)機(jī)軸線構(gòu)成局部坐標(biāo)系中,盾首中心為坐標(biāo)原點(diǎn),坐標(biāo)為(0,0,0),盾尾中心坐標(biāo)為(-4 34,0,0)。從表1中也可以看出各參考點(diǎn)在局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)值。三個方程三個未知量,采用專業(yè)軟件解算方程組。我們測出某一里程盾構(gòu)機(jī)上三個參數(shù)點(diǎn)(3,8,15)的實(shí)際三維坐標(biāo)分別為: 從以上數(shù)據(jù)可以得知,在與對應(yīng)里程上盾首中心和盾尾中心設(shè)計(jì)的三維坐標(biāo)比較后,就可以得出盾構(gòu)機(jī)軸線與設(shè)計(jì)軸線的左右偏差值和上下偏差值,以及盾構(gòu)機(jī)的坡度,這就是盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。 把計(jì)算得出的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與自動導(dǎo)向系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的姿態(tài)作比較,據(jù)我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),只要兩者的差值不大于10ｍｍ,就可以認(rèn)為自動導(dǎo)向系統(tǒng)是正確的。5結(jié)束語 在南京地鐵一號線中,張府園～三山街區(qū)間隧道分為上行線和下行線兩條互相平行的線路,即往返兩條隧道。在這兩個區(qū)間段的實(shí)際應(yīng)用中,曾多次采用棱鏡法檢核盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),兩者的偏差值較差均不大于10ｍｍ,證明了該方法在檢核自動導(dǎo)向系統(tǒng)的正確性是可靠有效的。 在貫通測量中,由于采用了以上一系列的方法和措施,以及先進(jìn)的自動導(dǎo)向系統(tǒng)指導(dǎo)推進(jìn),上行線于2002年9月準(zhǔn)確貫通,經(jīng)甲方檢測,平面貫通誤差為18ｍｍ,高程貫通誤差為2ｍｍ;下行線于12月準(zhǔn)確貫通,平面貫通誤差為20ｍｍ,高程貫通誤差為3ｍｍ,均能很好的滿足貫通誤差不大于50ｍｍ的要求。參考文獻(xiàn)[1] 李青岳.工程測量學(xué).北京:測繪出版社,1984.[2] 王兆祥等.鐵路工程測量.北京:測繪出版社,1988.[3] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范ＧＢ50308-1999.北京:中國計(jì)劃出版社,2000.
