工程测量标准化作业手册之(盾构、TBM姿态定向测量专篇)

工程测量标准化作业手册

（盾构、TBM姿态定向测量专篇）

一、标准名称

工程测量标准化作业手册（盾构、TBM姿态定向测量专篇） 二、适用范围

适用于盾构、TBM姿态定向测量。 三、系统介绍

目前，国外盾构自动引导系统主要有德国VMT公司的·SLS-T 方向引导系统、德国的PPSGmbH系统，英国的ZED公司生产的ZED261盾构姿态测试系统、日本的小松盾构自动引导系统，日本TOKIMEC的TMG-32B方向检测装置和日本的GYRO系统等等。

VMT公司的导向系统是激光全站仪导向系统中的代表，它主要采用智能全站仪作为激光站，可以自动跟踪测量移动目标，极大的方便了曲线段施工测量。使用全站仪的盾构机如图7-1所示，标靶下部安装有反射棱镜，以便仪器测量激光标靶的位置和自动锁定激光靶。标靶正面是感光面，接收全站仪发出的激光束，通过标靶内部传感器测量得到激光束对标靶表面的偏航角。标靶内部在横向和纵向分别安装一部倾斜仪，用来测量标靶的滚角和坡度角。激光标靶固定在盾构机的机身内，在安装时其位置就确定了，安装后要通过精确测量标定标靶棱镜在盾构机内的相对位置。

系统运行时，全站仪首先通过后视棱镜进行自身定位，并设置全站仪水平角度值，接着全站仪旋转镜头到盾构方向搜索激光标靶上的棱镜，瞄准激光标靶上的棱镜，测量斜距和全站仪镜头角度，同时发射激光到激光标靶感光面上，测量盾构轴线的方位角，计算得到激光标靶上的棱镜坐标，再和激光标靶测量得到的角度值相结合进行盾构切口中心坐标的计算，根据从PLC系统中采集出来的盾构铰接油缸的长度以及盾构其它的机械参数计算出盾尾的坐标。

根据隧道设计轴线数据和计算模块计算出隧道设计轴线上等距离分布的点坐标，根据设计的算法由测量得到的盾构机切口坐标推导出此时的推进里程，再由推进里程在盾构设计数据中求得此时盾构机切口和盾尾中心的设计坐标，将设计坐标和前面测量出的实际坐标进行比较计算，就

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可以得出此时的盾构机的切口和盾尾中心的位置误差和盾构推进的角度偏差。

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图3-1 VMT公司的盾构自动引导系统

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四、盾构姿态人工复测

4.1盾构姿态人工检测概述

在盾构施工的过程中，为了保证导向系统的正确性和可靠性，在盾构机掘进一定的长度或时间之后，应通过洞内的导线的检测盾构机的姿态，即进行盾构姿态的人工检测。盾构施工中所用到的坐标系统有三种：全球坐标系统、 DTA坐标系、TBM坐标系。

4.2盾构机参考点的测量

在盾构施工的过程中，为了保证导向系统的正确性和可靠性，在盾构机掘进一定的长度或时间之后，应通过洞内的导线的检测盾构机的姿态，即进行盾构姿态的人工检测。盾构施工中所用到的坐标系统有三种：全球坐标系统、 DTA坐标系、TBM坐标系。在进行盾构机组装时，VMT公司的测量工程师就已经在盾体上布置了盾构姿态测量的参考点(共21个)，如图8-1。并精确测定了各参考点在TBM坐标系中的三维坐标。我们在进行盾构姿态的人工检测时，可以直接利用VMT公司提供的相关数据来进行计算，从而得出盾构机实际姿态与导向系统显示姿态进行比较。

图4-1 S267盾构机参考点的布置

盾构姿态人工检测的测站位置选在盾构机第一节台车的连接桥上,此处通视条件比较理想,而且便于架设全站仪。在连接桥上的中部焊接全站仪连接螺栓，测量时根据现场条件尽量使所选参考点之间连线距离大一些，以保证计算时的精度。最好保证左、中、右各测量一两个点，这样就可以提高测量计算的精度。例如我们在选择S267盾构机的参考点时，即是选择的1、10、21三点作为盾构姿态人工检测的参考点。

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4.3 盾构姿态的计算 4.3.1盾构姿态的计算原理

盾构机作为一个近似的圆柱体，在开挖掘进过程中我们不能直接测量其刀盘的中心坐标，只能用间接法来推算出刀盘中心的坐标。

图5-2 盾构姿态计算原理图

如图A点是盾构机刀盘中心，E是盾构机中体断面的中心点，即AE连线为盾构机的中心轴线，由A、B、C、D、四点构成一个四面体，测量出B、C、D 三个角点的三维坐标（xi,yi, zi）,根据三个点的三维坐标（xi, yi, zi）分别计算出LAB, LAC, LAD, LBC, LBD,LCD, 四面体中的六条边长，作为以后计算的初始值，在盾构机掘进过程中Li是不变的常量，通过对B、C、D三点的三维坐标测量来计算出A点的三维坐标。同理，B、C、D、E四点也构成一个四面体，相应地求得E点的三维坐标。由A、E两点的三维坐标就能计算出盾构机刀盘中心的水平偏航，垂直偏航，由B、C、D三点的三维坐标就能确定盾构机的仰俯角和滚动角，从而达到检测盾构机姿态的目的。

五、管环检测 5.1管环测量概述

由于在盾构掘进过程中，刚拼装的管环背后浆液未凝固，经常发生管环位移现象。有时位移量很大，特别是上浮，位移量大常常引起管环限界超限。因为地铁施工中规定，拼装好的成型管环允许最大限界值是±10㎝。为了防止管环的侵限，我们首先是提高控制测量的精度外，其次是提高导线系统的精度，最后就是通过每天的管环测量，实测出管环的位移趋势，采取措施尽量减小位移量。当然，管环测量还起到复核导向系统的作用。

5.2管环测量方法

根据管环的内径是2.7米, 采用铝合金制作一铝合金尺,铝合金尺长3.8米（可根据实际情况调整长度）。在铝合金尺正，贴上一个反射贴片。根据管环、铝合金尺、反射贴片的尺寸，

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就可以计算出实际上的管环中心与铝合金尺上反射贴片中心的高差。测量时，首先用水平尺把铝合金尺精确整平，然后用全站仪测量出铝合金尺上反射贴片中心的三维坐标，就可以推算出实际的管环中心的三维坐标。每次管环测量时，应与上次管环测量重叠5环，这样可以避免测错的可能。

图5-1 管环测量示意图

图5-2 管环中心标高推算示意图

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