盾构测量方案

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1、7、4 盾构隧道施工测量7、4、1 盾构机始发初始状态测量7、4、1、1 盾构机始发初始状态测量得主要内容与目得(1) 盾构机导轨定位测量 盾构机导轨测量主要控制导轨得中线与设计隧道中线偏差不能超限 , 导轨得 前后高程与设计高程不能超限 , 导轨下面就是否坚实平整等。(2) 反力架定位测量 反力架定位测量包括反力架得高度、俯仰度、偏航等 , 反力架下面就是否坚 实、平整。反力架得稳定性直接影响到盾构机始发掘进就是否能正常按照设计得 方位进行。(3) 演算工房导向系统初始测量盾构机姿态 盾构机姿态初始测量包括测量水平偏航、 俯仰度、扭转度。 盾构机得水平偏 航、俯仰度就是用来判断盾构机在以后掘

2、进过程中就是否在隧道设计中线上前进 扭转度就是用来判断盾构机就是否在容许范围内发生扭转。(4) 人工复测盾构姿态为了保证导向系统得正确性与可靠性 , 在盾构机始发前 , 应进行盾构姿态得 人工检测。7、4、1、2 盾构机姿态测量原理(1)演算工房导向系统导向系统介绍在掘进隧道得过程中 , 为了避免盾构机发生意外得运动及方向得突然改变 , 必须对盾构机得位置与隧道设计轴线得相对位置关系进行持续地监控测量 , 使盾 构机能够按照设计路线精确地推进。 日本株式会社得演算工房就就是为此而开发 该系统为使盾构机沿设计轴线 (理论轴线 )掘进提供所有重要得数据信息。 该系统 就是由激光全站仪(天宝5600

3、)、中央控制箱、ESL靶、控制盒与计算机及掘进 软件组成。其组成见图 1。图1盾构机导向系统组成导向基本原理洞内控制导线就是支持盾构机掘进导向定位得基础。激光全站仪安装在位于 盾构机尾部右上侧管片得拖架上，后视一基准点（后视靶棱镜）定位后。全站仪自 动掉过方向来,搜寻ELS靶,ELS接收入射得激光定向光束,即可获取激光站至 ELS靶间得方位角、竖直角,通过ELS棱镜与激光全站仪就可以测量出激光站至 ELS靶间得距离。盾构机得仰俯角与滚动角通过ELS靶内得倾斜计来测定。ELS靶将各项测量数据传向主控计算机，计算机将所有测量数据汇总，就可以确定盾 构机在坐标系统中得精确位置。将前后两个参考点得三维

4、坐标与事先输入计算机 得隧道设计轴线比较，就可以显示盾构机得推进姿态。（2）人工复测盾构机作为一个近似得圆柱体，在开挖掘进过程中我们不能直接测量其刀盘 得中心坐标，只能用间接法来推算出刀盘中心得坐标。图2 盾构姿态计算原理图如图A点就是盾构机刀盘中心，E就是盾构机中体断面得中心点，即 AE连 线为盾构机得中心轴线，由A、B、C、D四点构成一个四面体，测量出 B、C、D 三个角点得三维坐标(xi,yi, zi),根据三个点得三维坐标(xi, yi, zi )分别 计算出LAB, LAC, LAD, LBC, LBD,LCD,四面体中得六条边长，作为以后计算得 初始值，在盾构机掘进过程中 Li就是

5、不变得常量，通过对 B、C、D三点得三维 坐标测量来计算出A点得三维坐标。同理，B、C、D E四点也构成一个四面体， 相应地求得E点得三维坐标。由A、E两点得三维坐标就能计算出盾构机刀盘中 心得水平偏航，垂直偏航，由B、C、D三点得三维坐标就能确定盾构机得仰俯角 与滚动角，从而达到检测盾构机姿态得目得。7、4、1、3盾构机姿态测量得误差分析使用盾构进行隧道掘进施工时，需要使盾构沿隧道设计曲线掘进，隧道设计 曲线以全局坐标系为基准。掘进施工中需要实时测量盾构在全局坐标系中得位置 与姿态，通过与隧道设计曲线比较，得到盾构掘进得位置偏差与姿态偏差。实际施工中主要测量盾构切口中心与盾尾中心与设计曲线得

6、水平偏差与垂直偏差，因此测量工作得主要任务就是得到切口中心与盾尾中心在全局坐标系中得坐标。由于标靶加工与装配工艺水平、传感器元件本身精度得限制，各测量参数均 存在误差，这些误差经传递后会使得盾构切口中心与盾尾中心得坐标位置产生误 差、因此，准确建立盾构切口中心点位误差与测量参数误差得传递关系，对改 善自动测量系统得性能、提高系统得测量精度可以起到重要作用。(1)切口中心坐标得测量原理模型图3为标靶在盾构机内得安装位置图。按照测量工程得习惯，将全局坐标系 与其她相对坐标系均设置为左手坐标系。自动测量系统工作时， 全站仪固定安装在已拼装好得隧道管片上， 标靶固定 于盾构内部， 标靶与全站仪间无障碍

7、物遮挡。 利用全站仪测量标靶棱镜得全局坐 标( x 0,y 0,z 0)，同时发射激光到标靶平面，测量标靶平面与激光得水平夹 角，与全站仪激光得水平角合成得到标靶轴线在全局坐标系中得水平方位 角 。利用标靶内置倾角仪可以测量标靶相对于全局坐标系得滚角 与俯仰 角 。以标靶棱镜中心为原点，以标靶测量得滚角 、俯仰角 、水平入射 角 得零值方向为坐标轴方向，建立相对坐标系o a b c 、 标靶固定在盾构上，坐标系 o a b c 中盾构切口中心得坐标( x1,y 1,z 1)就是固定得。 为求取盾构切口中心得全局坐标( x,y,z )，通过( x1,y 1,z 1)从坐标系 o a b c 旋转

8、平移到全局坐标系 O-XYZ 中，则有xyzx1 y1z1Mx0 y0 z0100cos0sincossin0其中 M 0cossin010sincos0 为相对坐标系 o0sincossin0cos001a b c到全局坐标系 O-XYZ得旋转变换矩阵、(2)切口中心与标靶相对位置坐标标定得误差分析x0,y 0,z 0)，(1) 进行矩阵变换，反算相对坐将标靶安装到盾构上后，盾构静止得状态下，通过人工方法测量切口 中心得全局坐标 ( x,y,z )，通过全站仪测量标靶棱镜得全局坐标 然后读取标靶得三姿态角读数，通过对式 标( x1,y 1,z 1)，可得x1y1z11x x0 y y0 z

9、z0 M(2)其中cossin0cos 0sin100M 1M 1M 1 sincos00100cossin001sin 0cos0sincos利用标靶采集得方位角、滚角及俯仰角都存在测量误差、设三个M1姿态角得误差值分别为厶、，可视为标靶绕原坐标系轴线旋转了角、即：1 0 01M 0 cos sin 0 sin cos cos 0 sin1M 1 0 1 0sin 0 coscossinM1sincos00可知存在角度误差时得变换矩阵：sin AA ,cos1 1 1 1 1 1M1 1 M 1M 1M 1M 1M 1M10010101M 1 0 1M 1 010M1100101001相对坐

10、标 (x1,y1,z1)得标定误差为：x1 y1 z1 x x0y y0 z z0 M11x x0y y0 z z01M 1 (3)由于角度误差为毫弧度级别，可以视为极小量，故A- 1，上述矩阵可近似表示为：忽略Aa , AB与Ay得咼次分量后，表达式3）可以化简为：x1( cos sinsincos )(x x0) ( sin sincoscos )(y y0)cos(z z0)y1(sinsincos coscos sincoscos cos sinsinsinsin)(x x0)( cossinsin cossin sin cossincossincos sinsin)(yy0)(sin

11、 sincos cos)(z z0)z1( sin coscossincossinsincos cos cossinsincos)(x x0)(coscossin sinsin sin sinsincoscoscos sincos)(yy0)( cossinsin cos)(z z0)相对坐标得标定就是在盾构进入施工隧道前进行得此时盾构水平放置，轴线得滚角 与俯仰角 均接近于 0。安装标靶时尽量使标靶轴线与盾 构轴线平行， 可调节标靶得俯仰角 与滚角 读数接近零值， 使 sin 与 sin取值为较小量。由于方位角得实际取值与相对坐标无关，设=0。4 ,与厶 为极小量，表达式中如有分量同时包含厶

12、、 、与sin 、sin 两类量，则为极小分量，可以忽略。用此方法处理相对坐标得误差表 示式即可得x1(yy0 )(zz0)y1(xx0)(zz0)z1(xx0 )(yy0)其中，(x,y,z)与(x o,y o,z 0)为切口中心全局坐标与标靶棱镜全局坐 标，由全站仪测量得到，误差为毫米级。根据盾构得尺寸与标靶安装位置 可知， x-x 0， y-y 0， z-z 0得值为米级。上式中 x-x 0， y-y 0， z-z 0毫米级得 测量误差与极小量, 与厶 得乘积可以忽略，故上述表达式中可以不考虑 x-x 0， y-y 0， z-z 0 得误差。此时标靶得 =0,- 0,- 0,可知对盾构进

13、行相对位置标定时x-x o Xi、y-y 0 yi、z-z乙，则相对坐标位置误差可以修正为x1 y1z1yixizizixiyi从图3中可知，yi与zi近似为标靶到盾构轴线得水平与垂直距离，而xi 为切口到标靶所在得盾构横断面距离。盾构外形为一个长圆筒,xi 要比yi与zi大很多。从式(4)中可知，滚动角误差对相对坐标误差得影响较小，俯仰角误差与方位角误差对相对坐标误差得影响较大、标靶在盾构中得安装位置决定了相对坐标(xi,y i,z i)，标靶安装越远离切口与盾构轴线，相对坐标 (x i,y i,z i) 越大，标定得误差就越大。7、 4、 2 盾构机姿态、管片测量7、 4、 2、 i 盾构

14、机姿态测量方法及思路盾构掘进以自动导向系统为主 , 辅以人工测量校核。演算工房导向系统能够 全天候得动态显示盾构机当前位置相对于隧道设计轴线得位置偏差 , 主司机可根 据显示得偏差及时调整盾构机得掘进姿态 , 使得盾构机能够沿着正确得方向掘 进。为了确保导向系统得准确性、确保盾构机能够沿着正确得方向开挖 , 每周进 行 2 次人工测量复核。7、4、2、2 托架得制作与安装 激光站得支架用角钢与钢板做成可以安装在管片螺栓得托架形似 , 托架得 底板采用400X 400X 10mm钢板，底板中心焊上仪器连接螺栓,长1 cm。采取强制 对中，减少仪器对中误差。 托架安装位置在隧道右侧顶部不受行车得影

15、响与破坏 得地方。安装时，用水平尺大致调平托架底板后，将其固定好，然后可以安装后 视棱镜或仪器。 托架安装过程中， 需注意全站仪托架与盾构机内激光靶以及后视 棱镜要通视。7、4、2、3 托架点测量方法与要求托架上得强制对中点得坐标通过车站底板得导线起始边传递而来，采用2级全站仪左右角各测两测回，共计四测回。左、右角平均值之与与360较差应小于2，测距往返各二测回，往返二测回平均值较差小于 2mm由于管片受水 土压力、注浆压力、 盾构掘进时得推力等各种外力得影响， 不可避免地存在少量 得变形得位移， 托架坐标就是导线系统得基准， 为保证托架坐标得准确性， 定期 对托架坐标进行复测。 每周进行 1

16、 次托架坐标得复测， 在特殊情况下， 一旦发现 托架有较大移动，立即对托架坐标进行复测，确保托架坐标得准确性。因此盾构在推进过程中， 测量人员要牢牢掌握盾构推进方向， 让盾构沿着设 计中心轴线推进。7、4、2、4 隧道管片测量（1）衬砌环片安装复核测量衬砌环测量主要包括衬砌环片环中心偏差、 管片椭圆度与环得姿态。 衬砌环 片必须不少于35环测量一次，测量时每环都测量，并测定待测环得前端面。 相邻衬砌环重合测定23环环片，以便检查环片有没有发生位移。测量资料及 时整理，并编制测量成果报表，报送盾构操作人员，及时指导盾构施工。环片中心偏差测量：将一只5m长得铝合金尺（配水平尺）横在管片环内侧， 移

17、动铝合金尺使之水平，在铝合金尺中央2、5m处垂直放置棱镜头，用全站仪直 接测定棱镜中心坐标， 与设计线路计算出该点得里程与偏移， 若偏移为 0时，说 明环片中心与设计线路中心重合，并规定偏左为负，偏右为正，如图4管片水平姿态测量示意图图4环片水平姿态测量意示图(2)环片竖直偏差测量使用DSZ2自动安平水准仪测出管片前沉底部得高程，根据线路纵断面图推 算出该环环片里程得底部设计高程，实测高程以设计高程相比较，既得出环片竖 直偏差值。7、4、2、5测量管片旋转管片旋转最主要得原因就是围岩未能提供足够得摩阻力来阻止盾构滚动得趋势而带动管片旋转。而导致围岩未能提供足够摩阻力得内在原因为：盾构刀 盘左右

18、旋转方向不均衡，刀盘总朝一个方向旋转；同步注浆效果不理想，造成 围岩无法提供足够得摩擦阻力以约束管片得扭转； 管片螺栓未足够紧固，故无 法有效地传递力矩。在管环同一水平方向得左、右侧用红油漆做出标记，盾构掘进过程中用水准 仪测定标志点得高差 Ah，用钢尺标志点得水平距离 D,从而算出管片扭转角 2arctan(Ah / D)。7、4、3盾构始发环测量(平面、高程)盾构始发环测量原理参照7、4、2、4隧道管片测量。7、4、4联系测量(1)平面联系测量在施工中有一项很重要得工作就就是以井上井下联系三角形几何定向方法 控制平面，修正盾构推进得轴线。在施工期间每个区间段依照具体情况进行若干 次定向测量

19、，一般第一次在推进150200米左右，最后一次离进洞大约100米左 右，本工程18号盾构区间总共拟定进行12次定向测量。联系三角形定向就是用三根钢丝来传递坐标与方位得，在具体实施时悬挂三根钢丝，在平面上钢丝绳与井上、井下得观测台组成两个直伸三角形。侧面示意图如下：井上钢 丝 绳qn0l”井上观测台：X一一二门井下井下观测台：Y进方向图5定向测量示意图在布设时使三角形长短边之比值应至少大于2、5倍，而a:b则不应大于1、5倍，同时。2,。3点也不宜离仪器过近。三角形中角应小于2,同时，钢丝末端悬挂垂球，为防止钢丝晃动影响观测，将垂球浸在盛满油得油桶内，并且垂 球不得与油桶接触。观测时井上、井下联

20、接角及联系三角形观测要求以两台2秒级得全站仪往返测边，测角要求 9测回，归零观测、测回差w 9 （最大角与 最小角差值），2C差w 13 （正镜与倒镜差值），归零差w 6，测边要求正倒境各四次，观测平均值比较差应小于 3mm联系三角形边长测量采用在钢丝上 贴反射片，用对边模式来测边，每次独立测量三次，这三个数据间每次较差w 3mm 并在测边时考虑井上与井下得温度， 计算边长改正。以上测量数据分为两组，每 组数据包括一个井上方位、四个连接角、五条边长。对三角形解算时，利用三角 形闭合差得条件，用简单平差来计算，求得井下方位与井下控制点坐标。然后， 再对另一组数据进行如上计算，求得得方位与坐标与第

21、一组得进行检核， 以确保 不出现差错。每次独立定向测量得成果应该满足方位角较差w 12，点位较差w 20mm 在几何定向得同时应该对于井下控制导线进行复核。在井下布置用以控制 隧道得平面偏差得测量导线，它主要分为井下控制导线与井下施工导线。井下施 工导线精度较低、边长较短作为一般工作导线，井下控制导线就是作为施工首级控制，用来准确指导掘进方向得边长较长、精度较高得导线，应与每次几何定向 配合同步进行井下导线复测，重新计算导线点，并将定向所得得方位传至隧道内 最新设置得测量台，修正施工导线得偏差。观测时仪器应采取强制对中，其测量 规范采用与井上放样测量相同得规定。井下导线点布置如图6所示。（2）

22、高程导入测量竖井高程导入得目得就是把地面高程传入竖井底。进行高程传递时，用挂49N（检验时采用得拉力）得钢尺，两台水准仪在井上与井下同步观测（如图7所示），将高程传至井下固定点。共测量三次，每次应变动仪器高度。三次测得地上、地下水准点得高差较差应小于3mm3略图7竖井高程导入图实际操作时，从严要求，井上、井下水准仪与水准尺互换位置，再独立测量 三次。必须高度注意两水准尺得零点差就是否相同， 否则应加入此项改正。传入 井底得高程，应与井底已有得高程进行检核。7、4、5 地下施工测量（1）地下施工导线与施工控制导线测量 在盾构始发推进后向前掘进时， 应布设施工导线用以进行放样并指引盾构掘进。施工导

23、线边长为2550m导线点应设置于洞壁一侧，并及时测定盾构观测 台得坐标，为盾构施工测量做准备。当盾构掘进100200m时，为了检查隧道轴 线与设计轴线就是否相符合， 必须选择部分施工导线点敷设边长较长 （50100m） 精度要求较高得基本导线。 并且， 为了保证隧道贯通得精度， 在基本导线中选取 敷设边长较长（200-500m精度要求更高主要导线点，提高测量精度，确保隧 道贯通。施工控制导线得测量包括基本导线与主要导线得测量工作。观测采用左右角各三个测回进行观测， 左右角平均值之与与 360得较差小于4。边长往返测各两测回，一测回三次读数得较差小于3mm测回间平均值较差小于3mm往返平均值较差

24、小于5mm气象数据每条边在一端测定一次。测 距边只进行气压、温度等气象改正与倾斜改正，不进行高程归化与投影改正。由于本区间隧道施工时， 两台盾构相隔约一个月得时间前后出洞， 则后推进 得盾构势必对相隔得另一条隧道得成环管片产生影响， 对已经在使用得施工用测 量控制点也会造成平面与高程方向得不确定位移， 故对于后推进得隧道内控制点 在另一条盾构机在超越其相邻管片后， 均应对该隧道得控制导线从井口得联系测 量用基准方向上复测至盾构施工得最新吊台， 这样方可将两条隧道推进得相互影 响降至最低。（ 2）地下水准测量地下水准测量包括地下施工水准测量与地下控制水准测量， 起算于竖井传递 得井下固定点，地下

25、水准点可利用地下导线点测量标志。井下水准点一般以100m左右埋设固定水准点一点，水准尺必须用装气泡得 水准尺，以便减少水准尺得倾斜而造成系统误差。井下水准测量按城市U等水准操作及工程测量 GB50026- 93规范执行。应采 用往返测，往返固定点之间高差w 3mm全线往返w 3mm n1/2。（n为测站数）7、4、6 贯通测量（ 1 ）平面贯通测量 方法：当隧道贯通后，应及时进行平面贯通测量。贯通测量作业时，利用 贯通面两边得已知控制导线点， 在贯通面两侧设 3个左右得导线点， 并在贯通面 附近设一点(临时点也可) ，这些点与洞内已知导线边形成附合导线。按四等导 线对边角测量得有关要求测量贯通

26、附合导线。 外业资料满足要求后， 求算贯通误 差，判断贯通就是否满足土 50mn得要求。 误差调整： 贯通误差求出来后， 应进行贯通误差得调整。 贯通误差得调整 应符合下列要求： 方位角贯通误差分配在未衬砌地段得导线角上； 计算贯通点坐 标闭合差， 坐标闭合差在贯通地段导线上， 按边长比例分配， 闭合差很小时也可 按坐标平差处理。 注意事项： 进行贯通前应先检测地下已知控制导线点、 边得稳定情况， 选 用稳定得地下导线边、点作为贯通测量得起始边、点。(2)高程贯通测量当隧道贯通后， 应及时进行高程贯通测量。 高程贯通测量采用得方法及对仪 器得要求与地下高程控制测量相同。按GB50308-200

27、8对精密水准测量要求进行。 求出高程贯通误差，判断贯通就是否满足= 25mn得要求。7、4、7 平差计算测量外业采集得数据处理采用严密平差， 各相邻点间纵、 横向中误差不应超 过下述限值：(1) 直线：纵向为土 10mrp横向为土 5mm(2) 曲线：纵向为土 5mrp曲线段小于50m时横向为土 3mm大于50m时横 向为 5mm。7、4、8 中线点检测( 1 )在进行隧道中线点检测时，利用车站底板得平面导线控制点与区间施 工控制中线点组成附合导线， 并进行左右线得附合导线测量。 中线点得间距， 直 线上平均为100m曲线上除曲线元素点外不应小于 50m(2)对中线点组成得导线采用U级全站仪左右角各测二测回，左、右角平 均值之与与360较差应小于6，测距往返各二测回，往返二测回平均值较差 小于 4mm。7、 4、 9 成果报告检测均应按照规定得同等级精度作业要求进行， 及时地提出成果报告， 一般 检测互差应小于 2 倍中误差， 可用原测成果， 若大于该值或发现粗差， 应由监理 会同监理部采取专项检测来处理。检测地面、基坑内导线得坐标互差w 12mr，iw 土 20mm检测地面、基坑内 高程点得高程互差w 3mnp 5mrp检测基坑内导线起始边（基线边）方位角 得互差 10；检测相邻高程点互差w 3mm检测导线边得边长互差= 8mm。