地鐵盾構施工中盾構機姿態定位測量的研究摘要:結合南京地鐵一號線兩個區間段地下隧道貫通的測量實踐,簡明地介紹了地鐵建設中各種測量過程,并著重對盾構機姿態定位中的測量工作作了深入細致的研究,闡述了盾構機自動導向系統姿態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向系統的準確性,分析了盾構機姿態定位檢測的情況。關鍵詞:地鐵;自動導向系統;盾構1概述 隨著城市建設的飛速發展,我國在各大城市都開展了地鐵建設,為了滿足盾構掘進按設計要求貫通(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,豎井聯系測量,地下導線測量,盾構機姿態定位測量四個階段。 本文主要以南京地鐵南北線一期工程的2個區間隧道的貫通測量項目為背景,探討了地鐵隧道施工中盾構機自動導向系統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向系統的準確性。2盾構機自動導向系統的組成與功能 現在的盾構機都裝備有先進的自動導向系統,本區間盾構機上的自動導向系統為德國ＶＭＴ公司的ＳＬＳ-Ｔ系統,主要有以下四部分組成:(1)具有自動照準目標的全站儀。主要用于測量(水平和垂直的)角度和距離、發射激光束。(2)ＥＬＳ(電子激光系統),亦稱為標板或激光靶板。這是一臺智能型傳感器,ＥＬＳ接受全站儀發出的激光束,測定水平方向和垂直方向的入射點。坡度和旋轉也由該系統內的傾斜儀測量,偏角由ＥＬＳ上激光器的入射角確認。ＥＬＳ固定在盾構機的機身內,在安裝時其位置就確定了,它相對于盾構機軸線的關系和參數就可以知道。(3)計算機及隧道掘進軟件。ＳＬＳ-Ｔ軟件是自動導向系統的核心,它從全站儀和ＥＬＳ等通信設備接受數據,盾構機的位置在該軟件中計算,并以數字和圖形的形式顯示在計算機的屏幕上,操作系統采用Ｗｉｎｄｏｗｓ2000,確保用戶操作簡便。(4)黃色箱子。它主要給全站儀供電,保證計算機和全站儀之間的通信和數據傳輸。3盾構機自動導向定位的基本原理 地鐵隧道貫通測量中的地下控制導線是一條支導線,它指示著盾構的推進方向,導線點隨著盾構機的推進延伸,導線點通常建立在管片的側面儀器臺上和右上側內外架式的吊籃上,儀器采用強制歸心(見圖1),為了提高地下導線點的精度,應盡量減少支導線點,拉長兩導線點的距離(但又不能無限制的拉長),并盡可能布設近乎直伸的導線。一般兩導線點的間距宜控制在150ｍ左右。
盾構機自動導向系統的姿態定位主要是依據地下控制導線點來精確確定盾構機掘進的方向和位置。在掘進中盾構機的自動導向系統是如何定位的呢?它主要是根據地下控制導線上一個點的坐標(即Ｘ、Ｙ、Ｚ)來確定的,這個點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線的控制點來定向,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(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入射點之間測得的折射角及入射角用于測定盾構機相對于隧道設計軸線(ＤＴＡ)的偏角。坡度和旋轉直接用安裝在ＥＬＳ內的傾斜儀測量。這個數據大約每秒鐘兩次傳輸至控制用的計算機。通過全站儀測出的與ＥＬＳ之間的距離可以提供沿著ＤＴＡ掘進的盾構機的里程長度。所有測得的數據由通信電纜傳輸至計算機,通過軟件組合起來用于計算盾構機軸線上前后兩個參考點的精確的空間位置,并與隧道設計軸線(ＤＴＡ)比較,得出的偏差值顯示在屏幕上,這就是盾構機的姿態,在推進時只要控制好姿態,盾構機就能精確地沿著隧道設計軸線掘進,保證隧道能順利準確的貫通。4盾構機姿態位置的檢測和計算 在隧道推進的過程中,必須獨立于ＳＬＳ Ｔ系統定期對盾構機的姿態和位置進行檢查。間隔時間取決于隧道的具體情況,在有嚴重的光折射效應的隧道中,每次檢查之間的間隔時間應該比較短。這主要是由于空氣溫度差別很大的效應。論述折射及其效應的題目有大量的文獻資料,此處不再詳述。在隧道測量時必須始終考慮這一效應。低估這個問題可能會引起嚴重的困難,尤其在長隧道中。我們采用棱鏡法來對盾構機的姿態進行檢查。在盾構機內有18個參考點(Ｍ8螺母),這些點在盾構機構建之前就已經定好位了,它們相對于盾構機的軸線有一定的參數關系(見表1),即它們與盾構機的軸線構成局部坐標系(見圖2)。在進行測量時,只要將特制的適配螺栓旋到Ｍ8螺母內,再裝上棱鏡。現在這些參考點的測量可以達到毫米的精度。已知的坐標和測得的坐標經過三維轉換,與設計坐標比較,就可以計算出盾構機的姿態和位置參數等。 下面來說明如何用棱鏡法來計算盾構機的姿態和位置。 我們利用洞內地下導線控制點,只要測出18個參考點中的任意三個點(最好取左、中、右三個點)的實際三維坐標,就可以計算盾構機的姿態。對于以盾構機軸線為坐標系的局部坐標來說,無論盾構機如何旋轉和傾斜,這些參考點與盾構機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計算出來。 假設我們已經測出左,中,右(3,8,15號)三個參考點的實際三維坐標,分別為(ｘ1,ｙ1,ｚ1),(ｘ2,ｙ2,ｚ2),(ｘ3,ｙ3,ｚ3),并設未知量為盾首中心的實際三維坐標(Ｘ首,Ｙ首,Ｚ首)和盾尾中心的實際三維坐標(Ｘ尾,Ｙ尾,Ｚ尾),從圖2中可以看出,在以盾構機軸線構成局部坐標系中,盾首中心為坐標原點,坐標為(0,0,0),盾尾中心坐標為(-4 34,0,0)。從表1中也可以看出各參考點在局部坐標系的坐標值。三個方程三個未知量,采用專業軟件解算方程組。我們測出某一里程盾構機上三個參數點(3,8,15)的實際三維坐標分別為: 從以上數據可以得知,在與對應里程上盾首中心和盾尾中心設計的三維坐標比較后,就可以得出盾構機軸線與設計軸線的左右偏差值和上下偏差值,以及盾構機的坡度,這就是盾構機的姿態。 把計算得出的盾構機姿態與自動導向系統在計算機屏幕上顯示的姿態作比較,據我們的實踐經驗,只要兩者的差值不大于10ｍｍ,就可以認為自動導向系統是正確的。5結束語 在南京地鐵一號線中,張府園～三山街區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。在這兩個區間段的實際應用中,曾多次采用棱鏡法檢核盾構機姿態,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向系統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,以及先進的自動導向系統指導推進,上行線于2002年9月準確貫通,經甲方檢測,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[1] 李青岳.工程測量學.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準.地下鐵道、輕軌交通工程測量規范ＧＢ50308-1999.北京:中國計劃出版社,2000.
盾構機自動導向系統的姿態定位主要是依據地下控制導線點來精確確定盾構機掘進的方向和位置。在掘進中盾構機的自動導向系統是如何定位的呢?它主要是根據地下控制導線上一個點的坐標(即Ｘ、Ｙ、Ｚ)來確定的,這個點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線的控制點來定向,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(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入射點之間測得的折射角及入射角用于測定盾構機相對于隧道設計軸線(ＤＴＡ)的偏角。坡度和旋轉直接用安裝在ＥＬＳ內的傾斜儀測量。這個數據大約每秒鐘兩次傳輸至控制用的計算機。通過全站儀測出的與ＥＬＳ之間的距離可以提供沿著ＤＴＡ掘進的盾構機的里程長度。所有測得的數據由通信電纜傳輸至計算機,通過軟件組合起來用于計算盾構機軸線上前后兩個參考點的精確的空間位置,并與隧道設計軸線(ＤＴＡ)比較,得出的偏差值顯示在屏幕上,這就是盾構機的姿態,在推進時只要控制好姿態,盾構機就能精確地沿著隧道設計軸線掘進,保證隧道能順利準確的貫通。4盾構機姿態位置的檢測和計算 在隧道推進的過程中,必須獨立于ＳＬＳ Ｔ系統定期對盾構機的姿態和位置進行檢查。間隔時間取決于隧道的具體情況,在有嚴重的光折射效應的隧道中,每次檢查之間的間隔時間應該比較短。這主要是由于空氣溫度差別很大的效應。論述折射及其效應的題目有大量的文獻資料,此處不再詳述。在隧道測量時必須始終考慮這一效應。低估這個問題可能會引起嚴重的困難,尤其在長隧道中。我們采用棱鏡法來對盾構機的姿態進行檢查。在盾構機內有18個參考點(Ｍ8螺母),這些點在盾構機構建之前就已經定好位了,它們相對于盾構機的軸線有一定的參數關系(見表1),即它們與盾構機的軸線構成局部坐標系(見圖2)。在進行測量時,只要將特制的適配螺栓旋到Ｍ8螺母內,再裝上棱鏡。現在這些參考點的測量可以達到毫米的精度。已知的坐標和測得的坐標經過三維轉換,與設計坐標比較,就可以計算出盾構機的姿態和位置參數等。 下面來說明如何用棱鏡法來計算盾構機的姿態和位置。 我們利用洞內地下導線控制點,只要測出18個參考點中的任意三個點(最好取左、中、右三個點)的實際三維坐標,就可以計算盾構機的姿態。對于以盾構機軸線為坐標系的局部坐標來說,無論盾構機如何旋轉和傾斜,這些參考點與盾構機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計算出來。 假設我們已經測出左,中,右(3,8,15號)三個參考點的實際三維坐標,分別為(ｘ1,ｙ1,ｚ1),(ｘ2,ｙ2,ｚ2),(ｘ3,ｙ3,ｚ3),并設未知量為盾首中心的實際三維坐標(Ｘ首,Ｙ首,Ｚ首)和盾尾中心的實際三維坐標(Ｘ尾,Ｙ尾,Ｚ尾),從圖2中可以看出,在以盾構機軸線構成局部坐標系中,盾首中心為坐標原點,坐標為(0,0,0),盾尾中心坐標為(-4 34,0,0)。從表1中也可以看出各參考點在局部坐標系的坐標值。三個方程三個未知量,采用專業軟件解算方程組。我們測出某一里程盾構機上三個參數點(3,8,15)的實際三維坐標分別為: 從以上數據可以得知,在與對應里程上盾首中心和盾尾中心設計的三維坐標比較后,就可以得出盾構機軸線與設計軸線的左右偏差值和上下偏差值,以及盾構機的坡度,這就是盾構機的姿態。 把計算得出的盾構機姿態與自動導向系統在計算機屏幕上顯示的姿態作比較,據我們的實踐經驗,只要兩者的差值不大于10ｍｍ,就可以認為自動導向系統是正確的。5結束語 在南京地鐵一號線中,張府園～三山街區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。在這兩個區間段的實際應用中,曾多次采用棱鏡法檢核盾構機姿態,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向系統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,以及先進的自動導向系統指導推進,上行線于2002年9月準確貫通,經甲方檢測,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[1] 李青岳.工程測量學.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準.地下鐵道、輕軌交通工程測量規范ＧＢ50308-1999.北京:中國計劃出版社,2000.
