盾构隧道陀螺仪工作原理及其应用

盾构机的讲解盾构机是一种用于地下隧道开挖的专用设备，它采用盾构法施工原理，是现代化隧道工程中不可或缺的重要装备。

盾构机能够有效地降低工程施工风险，提高施工效率，保证工程质量。

本文将从盾构机的工作原理、结构组成、施工流程和应用领域等方面进行详细讲解。

工作原理盾构机主要通过盾构的方式进行地下隧道开挖。

盾构机的工作原理是在盾构机头部安装刀具，由液压系统驱动刀具旋转切削地层，同时通过液压顶推系统推进盾构机整体，形成一个封闭的工作面，在施工的同时支撑土体。

盾构机还会排出隧道开挖时产生的泥浆或者石料。

结构组成1.盾构机主体：包括盾构圆盘、尾部推进装置、作业室等部分。

2.刀具系统：用于切削地层的重要部分，通常采用硬质合金刀具。

3.液压系统：提供动力支撑，驱动盾构机的工作。

4.注浆系统：用于土层稳固，减少地层位移。

5.排土系统：排出隧道开挖时产生的泥浆或者石料。

施工流程1.施工前准备：确定隧道线路、进行现场钻探、安装盾构机等。

2.盾构机施工：盾构机推进、切削、排土、注浆等工作。

3.隧道贯通：完成盾构机开挖后，隧道贯通。

4.隧道衬砌：进行隧道衬砌工作，保证隧道的结构安全。

5.隧道检验验收：对隧道进行检验验收，确保质量合格。

应用领域盾构机在地下管廊、地铁、交通隧道、水利隧洞等工程中得到广泛应用。

盾构机可以开挖各种类型的地下工程，同时由于其施工方式的灵活性和高效性，能够适应不同地层的复杂情况。

结语盾构机作为现代化隧道工程的重要设备，发挥了不可替代的作用。

通过本文的讲解，相信读者对盾构机的工作原理、结构组成、施工流程和应用颁奖都有了更深入的了解。

希望本文能为相关领域的从业人员提供一定的参考和帮助。

陀螺仪工作原理与应用（陀螺经纬仪Jyro Station）来源：译自日本《测量》06年8月号作者：日本测量仪器工业会更新日期：2006-9-22 阅读次数：3235为了求得测量的基准方位和日照时间的方位，必须使用磁针罗盘仪进行天体观测。

然而，磁针罗盘仪的精度有限，在天体观测中还要受到确保通视、天气、场所和时间等观测条件的影响。

为了解决这些问题，可采用利用了力学原理求得真北的陀螺经纬仪。

陀螺经纬仪在隧道测量以及由于不能和已知点通视而无法确定方位、方向角的情况下都能发挥很大的作用。

（图1：陀螺工作站）1、陀螺工作站的原理高速旋转的物体的旋转轴，对于改变其方向的外力作用有趋向于铅直方向的倾向。

而且，旋转物体在横向倾斜时，重力会向增加倾斜的方向作用，而轴则向垂直方向运动，就产生了摇头的运动（岁差运动）。

当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时，由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力，陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。

当轴平行于子午线而静止时可加以应用。

2、陀螺工作站的构造（图4：陀螺经纬仪的构造 0点调整螺丝，吊线，照明灯，陀螺转子、指针、供电用馈线、反射镜、陀螺马达、刻度线、目镜）。

陀螺经纬仪的陀螺装置由陀螺部分和电源部分组成。

此陀螺装置与全站仪结合而成。

陀螺本体在装置内用丝线吊起使旋转轴处于水平。

当陀螺旋转时，由于地球的自转，旋转轴在水平面内以真北为中心产生缓慢的岁差运动。

旋转轴的方向由装置外的目镜可以进行观测，陀螺指针的振动中心方向指向真北。

利用陀螺经纬仪的真北测定方法有“追尾测定”和“时间测定”等。

追尾测定[反转法]利用全站仪的水平微动螺丝对陀螺经纬仪显示岁差运动的刻度盘进行追尾。

在震动方向反转的点上（此时运动停止）读取水平角。

如此继续测定之，求得其平均震动的中心角。

用此方法进行20分钟的观测可以求得+/-0。

5分的真北方向。

时间测定[通过法]用追尾测定观测真北方向后，陀螺经纬仪指向了真北方向，其指针由于岁差运动而左右摆动。

陀螺全站仪在地铁盾构测量中的应用摘要：近些年来随着城市化进程加快，地下轨道交通工程正如火如荼地进行，如何保证隧道能够顺利贯通成为地铁精密测量至关重要的一个环节。

传统的测量方式是通过地面上下做联系测量，通过支导线的方式向隧道掘进方向进行传递，然而随着隧道长度的增加，点位的精度会逐渐减弱，影响隧道的精确贯通。

陀螺仪定向精度不受距离和时间的影响，弥补了传统导线测量的不足。

基于此，对陀螺全站仪在地铁盾构测量中的应用进行研究，以供参考。

关键词：地铁盾构隧道;导线测量;陀螺全站仪;方位精度引言陀螺全站仪是一种将陀螺仪与全站仪相结合的定向仪器,并使用陀螺动力学原理。

广泛应用于军事、采矿、地铁、山区隧道等定向测量领域。

陀螺仪具有恒轴和流动性的两个基本特征,陀螺仪首先用陀螺仪确定经络的方向,然后用站测量定向侧和经络之间的角度,以获得地面或地下任何一侧的大局部角度。

与传统的测量仪器相比,操作更加简单、高效、高效。

陀螺仪的定向精度和稳定性取决于仪器制造过程、观测误差、环境条件和其他方面。

1高精度陀螺全站仪的基本作业流程使用高精度陀螺仪测量地下方位时,应严格遵守测量规范的有关要求,在地面已知侧面进行初步测量,然后在地下方向侧进行测量序列。

同时,为了保证测量的准确性,地下边方位角测量完成后,需要重新测量地面已知边方位角。

2定向原理陀螺仪在陀螺仪中围绕其对称轴高速旋转,具有两个重要特征:(1)固定轴。

也就是说,在没有外力矩的情况下,旋转轴的方向总是指向原来的恒定方向。

(2)活跃性。

也就是说,在外力矩作用下,转子旋转轴通过最短的外力矩沿旋转轴向前移动到铅垂直平面,直到2轴位于铅垂直平面上。

当陀螺仪高速旋转时,它的旋转轴不在地球上真正的子午线的垂直平面上,陀螺的旋转轴在地球旋转的瞬间作用下,接近于真正的子午线的垂直平面和地球的旋转轴,因此陀螺的轴可以自动指示真正的北向。

高速旋转的自由陀螺仪轴在惯性的作用下不会在真正的北方向停止,而是在真正的北方向上向右和向右摆动。

陀螺全站仪在地铁盾构测量中的应用摘要：天津地铁8号线沂山路站~长泰河东站区间。

迄今为止,已有多个国内盾构项目使用整体体始发技术。

盾构整体始发在多个项目中得到应用,也遇到了一些新的问题,随之出现了一些新的解决措施。

关键词：地铁盾构隧道;导线测量;陀螺全站仪;方位精度引言近些年来随着城市化进程加快，地下轨道交通工程正如火如荼地进行，如何保证隧道能够顺利贯通成为地铁精密测量至关重要的一个环节。

传统的测量方式是通过地面上下做联系测量，通过支导线的方式向隧道掘进方向进行传递，然而随着隧道长度的增加，点位的精度会逐渐减弱，影响隧道的精确贯通。

陀螺仪定向精度不受距离和时间的影响，弥补了传统导线测量的不足。

本文介绍了陀螺全站仪的工作原理以及使用方法，通过地面精密控制网对陀螺全站仪的精度进行验证，结合实际工程案例，总结了一套成熟的外业观测和内业计算方法，成功运用在地铁盾构测量中。

1准备阶段监理控制要点1.1工程概况天津地铁8号线沂山路站~长泰河东站区间。

左线隧道设计起讫里程为左DK32+544.623~DK33+212.332，隧道全长666.008米，短链长1.701m;右线隧道设计起讫里程为DK32+544.623~DK33+184.405，隧道全长639.782米，隧道出沂山路站后以半径800m曲线向南偏转，沿泗水道向北敷设，临近中水北方勘测设计研究有限公司后以半径550m曲线向北偏转，临近长泰河附近左线以半径1500m曲线向南偏转,右线以半径1200m向南偏转，到达长泰河东站。

隧道有R=800m、R= 550m、R=1200m、R=1500m的平面曲线半径各一处，区间线间距12.92m~15.7m，隧道纵断面呈V形坡。

左线线路出沂山路站后以64.5m长2‰、230m长25‰下坡段、288.2990m长21.877‰、54.4m长2‰上坡段到达长泰河东站;右线线路出沂山路站后以64.5m长2‰、230m长25‰下坡段、290m长21.748‰、54.4m长2‰上坡段到达长泰河东站。

陀螺全站仪在隧道测量中的应用摘要：本文以某特长盾构法隧道为例，讲述了一种利用高速回转体的内置陀螺进行真北方向的准确定位的高精度全站仪在隧道定向测量中的应用。

并讨论了如何利用陀螺全站仪提高超长隧道测量定向精度问题。

关键词：陀螺全站仪定向隧道测量导线精度隧道内导线由于受条件的限制其图形强度较弱，随着隧道掘进的距离越长，其点位的精度越差，特别是当城市地铁建设中的联系测量受到外界环境的影响越来越大,在洞内引测方位角的条件受到极大限制, 洞内定向的精度很难保证。

而将自动陀螺仪系统使用到地铁和隧道工程中, 就极大地提高了地铁隧道联系测量的精度, 确保了本隧道的准确贯通。

特别针对特长隧道的贯通，由于距离长，横向偏差大特点，故在引测地下导线过程中采用高精度陀螺全站仪加测导线边的陀螺方位角来提高隧道内导线的精度，减小贯通误差。

观测采用高精度陀螺全站仪，采用跟踪逆转点法连续测量八组逆转点，各组中值限定在±5″内，然后取平均值。

平差采用严密平差计算各角的改正数，以提高传递方位角的精度。

同时，拟在隧道两侧布置控制点构成闭合导线环，增加多余观测，然后进行平差，以提高观测成果精度和观测成果的可靠性。

本文主要研究陀螺仪与常规导线网的关系，陀螺仪的使用对导线精度的影响以及在实际应用中如何根据测量限差来设置陀螺观测。

1 陀螺全站仪方位测定原理与计算寻北有多种方法，目前主要有四种：磁北法、天文观测法、陀螺仪和加速度计寻北法。

磁北法受地球磁偏角和磁偏角随时间变化的影响以及周围铁磁物质的影响，精度不易提高，只能粗略定向。

天文观测法寻北是通过光学仪器观察天体而完成定向的，其定向精度很高，但是通常它需要较长的作业时间，还完全受气候条件的限制，不便于野外机动使用。

陀螺和加速度计寻北都是惯性技术的产物，是根据惯性元件敏感地球的自转运动而实现定北的，地球的自转角速度水平分量就是地理正北方向，其主要特点是：定向精度较高，测量时间短，不受气候条件限制(可以全天候工作)，在任何时间和地点(高纬度地区除外)都可以自主测量，而且操作简便，易于实现自动定向和机动使用。

盾构姿态实时监控原理与方法摘要:本文着重介绍盾构姿态自动监测与控制的原理与方法，并对系统软、硬件组成及运行界面进行简略说明。

关键词：盾构姿态自动监控1引言盾构姿态的良好保持是盾构法施工的重要控制目标，它直接关系到隧道质量与施工成败，如何实现高水平的盾构姿态实时监控一直是盾构施工人员关心的工程难题，盾构姿态实时监控技术的重要性不言而喻。

完整的盾构姿态实时监控系统包括盾构姿态偏差自动监测和自动控制两方面内容。

国内使用的盾构姿态监测系统多为国外产品，主要有德国VMT公司的SLS-T系统、英国的ZED系统和日本TOKIMEC的TMG-32B（陀螺仪）系统等，许多地方还在使用人工测量；国内使用的盾构姿态控制系统大多取之于国外盾构生产厂家成套盾构产品中提供的控制功能(注：目前国内也有较成熟的盾构引导控制系统，如我公司使用的上海米度与上海力信两家公司研制生产盾构导向、顶管导向系统、隧道精灵软件等均已较成熟，本人现在使用中，欢迎探讨交流)。

由于盾构控制系统富含PLC可编程控制器控制代码及上位控制计算机控制程序，又与具体的控制器件和动力设备的关系极为密切，因而具有一定的技术含量和非标准性。

国外有全自动盾构的研究，但少有成功应用的实例。

在科学技术突飞猛进的今天，研究先进、自主的盾构姿态实时监控技术，建立盾构姿态实时监控理论、方法，对改善盾构施工水平有着深刻的现实意义。

介绍盾构姿态自动监测与控制的原理与方法。

2盾构姿态监测系统原理根据公路、轨道交通设计规范，公路、轨道交通的设计路线由平曲线和竖曲线组成，平曲线一般包括直线、缓曲线、圆曲线三种，竖曲线一般包括直线、圆曲线（凸曲线、凹曲线）两种。

盾构根据公路、地铁隧道设计路线向前推进，盾构姿态通过盾构机轴线和设计路线的偏差比较而求得。

实现盾构姿态自动监测仍基于传统的连续支导线测量方法(洞内洞外,洞内主要就是管片的封顶块上吊篮和…此方法已于2008年9月被上海某公司申请注册专利成功…)。

陀螺仪工作原理与应用一. 陀螺仪工作原理与应用为了求得测量的基准方位和日照时间的方位，必须使用磁针罗盘仪进行天体观测。

然而，磁针罗盘仪的精度有限，在天体观测中还要受到确保通视、天气、场所和时间等观测条件的影响。

为了解决这些问题，可采用利用了力学原理求得真北的陀螺经纬仪。

陀螺经纬仪在隧道测量以及由于不能和已知点通视而无法确定方位、方向角的情况下都能发挥很大的作用。

（图1：陀螺工作站）1、陀螺工作站的原理高速旋转的物体的旋转轴，对于改变其方向的外力作用有趋向于铅直方向的倾向。

而且，旋转物体在横向倾斜时，重力会向增加倾斜的方向作用，而轴则向垂直方向运动，就产生了摇头的运动（岁差运动）。

当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时，由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力，陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。

当轴平行于子午线而静止时可加以应用。

2、陀螺工作站的构造（图4：陀螺经纬仪的构造 0点调整螺丝，吊线，照明灯，陀螺转子、指针、供电用馈线、反射镜、陀螺马达、刻度线、目镜）。

陀螺经纬仪的陀螺装置由陀螺部分和电源部分组成。

此陀螺装置与全站仪结合而成。

陀螺本体在装置内用丝线吊起使旋转轴处于水平。

当陀螺旋转时，由于地球的自转，旋转轴在水平面内以真北为中心产生缓慢的岁差运动。

旋转轴的方向由装置外的目镜可以进行观测，陀螺指针的振动中心方向指向真北。

利用陀螺经纬仪的真北测定方法有“追尾测定”和“时间测定”等。

追尾测定[反转法] 利用全站仪的水平微动螺丝对陀螺经纬仪显示岁差运动的刻度盘进行追尾。

在震动方向反转的点上（此时运动停止）读取水平角。

如此继续测定之，求得其平均震动的中心角。

用此方法进行20分钟的观测可以求得+/-0。

5分的真北方向。

时间测定[通过法] 用追尾测定观测真北方向后，陀螺经纬仪指向了真北方向，其指针由于岁差运动而左右摆动。

用全站仪的水平微动螺丝对指针的摆动进行追尾，当指针通过0点时反复记录水平角，可以提高时间测定的精度，并以+/-20秒的精度求得真北方向。

地铁盾构的工作原理及技术特点地铁盾构通常采用Φ6.34~Φ6.18米直径的单园土压平衡式盾构，也有采用双圆盾构的，但由于双圆盾构的地面沉降和纠偏问题没很好解决，现在上海已废弃不用。

盾构机构造及工作原理：见下图1：千斤顶伸出图1 盾构前部构造示意下面是盾构机工作的几个特殊方面：一．推进模式与拼装模式：盾构机的工作是由上面二种模式周而复始、交替进行，用以完成一环又一环的挖掘和拼装管片来实现整条隧道的组建。

推进模式：大多数φ6.34米地铁盾构在圆周上设置22个千斤顶，当油压达到340公斤/厘米时，每根千斤顶提供160吨的推力，因此盾构的最大推力可达3500吨，千斤顶分成4个区域，分别用4套减压比例阀无级控制4个区域内的千斤顶油压，从而控制各自的推力大小，达到控制盾构机前进方向的目的，通过控制千斤顶油泵的流量输出，达到控制盾构机前进速度的目的。

见图2：推进过程描述如下：启动大刀盘旋转切割并在土仓内搅拌泥土，螺旋机旋转抽取泥土（转速受土压平衡系统控制），通过螺旋机闸门将土运放到皮带机上，传送到车架后部的泥斗箱中，然后由电瓶机车运走倒掉。

开启同步注浆系统，填充工艺空隙防地面沉降，开启盾尾油脂压注系统，防止盾构外的泥水从盾尾密封刷与管片之间的缝隙侵入，开启集中润滑油脂压注系统，防止盾构外的泥水从刀盘支撑圈经人形密封缝隙侵入大轴承内以及提供所需的润滑油脂，开启冷却水系统防止某些部件过热，如果需要的话，开启加水、加泥、加泡沫系统，改良土体，降低刀盘旋转面磨擦力。

在掘进过程中司机必须密切注意各个传感器及仪表的参数，如土压、油压、推进力矩、千斤顶伸出长度、速度，刀盘、螺旋机的速度、盾构姿态、纠偏等。

当推进的长度达到管片的宽度并加上拼装空隙时，这一环的推进模式结束，经司机将选择开关打到拼装模式，进入管片拼装。

管片拼装过程描述如下：启动拼装机油泵系统，提供旋转、上下、前后、左右倾斜等动作的动力，启动千斤顶油泵低压系统，提供分别伸缩的功能，启动管片输送系统，将需要管片运到拼装机下方。

陀螺定向测量在轨道交通土建施工阶段的应用摘要：近年随着来城市轨道交通的迅猛发展，目前已有超过38个城市开展了城市轨道交通的建设。

在地铁施工阶段，为保证地铁周边道路畅通，大部分站间隧道均采用暗挖或盾构法的施工工艺，传统的测量控制均以联系测量+支导线的形式进行隧道内的方位传递，随着线路长度的增加将导致误差的积累，影响着隧道贯通精度，更严重的可能造成线路偏位。

因此，对于长、大隧道采用其他测量手段进行复核已十分必要。

关键词：道路畅通；陀螺；交通一、陀螺定向测量陀螺定向测量（gyrostatic orientation survey）是用陀螺经纬仪（全站仪）测定某控制网边的陀螺方位角，并经换算获得此边真方位角，最终推算待定边坐标方位角的过程。

陀螺仪具有两个基本特性：1、定轴性，2、进动性。

在轨道交通土建阶段主要应用其两个基本特性进行方位的精确定向。

主要测量原理如下：设C、D待测点，在C点安置仪器测得真北方向在水平度盘的读数N，D方向在水平度盘上的读数N1，则可求得CD边的真北方位角ACD=N1-N。

因CD边坐标方位角TCD =ACD-RΦ，且RΦ=（RΦ：C处的子午线收敛角，：C点横坐标，为C点纬度）。

在轨道交通外业生产过程中按地面已知边→地下定向边→地面已知边的顺序进行。

即：（1）在地面控制边进行多测回定向测量，标定仪器常数；（2）在地下待测边各进行多测回定向测量；（3）以地面控制边进行多测回定向测量，检验仪器的稳定性和精度并最终确定仪器常数。

外业测量需满足如下指标要求：（1）测回间陀螺方位角较差应小于20″。

（2）两次地面控制边测量结果均值之差不得大于12″。

（3）测前、测后各三测回测定的陀螺全站仪常数平均值较差不应大于15″。

二、数据处理外业测量结束后数据处理按如下方法进行：（1）地面标定仪器常数计算公式式中：为仪器常数；为地面已知边坐标方位角；上为地面已知边陀螺测量定向方位角。

根据地面控制点已知坐标计算得到地面已知边坐标方位角，再由地面两次陀螺定向结果求平均，得到仪器常数。

高速铁路隧道定向测量中磁悬浮陀螺全站仪的应用摘要：跨入21世纪以来，我国经济突飞猛进、综合国力不断提高，高新技术也达到前所未有的新高度。

在此大背景下，在地质和修建条件极为复杂的情况下，我国隧道工程发展迅猛且规模庞大，获得了世界的瞩目。

众所周知，我国城市的地铁正处于快速建设阶段，市政铁路公路的隧道工程量逐年增加，水下隧道的建设也呈现出大幅增长趋势同时在隧道的建设过程中也附加了其他功能的建设，使其呈现出规模化和多元化特点，发挥了越来越重要的作用。

但是，不论哪种隧道，在施工建设中必须保证相向开挖的中线满足纵断面和平面设计限差的同时，还需要提高贯通精度，有效降低施工成本。

关键词：陀螺全站仪；隧道测量；应用1陀螺全站仪定向原理高速旋转物体的旋转轴，对于改变其方向的外力作用有趋向于铅直方向的倾向。

而且，旋转物体在横向倾斜时，重力会向增加倾斜的方向作用，而轴则向垂直方向运动，就产生了摇头的运动(岁差运动)。

陀螺仪工作时陀螺高速旋转，由于地球的自转，旋转轴在水平面内以真北为中心产生缓慢的岁差运动，陀螺指针的振动中心方向指向真北。

根据陀螺仪能够自动寻找真北方向的特性，将全站仪安置在陀螺仪上，组成陀螺全站仪，可以测定真北方向在全站仪水平度盘上的读数N，从而可以求出任一方向的真方位角。

如图1所示，O、P为地面上两点，在O点上安置陀螺全站仪测得真北方向读数为NO，OP方向读数为φOP，则可以求得OP方向的真方位角AOP为:(1)高斯平面直角坐标系下OP方向的坐标方位角αOP为:(2)其中，γO为测站O点的子午线收敛角。

图1陀螺全站仪定向2.2陀螺全站仪方位传递原理如图2所示，C、D两已知控制点在地面上，在施工坐标系下为已知方向αCD，E、F两点在地下，αEF为待求方向。

将陀螺全站仪分别在C、E点观测，设C、E点真北方向的读数分别为NC、NE，CD方向、EF方向的读数分别为φCD、φEF，C点、E点的子午线收敛角分别为γC、γE，则依据陀螺全站仪定向原理可知:(3)(4)图2陀螺全站仪方位传递其中，αΔ为施工坐标系北方向在高斯平面坐标系下的方位角。