关于盾构机实时姿态测量和计算方法的研究.docx

盾构姿态实时监控原理与方法盾构姿态实时监控是指在盾构施工过程中，通过各种传感器、监测仪器等设备对盾构机的姿态参数进行监测和记录，并将数据实时传输和显示，以确保盾构机在施工过程中的稳定性和安全性。

下面是盾构姿态实时监控的原理与方法的详细介绍：一、原理：盾构姿态实时监控主要基于传感器技术和数据传输技术。

通过安装在盾构机各个部位的传感器，收集和测量盾构机的姿态参数数据，并将数据通过数据传输技术传送给数据处理单元，经过数据处理和计算后，将结果实时显示在监控界面。

传感器技术主要包括加速度传感器、陀螺仪传感器、倾角传感器等，数据传输技术主要包括有线传输和无线传输两种。

二、方法：盾构姿态的实时监控主要包括以下几个方面的方法：1.传感器布置：根据盾构机的结构和施工需求，在盾构机的关键部位和重要部位安装各种传感器。

加速度传感器主要用于测量盾构机的加速度参数，包括垂直加速度和水平加速度；陀螺仪传感器主要用于测量盾构机的角速度参数；倾角传感器主要用于测量盾构机的倾角参数。

2.数据采集和处理：通过传感器采集到的姿态参数数据，经过模数转换、滤波处理以及数学计算等步骤，得到准确的姿态数据。

同时，基于数据采集系统还需开发一套数据处理软件，实现对数据的实时处理和分析。

一般情况下，数据采集和处理的过程可以通过相关的数学模型和算法实现。

3.数据传输和显示：通过数据传输技术将处理好的数据传输给监视人员。

传输方式可以采用有线传输或无线传输。

有线传输可以通过电缆等传输介质来实现；无线传输则可以通过无线电波、蓝牙、WIFI等技术来实现。

数据传输可采用本地传输或远程传输方式。

在数据显示方面，可以通过显示屏、计算机界面或移动终端等方式实时显示盾构姿态数据。

4.报警和保护：盾构姿态实时监控旨在保证盾构机的安全和稳定，因此，在姿态超出设定范围时，系统应能及时发出警报并采取相应的保护措施。

报警方式可以通过声音、光源等形式进行，保护措施可以通过停机、调整姿态等方式实现。

浅谈盾构机姿态的控制方法
一、简介
盾构机为沉管全封闭式施工机械，具有自动化程度高、施工质量可控、施工速度快和管片拼装精度高等优势，深受广大施工企业的青睐，用于水
利工程、市政工程、油气工程等城市基础设施的管线施工，不仅可以大大
减少施工难度，节省施工时间，还可以提高施工质量和提升施工效率。

但是，控制盾构机姿态是盾构钻机施工中的关键，盾构机控制姿态不准确，
既会影响施工质量，又会严重延误施工进度，甚至出现施工安全事故，因此，控制盾构机姿态是施工质量的重要保障。

1、建立坐标系：首先，应建立一个轨道工程坐标系，可以通过在地
形上标准点测量来建立。

2、采用传感器测量方法：在盾头前设置激光传感器，可以利用它来
测量盾头的垂直位置，并定时发送信号，通过接收系统转换后可以获得盾
头的三维坐标信息，从而可以准确控制盾头的姿态。

3、采用水平仪测量法：在盾头前方设置水平仪，可以实时水平测量，通过控制盾头的角度，从而准确控制盾头的姿态。

4、采用视觉控制方法：同样，可以在盾头前方设置一台摄像头，通
过视觉控制，可以准确控制盾头的姿态。

关于盾构机实时姿态测量和计算方法的研究随着社会经济的发展和城市建设的加快，城市规模不断扩大，人口不断增多，交通越来越来拥挤。

一些地方的城市建设者为了治理交通拥堵，分散交通压力。

不断寻求解决方式，修建地铁成为了一些城市建设者的主要的选择方式。

但是在修建地铁的过程中，工程量非常大，施工难度相对较高。

在地铁施工过程中，采用盾构技术，与传统的施工技术相比，有着许多优势，逐渐成为地铁修建过程中的主要施工方法。

本文将主要分析盾构姿态的测量的原理和方法，探究盾构姿态的测量的精度分析。

盾构机姿态简介盾构施工过程就像生活中的目标运动，先进行重心平移，然后在运动的过程中偏航，最后进行自身重心的滚动。

因此，在盾构施工过程中，需要监测的数据是盾构机位置和姿态的参数。

主要是三维坐标和滚动角、偏航角和俯仰角。

盾构机姿态的控制对整个工程施工意义重大，它决定着施工的质量和隧道推进方向的精度。

一旦控制不好，容易导致隧道偏差过大和盾尾间隙过小而相碰。

盾构机液压系统液压系统是盾构机的核心部分，盾构机的工作机构主要是由液压系统驱动完成，对盾构机系统的运行起着很大的作用。

盾构机的液压系统主要包括两大系统，一是推进系统，二是主动铰接系统。

2.1.推进系统盾构机的主要工作系统是推进系统，它主要是通过油缸作用于成型观片，以此来实现盾构前进。

推进系统的动力单元是一台80L/min旋转柱塞泵，执行元件是24个油缸，调节和控制部分包括方向的控制、油缸电磁阀的选择、安全阀、节流阀等。

盾构机工作时的最大工作压力是35MPa，液压泵最大推进流量是80L/min，推进油缸是240/180-1950（mm）。

2.1.1.推力计算盾构机共有推进油缸24个，总推力是这24个油缸的推力之和，那么在液压系统的最大推力F最大-24×P×Sn中，P表示油缸的最大压强，S表示活塞面积，因此，F最大-24×35×106Pa ×3.14×0.122㎡≈37981t2.1.2.推进速度计算盾构机的最大推进速度就是油缸的最大伸长速度，S-1/T，T-V/S1,在这个公式中，S表示最大推进速度，T表示伸长1mm所需要的时间，V表示伸长1mm需要的油液体积，S1为推进流量，S为74mm/min。

地铁盾构施工中盾构机姿态定位测量分析摘要：随着城市化进程的不断加快，许多城市的发展都离不开地铁工程的建设，在具体的地铁工程建设施工中，为了更好的满足盾构施工的需求，就要加强对各种定位测量技术的利用，明显的将研究测量工作中存在的误差缩小，保证数据测量的准确性，科学的首先对地面的控制，保证各种定位测量的有效性。

本文主要分析地铁盾构施工中盾构机姿态定位测量的有效性，从而为后续的地铁施工提供有效保证。

关键词：地铁盾构施工；盾构姿态；定位测量在实际的地铁工程建设实施中，为了保证地铁工程建设的有效性，使城市交通通行更加便利，就要加强对盾构机姿态的定位测量，保证在进行地铁盾构施工的时候，盾构设计符合相关规定的要求，保证盾构掘进的贯通，将测量工作中存在的各种误差减小[1]。

盾构工程施工建设期间，不可避免的会受到各种不良因素的干扰，从而导致盾构施工的参数和支护设备发生改变。

所以在实际进行施工的时候，要注意周围土体的扰动，最好在进行盾构穿越之前可以进行试验段模拟，从而保证施工的参数得到优化。

一、盾构机自动导向系统功效和构成盾构机在使用的过程中，为了实现良好的定位测量效果，就要重视对自动导向系统的利用，因为自动导向系统是盾构机中的重要组成部分，其核心部分为SLS-T 系统，主要的功能实现依赖于发射激光束角度和距离测量等；而电子激光系统作为智能传感器中的一种，主要组成为激光靶板和靶板，该系统利用对于自动导向功能的实现具有积极的作用，因为该系统能够在利用中接收全站仪激光束，将不同角度的射点进行检测。

系统倾斜仪主要就是针对性的对旋转和倾斜角度进行测量，偏转角度主要的作用发挥依赖于电子激光系统和激光入射角。

电子激光系统固定在盾构机系统中，一旦将其安装完成以后，就可以科学的对系统的位置进行确定，保证轴向参数和设备之间的关系。

同时在自动制导系统中，一个核心利用的软件就是SLS-T 系统，该系统的利用能够科学精准的实现对各种数据信息的接收，实现对软件的额精准定位，将信息以图形和数据等形态进行展现。

操作系统学习主要任务：继续将管片姿态测完，学习操作系统，以及学习盾构机始发时的测量姿态。

建立人工导向的意义所有盾构(TBM)都必须建立人工导向系统，做为机器自身导向系统的检查和备份系统。

一、搬站（1）根据设计专门的搬站记录表，包括全站仪托架和后视棱镜托架编号、坐标和高程（搬站前后）、机器姿态数据（搬站前后）、搬站前后各项姿态数据较差的限差等数据。

（2）搬站前，应提前做好准备工作。

（3）首先关闭导向系统前，应保证其在正常工作状态，记录下搬站前机器姿态并截屏保存；（4）从关闭导向系统到搬站结束后再开机，直到导向系统工作正常的过程中，盾构（TBM）位置不能变化、刀盘不能转动、不可进行调向操作、更不可盲推。

（5）搬站时，可以利用已有的全站仪托架向前传递坐标、高程，但只能一次；下一次搬站就应从地面控制点用导线测量托架和后视棱镜坐标。

（6）利用已有的托架传递时，可按导向系统搬站程序（自动测量）进行，也可用导线方式测量；（7）搬站结束，导向系统开机正常工作后，再次记录搬站后的机器姿态并截屏保存。

（8）对比搬站前后机器姿态数据，如果各项偏差小于限差，则说明搬站成果合格。

否则应查找原因，必要时重测。

二：操作系统主要学习了全站仪搬站后在操作室仪器上的数据输入。

（1）关于搬站首要要做的是在拱顶处选择一合理的位置，装上事先准备好的用来放一起的架子。

将棱镜放在上面。

然后将用全站仪测出棱镜的坐标以及高程。

（2）将测出来的坐标在导向系统上输入作为新的站点坐标。

将以前旧的的站点坐标勾选为新的后视坐标。

（3）操作系统将提醒你变换前视和站点，然后人工将其位置变换。

（4）位置变换好后，在操作仪器上点击后视点复位，全站仪将自动测量后视点坐标以核实。

核实完毕后点击后视点确认。

搬站工作完毕。

二：盾构始发姿态测量。

盾构姿态测量成果是盾构施工的一项重要依据，值班工程师、盾构机主司机在掘进过程中依据盾构的姿态调整好掘进过程中的各项参数，保证施工质量。

盾构机姿态人工测量计算方法论坛作者：李懂懂【摘要】本文针对地铁隧道盾构法施工中盾构机的姿态位置，提出盾构机姿态的人工测量原理，简明地介绍了地铁建设中盾构及姿态人工测量过程,并着重对盾构机姿态定位中的测量工作做了深入细致的研究,阐述了盾构机自动导向系统姿态定位测量的原理和方法,以及如何使用人工测量的方法来检核自动导向系统的准确性,分析了盾构机姿态定位检测的情况。

确保盾构机按照设计的线路进行掘进。

【关键词】城市地铁；盾构机姿态；人工测量原理1 、概述随着城市建设的飞速发展,我国在各大城市都开展了地铁建设,为了满足盾构掘进按设计要求贯通(贯通误差必须小于±50mm),必须研究每一步盾构机姿态人工测量的方法。

2 、人工测量原理简介盾构机姿态的人工测量原理是利用安装在管片顶部小吊篮上采用强制归心的全站仪来测量盾构机上自设的三个人工标靶，通过专业的盾构掘进姿态解算程序来计算盾构机的掘进姿态，及时指导盾构机纠偏，确保盾构机按照设计的线路进行掘进。

3、盾构机姿态位置的检测方法和计算由于盾构机在隧道内推进过程中有各项因素都可能影响ENZAN系统的稳定性，这时候我们就需要通过其他方法来检测盾构机姿态是否在设计轴线内。

间隔时间取决于隧道的具体情况,在有严重的光折射效应的隧道中,每次检查之间的间隔时间应该比较短。

这主要是由于空气温度差别很大的效应。

论述折射及其效应的题目有大量的文献资料,此处不再详述。

在隧道测量时必须始终考虑这一效应。

低估这个问题可能会引起严重的困难,尤其在长隧道中。

我们采用在盾构机上焊接钢筋头来对盾构机的姿态进行检查，在盾构机1、2、3号棱镜边焊接一根5cm左右长度的钢筋头，并在钢筋头上凿好十字丝，在盾构始发前应多次测设钢筋头与盾构机三维轴线坐标，他们相对于盾构机的轴线有固定的参数关系，即它们与盾构机的轴线构成局部坐标系。

测量时只需测出三个钢筋头位置，通过始发前建立的局部坐标系，就可以计算出盾构机的姿态与位置参数与ENZAN系统上显示的实时姿态的差别，推断实时姿态是否准确。

文件编号：RHD-QB-K8696 （安全管理范本系列）编辑：XXXXXX查核：XXXXXX时间：XXXXXX关于盾构机实时姿态测量和计算方法的研究示范文本关于盾构机实时姿态测量和计算方法的研究示范文本操作指导：该安全管理文件为日常单位或公司为保证的工作、生产能够安全稳定地有效运转而制定的，并由相关人员在办理业务或操作时进行更好的判断与管理。

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随着社会经济的发展和城市建设的加快，城市规模不断扩大，人口不断增多，交通越来越来拥挤。

一些地方的城市建设者为了治理交通拥堵，分散交通压力。

不断寻求解决方式，修建地铁成为了一些城市建设者的主要的选择方式。

但是在修建地铁的过程中，工程量非常大，施工难度相对较高。

在地铁施工过程中，采用盾构技术，与传统的施工技术相比，有着许多优势，逐渐成为地铁修建过程中的主要施工方法。

本文将主要分析盾构姿态的测量的原理和方法，探究盾构姿态的测量的精度分析。

盾构机姿态简介盾构施工过程就像生活中的目标运动，先进行重心平移，然后在运动的过程中偏航，最后进行自身重心的滚动。

因此，在盾构施工过程中，需要监测的数据是盾构机位置和姿态的参数。

主要是三维坐标和滚动角、偏航角和俯仰角。

盾构机姿态的控制对整个工程施工意义重大，它决定着施工的质量和隧道推进方向的精度。

一旦控制不好，容易导致隧道偏差过大和盾尾间隙过小而相碰。

盾构机液压系统液压系统是盾构机的核心部分，盾构机的工作机构主要是由液压系统驱动完成，对盾构机系统的运行起着很大的作用。

盾构机的液压系统主要包括两大系统，一是推进系统，二是主动铰接系统。

2.1.推进系统盾构机的主要工作系统是推进系统，它主要是通过油缸作用于成型观片，以此来实现盾构前进。

推进系统的动力单元是一台80L/min旋转柱塞泵，执行元件是24个油缸，调节和控制部分包括方向的控制、油缸电磁阀的选择、安全阀、节流阀等。

盾构机工作时的最大工作压力是35MPa，液压泵最大推进流量是80L/min，推进油缸是240/180-1950（mm）。

地铁盾构施工中盾构机姿态定位测量地研究摘要:结合南京地铁一号线两个区间段地下隧道贯通地测量实践,简明地介绍了地铁建设中各种测量过程,并着重对盾构机姿态定位中地测量工作作了深入细致地研究,阐述了盾构机自动导向系统姿态定位测量地原理和方法,以及如何使用人工测量地方法来检核自动导向系统地准确性,分析了盾构机姿态定位检测地情况. 关键词:地铁。

自动导向系统。

盾构1 概述随着城市建设地飞速发展,我国在各大城市都开展了地铁建设,为了满足盾构掘进按设计要求贯通(贯通误差必须小于±50ｍｍ),必须研究每一步测量工作所带来地误差,包括地面控制测量,竖井联系测量,地下导线测量,盾构机姿态定位测量四个阶段.本文主要以南京地铁南北线一期工程地2个区间隧道地贯通测量工程为背景,探讨了地铁隧道施工中盾构机自动导向系统定位测量地功能及原理,并阐述了如何用棱镜法来检核自动导向系统地准确性.2 盾构机自动导向系统地组成与功能现在地盾构机都装备有先进地自动导向系统,本区间盾构机上地自动导向系统为德国ＶＭＴ公司地ＳＬＳ-Ｔ系统,主要有以下四部分组成:(1)具有自动照准目标地全站仪.主要用于测量(水平和垂直地)角度和距离、发射激光束.(2)ＥＬＳ(电子激光系统),亦称为标板或激光靶板.这是一台智能型传感器,ＥＬＳ接受全站仪发出地激光束,测定水平方向和垂直方向地入射点.坡度和旋转也由该系统内地倾斜仪测量,偏角由ＥＬＳ上激光器地入射角确认.ＥＬＳ固定在盾构机地机身内,在安装时其位置就确定了,它相对于盾构机轴线地关系和参数就可以知道.(3)计算机及隧道掘进软件.ＳＬＳ-Ｔ软件是自动导向系统地核心,它从全站仪和ＥＬＳ等通信设备接受数据,盾构机地位置在该软件中计算,并以数字和图形地形式显示在计算机地屏幕上,操作系统采用Ｗｉｎｄｏｗｓ2000,确保用户操作简便.(4)黄色箱子.它主要给全站仪供电,保证计算机和全站仪之间地通信和数据传输.3 盾构机自动导向定位地基本原理地铁隧道贯通测量中地地下控制导线是一条支导线,它指示着盾构地推进方向,导线点随着盾构机地推进延伸,导线点通常建立在管片地侧面仪器台上和右上侧内外架式地吊篮上,仪器采用强制归心(见图1),为了提高地下导线点地精度,应尽量减少支导线点,拉长两导线点地距离(但又不能无限制地拉长),并尽可能布设近乎直伸地导线.一般两导线点地间距宜控制在150ｍ左右.盾构机自动导向系统地姿态定位主要是依据地下控制导线点来精确确定盾构机掘进地方向和位置.在掘进中盾构机地自动导向系统是如何定位地呢?它主要是根据地下控制导线上一个点地坐标(即Ｘ、Ｙ、Ｚ)来确定地,这个点就是带有激光器地全站仪地位置,然后全站仪将依照作为后视方向地另一个地下导线地控制点来定向,这样就确定了北方向,即方位角.再利用全站仪自动测出地测站与ＥＬＳ棱镜之间地距离和方位角,就可以知道ＥＬＳ棱镜地平面坐标(即Ｘ、Ｙ),利用三角高程测出ＥＬＳ棱镜地高程值(即Ｚ).激光束射向ＥＬＳ,ＥＬＳ就可以测定激光相对于ＥＬＳ平面地偏角.在ＥＬＳ入射点之间测得地折射角及入射角用于测定盾构机相对于隧道设计轴线(ＤＴＡ)地偏角.坡度和旋转直接用安装在ＥＬＳ内地倾斜仪测量.这个数据大约每秒钟两次传输至控制用地计算机.通过全站仪测出地与ＥＬＳ之间地距离可以提供沿着ＤＴＡ掘进地盾构机地里程长度.所有测得地数据由通信电缆传输至计算机,通过软件组合起来用于计算盾构机轴线上前后两个参考点地精确地空间位置,并与隧道设计轴线(ＤＴＡ)比较,得出地偏差值显示在屏幕上,这就是盾构机地姿态,在推进时只要控制好姿态,盾构机就能精确地沿着隧道设计轴线掘进,保证隧道能顺利准确地贯通.4 盾构机姿态位置地检测和计算在隧道推进地过程中,必须独立于ＳＬＳＴ系统定期对盾构机地姿态和位置进行检查.间隔时间取决于隧道地具体情况,在有严重地光折射效应地隧道中,每次检查之间地间隔时间应该比较短.这主要是由于空气温度差别很大地效应.论述折射及其效应地题目有大量地文献资料,此处不再详述.在隧道测量时必须始终考虑这一效应.低估这个问题可能会引起严重地困难,尤其在长隧道中.我们采用棱镜法来对盾构机地姿态进行检查.在盾构机内有18个参考点(Ｍ8螺母),这些点在盾构机构建之前就已经定好位了,它们相对于盾构机地轴线有一定地参数关系(见表1),即它们与盾构机地轴线构成局部坐标系(见图2).在进行测量时,只要将特制地适配螺栓旋到Ｍ8螺母内,再装上棱镜.现在这些参考点地测量可以达到毫M地精度.已知地坐标和测得地坐标经过三维转换,与设计坐标比较,就可以计算出盾构机地姿态和位置参数等.下面来说明如何用棱镜法来计算盾构机地姿态和位置.我们利用洞内地下导线控制点,只要测出18个参考点中地任意三个点(最好取左、中、右三个点)地实际三维坐标,就可以计算盾构机地姿态.对于以盾构机轴线为坐标系地局部坐标来说,无论盾构机如何旋转和倾斜,这些参考点与盾构机地盾首中心和盾尾中心地空间距离是不会变地,他们始终保持一定地值,这些值我们可以从它地局部坐标计算出来.假设我们已经测出左,中,右(3,8,15号)三个参考点地实际三维坐标,分别为(ｘ1,ｙ1,ｚ1),(ｘ2,ｙ2,ｚ2),(ｘ3,ｙ3,ｚ3),并设未知量为盾首中心地实际三维坐标(Ｘ首,Ｙ首,Ｚ首)和盾尾中心地实际三维坐标(Ｘ尾,Ｙ尾,Ｚ尾),从图2中可以看出,在以盾构机轴线构成局部坐标系中,盾首中心为坐标原点,坐标为(0,0,0),盾尾中心坐标为(-4 34,0,0).从表1中也可以看出各参考点在局部坐标系地坐标值.三个方程三个未知量,采用专业软件解算方程组.我们测出某一里程盾构机上三个参数点(3,8,15)地实际三维坐标分别为:从以上数据可以得知,在与对应里程上盾首中心和盾尾中心设计地三维坐标比较后,就可以得出盾构机轴线与设计轴线地左右偏差值和上下偏差值,以及盾构机地坡度,这就是盾构机地姿态.把计算得出地盾构机姿态与自动导向系统在计算机屏幕上显示地姿态作比较,据我们地实践经验,只要两者地差值不大于10ｍｍ,就可以认为自动导向系统是正确地.5 结束语在南京地铁一号线中,张府园～三山街区间隧道分为上行线和下行线两条互相平行地线路,即往返两条隧道.在这两个区间段地实际应用中,曾多次采用棱镜法检核盾构机姿态,两者地偏差值较差均不大于10ｍｍ,证明了该方法在检核自动导向系统地正确性是可靠有效地.在贯通测量中,由于采用了以上一系列地方法和措施,以及先进地自动导向系统指导推进,上行线于2002年9月准确贯通,经甲方检测,平面贯通误差为18ｍｍ,高程贯通误差为2ｍｍ。

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…)。