学习盾构机始发时的测量姿态

盾构机初始姿态测量方法及适用性分析李海亮（中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京100040）【摘要】本文结合某工程实际案例，基于对盾构机姿态的概述，通过分析水平尺法、侧壁法、分中法以及拟合圆法等姿态测量方法的原理及特点，总结各种测量方法的适用性。

【关键词】城市轨道交通；地铁隧道；盾构施工；初始姿态；测量方法【中图分类号】U455.43【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2020）03-0179-021盾构机姿态概述盾构机是在地下空间穿梭的运动体,因此盾构机姿态参数包括刀盘中心三维坐标、偏航角、俯仰角及滚动角等。

(1)偏航角是指掘进机轴线和设计隧道中心线之间的水平夹角,其表征的是盾构机在水平方向的方位,主要影响隧道在水平方向的转变方向[1]。

(2)俯仰角是指掘进机轴线和水平面的垂直夹角。

当X 轴的正半轴位于过坐标原点的水平面之上时,俯仰角为正,反之为负。

其表征盾构机在里程处上所处的坡度,主要影响隧道的掘进坡度。

(3)滚动角是指掘进机盾体相比于零位测量时发生的转动角度。

根据盾构机姿态参数定义可知,盾构机姿态准确性将直接影响成型隧道质量。

因此,盾构机姿态的准确性是盾构施工测量的一个十分关键的环节。

盾构机初始姿态参数主要是测量盾构机初始状态下的刀盘三维中心坐标、盾首、盾尾中心三维坐标、俯仰角、偏航角。

2盾构机初始姿态测量方法及适用性分析2.1水平尺法2.1.1测量原理水平标尺法是一种操作简单、计算快速的盾构机姿态的测量方法,其原理是测量水平放置在盾尾内壳的铝合金尺上贴片的三维坐标,通过贴片与盾构机内壳底部尺寸关系、铝合金尺与盾构机首、尾的距离关系来计算盾构机的盾首和盾尾中心三维坐标,测量示意图见图1。

2.1.2特点及控制要点此法主要是通过盾尾位置测量多组数据,推算盾构机轴线方位角,进而推算盾构机姿态参数。

因此,此法适用于主动铰接类型盾构机,且要求盾尾零部件较少、有足够空间可以安放水平尺,适用环境受盾构机构造限制。

盾构机姿态控制总结始发前的盾构姿态主要是靠盾体始发托架和反力架的的安装精度来控制的，同时反力架的安装精度还直接影响到环片的拼装姿态，因此对于盾体始发托架及反力架的控制尤为重要。

在进行完始发定向联系测量后,根据底板平面及高程控制点对始发托架进行定位。

在盾体组装完成前，开始进行反力架的定位。

始发托架及反力架的安装过程全过程进行监控，保证始发托架和反力架的左右偏差控制在±10mm之内，高程偏差控制在±5mm之内，反力架的与隧道设计轴线法平面偏差＜2‰。

盾构机已经从始发井到天府广场，前一段盾构机的姿态控制的很好。

但是在68环后盾构机的姿态就不是很理想了。

在成都这种砂卵石地层，不同于粘土和岩石地层，在砂卵石地层，掘进过程中盾构机的盾体与砂卵石是紧密接触的，这使盾构机在偏移隧道中心线的时候很难快速的纠正过来，这就要求盾构机司机在掘进过成中，一定要掌握好掘进的路线，出现小的偏移要及时进行纠偏。

盾构导向系统是隧道质量保证的重要因素之一，在掘进过程中对导向系统的监控及维护尤为重要。

对VMT导向系统运行的可靠性进行定期检查，即盾构姿态的人工检测。

盾构姿态人工检测工作一周进行一次，同时利用环片检测的方法每天对导向系统运行的可靠性进行检测。

在前200m掘进过程中，VMT导向系统运行正常。

VMT工程师每次的移站都要快速准确完成，隧道中心线要经过多次测量并达到准确。

在68环的时候由于VMT出现事故盾构机出现忙掘的情况，使盾构机的方向与隧道中心先有了较大的偏差，在这种情况下，应当选择好纠偏曲线慢慢的使盾构机的姿态慢慢的纠正过来，我们却选择了强行快速纠偏，使得管片出现了大错台的情况，在一个就是由于管片的选型不是很完美，使得盾构机的姿态越来越差。

除了定期对盾构姿态进行人工检测，同时还对TCA激光站及定向棱镜的稳定性进行检查。

在始发前，导向系统的激光站及定向棱镜安装在始发井内，不会轻易发生碰动。

在盾构掘进了30环后，进行了第一次激光站的移站，激光站固定在环片顶部，定向棱镜仍旧安装在始发井内，由于环片不稳定使得TCA激光站不稳定。

盾构机姿态测量实例德国VMT公司制造的盾构机掘进姿态测量方法。

1,德国VMT公司制造的盾构机。

在盾构机主机横向截面上有18个由螺母构成的测量标志点，这些点在盾构机构建之时就已经定位，每个点相对于盾构机的轴线有一定的几何关系，并在由盾构机轴线构成的坐标系中有坐标数据。

盾构机轴线坐标数据如下图：2测量标志点对于德国VMT公司制造的盾构机上有18个点，单只要测出其中任意3个点（最好取左中右3个点）的实际三维坐标，就可以计算出盾构机的姿态，在进行测量时，当盾首中心为坐标原点，其三维坐标为（0，0，0）盾首与盾尾的距离为4.34m,盾尾中心的三维坐标为（一4.34, 0，0）。

同样在该坐标系中，从表中可以查出3, 8，15三个点的三维坐标分别为（X1, Y1, Z1），（X2,Y2,Z2 ,（X3, Y3, Z3,）.由此可以列出利用该三个点计算盾首中心的三维坐标（X首，Y首，Z首）和盾尾中心三维坐标（X尾Y尾Z尾）的两组三元二次方程组的数学表达方式。

计算盾首中心三维坐标数学方程组为：2 2 2（X1 - X 首）+ （Y1 - Y 首）+ （Z1- Z 首）2 2 2=（-3.9567）+ （- 1.9917）+ （1.6565）2 2 2（X2 - X 首）+ （Y2 - Y 首）+ （Z2 - Z 首）2 2 2=（-3.9701）+ （- 0.3638）+ （2.8150）（X3- X 首）2+ (Y3 - 丫首)2+(2Z3 - Z 首)222 = ( - 3.9560) + ( 2.3056) +(1.1695)计算盾尾中心三维坐标数学方程组为222（X1- X 尾）+ （(Y1- Y尾) +Z1 -Z尾）222=（- 3.9567 + 4.34) +( - 1.9917 ) + ( 1.6565)222（X2- X 尾）+ （(Y2 - Y 尾) +Z2 -Z尾）222=（- 3.9701 + 4.34) +( - 0.3638) + (2.8150)2 (X3- X 尾) +2( Y3- Y 尾) +( Z32-Z尾）222= ( - 3.9560 + 4.34) + (2.3056) + ( 1.1695)上述3.8.15 三个点是在以盾构机轴线构成的坐标系中，盾首中心为坐标原点（0，0，0）盾尾为（-34.4，0，0）的条件下的坐标系。

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。

盾构机初始姿态测量方法及适用性分析发表时间：2020-08-07T06:08:44.219Z 来源：《建筑学研究前沿》2020年10期作者：雷显高[导读] 俯仰角是指掘进机轴线和水平面的垂直夹角。

当X轴的正半轴位于过坐标原点的水平面之上时，俯仰角为正，反之为负。

其表征盾构机在里程处上所处的坡度，主要影响隧道的掘进坡度。

广东华隧建设集团股份有限公司 510000摘要：盾构法施工的关键是依据测量控制点精确确定盾构机的掘进方向和位置，确保盾构机按设计线路掘进，而盾构机初始姿态测定是盾构施工的关键节点，直接影响到隧道的施工质量和贯通。

盾构机初始姿态测定方法有水平标尺法、坐标推算法、侧边法等，考虑到盾构机经多次拆装后存在一定的拼装错缝，且局部盾壳有较大变形，一般认为采用侧边法测得的盾构机初始姿态比较可靠。

关键词：城市轨道交通；地铁隧道；盾构施工；初始姿态；测量方法引言地铁盾构施工中的一个重要步骤就是依据地下导线点精确确定盾构机掘进的方向和位置，确保盾构机按照设计的线路进行掘进。

盾构机初始姿态测定即盾构机的零位测量是盾构隧道施工测量中最关键的一步，直接影响到隧道贯通精度。

盾构机初始姿态测定的方法很多，有水平标尺法、侧边法和测支撑环法等。

1盾构机姿态概述盾构机是在地下空间穿梭的运动体，因此盾构机姿态参数包括刀盘中心三维坐标、偏航角、俯仰角及滚动角等。

（1）偏航角是指掘进机轴线和设计隧道中心线之间的水平夹角，其表征的是盾构机在水平方向的方位，主要影响隧道在水平方向的转变方向。

（2）俯仰角是指掘进机轴线和水平面的垂直夹角。

当X轴的正半轴位于过坐标原点的水平面之上时，俯仰角为正，反之为负。

其表征盾构机在里程处上所处的坡度，主要影响隧道的掘进坡度。

（3）滚动角是指掘进机盾体相比于零位测量时发生的转动角度。

根据盾构机姿态参数定义可知，盾构机姿态准确性将直接影响成型隧道质量。

因此，盾构机姿态的准确性是盾构施工测量的一个十分关键的环节。

盾构施工测量技术盾构法隧道施工是一项综合性的施工技术，它是将隧道的定向掘进、运输、衬砌、安装等各工种组合成一体的施工方法。

其埋设深度可以很深,不受地面建筑、天气和交通等的影响，机械化和自动化程度很高，是一种先进的土层隧道施工方法，广泛应用于城市地铁、越江隧道等的施工中。

盾构施工测量主要是控制盾构的位置和推进方向，目的是确保盾构按照设计轴线推进，管片拼装后型后满足隧道轴线误差控制要求。

利用洞内导线点测定盾构机的位置(当前空间位置和轴线方向），通过推进油缸施以不同的推力，调整盾构的位置和推进方向，使盾构机的掘进按照设计的线路方向推进.盾构推进只是盾构施工技术的一部分，在整个施工过程中，施工测量还包括地面测量（地面控制测量﹑沉降观测和井位放样等)﹑联系测量（方位传递﹑坐标传递和高程传递等）以及地下施工测量（地下导线点的测设、洞门钢环的安装、始发台的定位、反力架的定位、盾构始发测量﹑盾构掘进过程中的测量、隧道沉降测量﹑联络通道的施工测量、盾构到达测量、贯通测量、断面测量以及竣工测量等）。

每一步的测量工作都十分重要，直接影响下一步的施工。

在各项工作中,最为重要的是地面控制测量﹑联系测量﹑地下控制测量和盾构施工测量。

这些工作决定着隧道能否达到设计要求,盾构机能否准确进入接受井并确保隧道准确贯通。

一、地面控制测量1、地面平面控制测量对于隧道工程，地面控制测量的主要任务是建立合适的测量控制系统，提供可靠的地面控制点，为联系测量和地下控制测量提供起算依据,同时也作为以后复核测量和竣工测量的起算数据。

地面测量控制网的点位和起算数据由建设单位负责提供，一般要求暗挖隧道的地面控制网精度不应低于国家四等三角网测量的技术指标及精度要求,同时要根据盾构隧道的贯通长度、联系测量和地下控制导线的精度等条件，估算地面控制网应达到的精度。

施测时，以现有平面GPS控制点为依据布置平面控制点，建立地面导线控制网。

2、地面高程控制测量以现有的二等水准点从工作井至接收井布设水准线路，用此精密水准点来控制隧道的施工高程。

盾构机初始姿态设置与安装调试后姿态偏差的处理与调整一．盾构机初始姿态测量及计算1．盾构机下井安装后，首先要进行各部件功能的调整，VMT测量系统也要进行必要的初始姿态的测量和调整工作。

2．首先对盾构机盾尾部的参考点进行测量，尽量能多测几个点，但最少不能少与3个点，{按以往的经验来看，三个点的距离和高程越大精度越好}，根据这个原则由自己来选择测量点的位置和个数。

3．盾构机测量完姿态后，根据VMT公司的后续姿态处理软件进行姿态的计算，也可根据ACD进行姿态的计算工作（这是我们常用的一种方法），然后进行姿态的判断和选择，选择一种最佳的姿态。

4．实际的姿态测量出来以后制成标准的图表，如下图所示（这为正确的姿态）：方法⑴．实际姿态：⑵．VMT自动导向系统测量的出厂姿态：如下图：二．盾构机的姿态调整1．从上面的两个图表可以看出盾构机的实际姿态和出厂的姿态存在一定的偏差，现在我们要做的就是把出厂的姿态通过调整成为我们的实际姿态。

2．具体做法：⑴．看下表：⑵．根据上表可以看出右面的滚动角偏差、仰浮角偏差、ELS偏航角偏差这三项，我们只要改正这三项就可以让姿态达到实际姿态。

（如上例：滚动角偏差＝－12－（－9.5）(新测量滚动角)＝－2.5；仰浮角偏差＝26-21.4(新测量仰浮角)=4.6； 趋向偏差＝4－（－4.1）(新测量ELS偏航角) =8。

⑶．根据盾构机VMT自动导向系统测量的出厂姿态和实际姿态进行这三项的比较，找出他们的差值进行软件ELS上面的偏差调整，下面的图表为调整后的真正姿态：图表1、图表2、（调整后VMT系统测量的姿态）：从上面的结果可以看出调整后VMT自动导向系统测量出来的姿态和我们人工测量出来的姿态相符，可进行始发。

中铁一局集团有限公司广州轨道交通五号线草淘项目经理部。

浅谈盾构机姿态的控制方法摘要南水北调中线穿黄一期工程以德国VMT公司的盾构机为例，介绍盾构机的组成、工作原理和激光导向系统的组成，探讨盾构隧道施工中盾构机姿态控制的原理。

分析盾构施工过程中不同地质条件下姿态控制技术，并提出一些盾构机的纠编措施。

关键词：盾构施工; 盾构机; 姿态控制目录第1章绪论 (1)1.1前言 (1)第2章盾构机姿态控制的组成与功能 (2)2.1推进系统 (2)2.2导向系统 (3)2.3数据采集系统 (4)第3章定位的基本原理 (4)第4章盾构掘进方向的控制与调整 (5)4.1穿黄隧洞II-A标盾构施工地质条件 (5)4.2盾构姿态偏差 (6)4.3盾构机的纠偏措施 (7)4.4不同地质环境中盾构机掘进姿态的控制方法 (7)第5章盾构机姿态位置的测量及检测 (8)5.1盾构机始发定位测量 (8)5.2盾构推进中姿态测量和计算 (9)5.4环片成环现状测量 (10)5.5隧洞沉降测量 (11)5.6盾构机推进中导向控制点的复测 (11)5.7贯通测量 (12)5.8贯通测量误差估算 (13)结论 (14)致谢 (15)第1章绪论1.1前言20世纪70年代以来，盾构掘进机施工技术有了新的飞跃。

伴随着激光、计算机以及自动控制等技术的发展成熟，激光导向系统在盾构机中逐渐得到成功运用、发展和完善。

激光导向系统，使得盾构法施工极大地提高了准确性、可靠性和自动化程度，从而被广泛应用于铁路、公路、市政、油气等专业领域。

1.2 盾构机的基本工作原理盾构机主要依靠千斤顶的推力向前推进的，盾构机千斤顶分置上下左右四个区，各区千斤顶相对独立，同一分区的千斤顶的动作是一致的，对盾构机的位置和姿态的线形管理是靠设定盾构机各区千斤顶的压力调节来实现的。

穿黄隧洞盾构受地质条件影响，盾构机在推进过程中开挖面上土压力的不均衡性、地下土层变化及其他方面的影响，盾构机的实际推进轴线无法与理论轴线保持一致(如下图)。

盾构姿态人工测量方法盾构机是一种用于地下隧道建设的工程机械设备。

在盾构机施工过程中，准确测量盾构机的姿态对于确保隧道建设质量和安全至关重要。

本文将介绍几种常见的盾构姿态人工测量方法。

1.简单水平仪法简单水平仪法是一种简单直观的盾构姿态测量方法。

测量时，将水平仪固定在盾构机上，通过观察水平仪中的气泡来判断盾构机是否水平。

然而，这种方法只适用于检测盾构机是否水平，无法测量盾构机的倾斜角度。

2.三角仪法三角仪法是一种基于图形几何原理的盾构姿态测量方法。

测量时，可以借助三角板、直角镜等工具，通过观察盾构机与参考平面之间的角度来进行测量。

该方法需要使用角度计算公式进行计算，相对比较繁琐，且对测量人员的眼力要求较高。

3.激光测距法激光测距法是一种利用激光器测量距离的盾构姿态测量方法。

该方法借助激光测距仪，将激光束与参考平面进行垂直对准，利用激光器显示的距离值来测量盾构机与参考平面之间的倾斜角度。

该方法操作简便，测量准确可靠。

4.加速度计法加速度计法是一种利用加速度计测量盾构姿态的方法。

加速度计是一种能够测量物体加速度的装置，通过捕捉盾构机的加速度来推导出盾构机的姿态。

该方法常用于现代盾构机中，精度较高，但需要精确的传感器和数据处理系统。

5.摄像测量法摄像测量法是一种利用摄像机进行远程测量的方法。

在盾构机上安装摄像机，通过对拍摄的图像进行处理，可以获取盾构机姿态信息。

该方法无需人工干预，操作简单，但对于图像处理技术要求较高。

综上所述，盾构姿态人工测量方法有简单水平仪法、三角仪法、激光测距法、加速度计法和摄像测量法等。

在实际应用中，可以根据具体情况选择适合的测量方法，以确保盾构机施工的质量和安全。