盾构隧道施工测量
7.4.1盾构机始发初始状态测量
盾构机始发初始状态测量的主要内容和目的
(1)盾构机导轨定位测量
盾构机导轨测量主要控制导轨的中线与设计隧道中线偏差不能超限,导轨的前后高程与设计高程不能超限,导轨下面是否坚实平整等。
(2)反力架定位测量
反力架定位测量包括反力架的高度、俯仰度、偏航等,反力架下面是否坚实、平整。反力架的稳定性直接影响到盾构机始发掘进是否能正常按照设计的方位进行。
(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。盾构机的水平偏航、俯仰度是用来判断盾构机在以后掘进过程中是否在隧道设计中线上前进,扭转度是用来判断盾构机是否在容许范围内发生扭转。
(4) 人工复测盾构姿态
为了保证导向系统的正确性和可靠性,在盾构机始发前,应进行盾构姿态的人工检测。
7.4.1.2盾构机姿态测量原理
（1）演算工房导向系统
①导向系统介绍
在掘进隧道的过程中,为了避免盾构机发生意外的运动及方向的突然改变, 必须对盾构机的位置和隧道设计轴线的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。日本株式会社的演算工房就是为此而开发,该系统为使盾构机沿设计轴线(理论轴线)掘进提供所有重要的数据信息。该系统是由激光全站仪(天宝5600) 、中央控制箱、ESL靶、控制盒和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
②导向基本原理
洞内控制导线是支持盾构机掘进导向定位的基础。激光全站仪安装在位于盾构机尾部右上侧管片的拖架上,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接收入射的激光定向光束,即可获取激光站至ELS 靶间的方位角、竖直角,通过ELS棱镜和激光全站仪就可以测量出激光站至ELS 靶间的距离。盾构机的仰俯角和滚动角通过ELS靶内的倾斜计来测定。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的精确位置。将前后两个参考点的三维坐标与事先输入计算机的隧道设计轴线比较,就可以显示盾构机的推进姿态。
（2）人工复测
盾构机作为一个近似的圆柱体，在开挖掘进过程中我们不能直接测量其刀盘的中心坐标，只能用间接法来推算出刀盘中心的坐标。
图2 盾构姿态计算原理图
如图A点是盾构机刀盘中心，E是盾构机中体断面的中心点，即AE连线为盾构机的中心轴线，由A、B、C、D、四点构成一个四面体，测量出B、C、D 三个角点的三维坐标（xi,yi, zi）,根据三个点的三维坐标（xi, yi, zi）分别计算出LAB, LAC, LAD, LBC, LBD,LCD, 四面体中的六条边长，作为以后计算的初始值，在盾构机掘进过程中Li是不变的常量，通过对B、C、D三点的三维坐标测量来计算出A点的三维坐标。同理，B、C、D、E四点也构成一个四面体，相应地求得E点的三维坐标。由A、E两点的三维坐标就能计算出盾构机刀盘中心的水平偏航，垂直偏航，由B、C、D三点的三维坐标就能确定盾构机的仰俯角和滚动角，从而达到检测盾构机姿态的目的。
7.4.1.3盾构机姿态测量的误差分析
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的位置和姿态，通过与隧道设计曲线比较，得到盾构掘进的位置偏差和姿态偏差。实际施工中主要测量盾构切口中心和盾尾中心与设计曲线的水平偏差和垂直偏差，因
此测量工作的主要任务是得到切口中心和盾尾中心在全局坐标系中的坐标。
由于标靶加工和装配工艺水平、传感器元件本身精度的限制，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和盾尾中心的坐标位置产生误差. 因此，准确建立盾构切口中心点位误差与测量参数误差的传递关系，对改善自动测量系统的性能、提高系统的测量精度可以起到重要作用。
（1）切口中心坐标的测量原理模型
图3为标靶在盾构机内的安装位置图。按照测量工程的习惯，将全局坐标系和其他相对坐标系均设置为左手坐标系。
图3 激光标靶的安装位置图
自动测量系统工作时，全站仪固定安装在已拼装好的隧道管片上，标靶固定于盾构内部，标靶与全站仪间无障碍物遮挡。利用全站仪测量标靶棱镜的全局坐标（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的水平夹
角，与全站仪激光的水平角合成得到标靶轴线在全局坐标系中的水平方位角?。利用标靶内置倾角仪可以测量标靶相对于全局坐标系的滚角?和俯仰角?。以标靶棱镜中心为原点，以标靶测量的滚角?、俯仰角?、水平入射角?的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 中盾构切口中心的坐标（x 1,y 1,z 1）是固定的。为
求取盾构切口中心的全局坐标（x,y,z ），通过（x 1,y 1,z 1）从坐标系o —a b
c 旋转平移到全局坐标系O-XYZ 中，则有
[][][]111000x y z x y z M x y z =⨯+
其中 100cos 0sin cos sin 00cos sin 010sin cos 00sin cos sin 0cos 0
01M ββγγ
ααγγ
ααββ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=-⨯⨯-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦为相对坐标系o —a b c 到全局坐标系O-XYZ 的旋转变换矩阵.
（2）切口中心与标靶相对位置坐标标定的误差分析
将标靶安装到盾构上后，盾构静止的状态下，通过人工方法测量切口中心的全局坐标（x,y,z ），通过全站仪测量标靶棱镜的全局坐标（x 0,y 0,z 0），然后读取标靶的三姿态角读数，通过对式(1)进行矩阵变换，反算相对坐标（x 1,y 1,z 1），可得
