CN101684731A - 一种隧道盾构姿态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种隧道盾构姿态测量方法，其包括以下步骤：步骤一，分别布设经纬仪、棱镜以及前、后尺；步骤二，根据盾构机头、尾部的设计坐标以及前、后尺与盾构机的相对位置来推算出前、后尺的设计坐标，并计算出棱镜～经纬仪～前尺和棱镜～经纬仪～后尺的设计夹角α_前、α_后；步骤三，用经纬仪分别测量出棱镜～经纬仪～前尺和棱镜～经纬仪～后尺的夹角β_前、β_后；步骤四，根据前、后尺的设计坐标与经纬仪的坐标计算出前后尺分别到经纬仪的距离S_前、S_后；步骤五，计算前、后尺的平面偏差；步骤六，根据前、后尺的平面偏差计算出盾构机头、尾部在水平方向上的平面偏差。本发明提高了测量精度、简化了测量过程，极大的节约了工程成本。

Description

一种隧道盾构姿态测量方法

技术领域

本发明涉及一种工程测量技术，特别适用于隧道中盾构前进姿态的工程测量的方法，是一种隧道盾构姿态测量方法。

背景技术

盾构姿态测量包括人工姿态测量和自动姿态测量，人工姿态测量是通过人工仪器测量安装在盾构机上的固定标尺来推算盾构机的头、尾偏差，自动姿态测量是一种集测量、仪器仪表和计算机软、硬件技术与一体，具有对盾构姿态进行动态测量功能的系统，目前国内主要是日本的演算工房开发的ROBOTEC自动测量系统和德国开发的VMT自动测量系统，但由于自动测量系统容易出问题，且不易修复会影响工程进度，所以现在国内盾构机上大多安装了人工测量系统。

盾构姿态测量是描述盾构机位置与隧道设计轴线相对关系的参数。主要包括盾构机头部高程偏差、盾构机头部水平偏差、盾构机尾部高程偏差、盾构机尾部水平偏差四个数值。盾构姿态伴随着隧道推进的全过程，是整个隧道测量中非常重要的一个环节。盾构姿态的准确与否，直接影响到整个隧道工程的质量及隧道的最后贯通。

发明内容

本发明的目的是：提供一种隧道盾构姿态测量方法，在保证测量精度的前提下，简化测量过程，极大的节约了工程成本。

为了达到上述目的，本发明提供了一种隧道盾构姿态测量方法，其包括以下步骤：

步骤一，在拼装好的管片上前后设置二个仪器平台，在前仪器平台上放置一经纬仪，在后仪器平台上放置一棱镜；在盾构机内设置一前尺和一后尺；

步骤二，根据盾构机头、尾部的设计坐标以及前、后尺与盾构机的相对位置来推算出前、后尺的设计坐标，并计算出棱镜～经纬仪～前尺和棱镜～经纬仪～后尺的设计夹角α_前、α_后；

步骤三，用经纬仪分别测量出棱镜～经纬仪～前尺和棱镜～经纬仪～后尺的夹角β_前、β_后；

步骤四，根据前、后尺的设计坐标与经纬仪的坐标计算出前后尺分别到经纬仪的距离S_前、S_后；

步骤五，计算前、后尺的平面偏差；

步骤六，根据前、后尺的平面偏差计算出盾构机头、尾部在水平方向上的平面偏差。

优选地，所述步骤五中前后尺平面偏差的计算公式为：

前尺平面偏差＝tan(arctan(Y_前尺1/S_前)+β_前-α_前)*S_前；

后尺平面偏差＝tan(arctan(Y_后尺1/S_后)+β_后-α_后)*S_后；

其中：Y_前尺1为前尺中心到盾构水平中心的垂直距离；

Y_后尺1为后尺中心到盾构水平中心的垂直距离，若偏左为负值，若偏右取正值。

优选地，盾构机转过一γ角后，前、后尺的平面偏差计算公式为：

前尺平面偏差＝tan(arctan(Y_前尺1/S_前)+β_前-α_前)*S_前-tanγ*H_前尺1；

后尺平面偏差＝tan(arctan(Y_后尺1/S_后)+β_后-α_后)*S_后-tanγ*H_后尺1；

其中：H_前尺1为前尺中心到盾构垂直中心的垂直距离；

H_后尺1为后尺中心到盾构垂直中心的垂直距离。

优选地，所述步骤六中盾构机头部和尾部的平面偏差计算公式为：

盾首平面偏差＝前尺偏差-(后尺偏差-前尺偏差)*X_前尺1/(S_后-S_前)；

盾尾平面偏差＝后尺偏差-(前尺偏差-后尺偏差)*(L-X_后尺1)/(S_后-S_前)；

其中：L为盾构机长度；

X_前尺1为前尺到盾首的距离；

X_后尺1为后尺到盾尾的距离。

优选地，步骤七，测量前、后尺的垂直角δ_前、δ_后，计算前、后尺的高程；

步骤八，根据前、后尺的高程计算出盾构机头部和尾部的高程以及高程偏差。

优选地，所述步骤七中计算前、后尺的高程的计算公式为：

前尺高程＝H_站+tan(90°-δ_前)*S_前-cos γ*H_前尺1；

后尺高程＝H_站+tan(90°-δ_后)*S_后-cos γ*H_后尺1；

其中H_站为经纬仪90度时的视线高程。

优选地，所述步骤八中计算盾构机头部和尾部的高程以及调和偏差的公式为：

盾首高程＝前尺高程-(后尺高程-前尺高程)*X_前尺1/(S_后-S_前)；

盾尾高程＝后尺偏差-(前尺偏差-后尺偏差)*(L-X_后尺1)/(S_后-S_前)；

盾首高程偏差＝盾首实际高程-盾首设计高程；

盾尾高程偏差＝盾尾实际高程-盾尾设计高程。

本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和优良效果：

本发明在保证测量精度和稳定性的前提下，简化测量过程，极大的节约了工程成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1是本发明所测隧道盾构的结构示意图。

图2是本发明的标尺的示意图。

图3是图1的A-A剖面图。

图4是本发明的盾构机的结构示意图。

图5是本发明的棱镜的示意图。

图6是坐标系示意图。

图7是设计夹角的示意图。

图8是盾构机角度转动示意图。

图9是管片的后视图。

附图标号：

[1]前仪器平台    [2]后仪器平台    [3]棱镜       [4]经纬仪

[5]前尺          [6]后尺          [7]盾构机     [8]管片

[9]前仪器操作台  [10]后仪器操作台 [71]盾构机头部[72]盾构机尾部

具体实施方式

下面结合附图1-9来具体介绍本发明的方法一种较佳实施例。

如图1、9所示，在盾构机7后部拼装好的管片8上一前一后且与管片8顶部间隔30～35cm设置前仪器平台1和后仪器平台2，在前仪器平台1下部间隔40cm左右设置前仪器操作台9，在前仪器平台1上间隔设置经纬仪4；在后仪器平台2下部间隔40cm左右设置后仪器操作台10，在后仪器平台2上设置棱镜3，棱镜3的结构示意图如图5所示。测量人员站立在仪器操作台9、10上，操作经纬仪4或棱镜3进行测量。如图3、图4所示，在盾构机头部71与盾构机尾部72之间的上部的同一径向线上一前一后设置前尺5和后尺6，经纬仪4到前尺5距离控制在20m～100m，经纬仪到前后尺的角度以看得见为准；经纬仪4与后视棱镜3的距离越长越好，以看得清楚为准；前尺5低于后尺6，便于经纬仪4的观测。前尺5和后尺6的示意图如图2所示。由于盾构机头部71及盾构机尾部72的坐标测量十分不便，所以通过测量出前尺5和后尺6的偏差来推算出盾构机的位置偏差。所采用的方法是将实际测得的前尺5和后尺6角度与前尺5和后尺6设计角度相比较的方法来计算前后尺相对设计轴线的偏差。

使用本发明的方法测量一盾构姿态，已知其盾首设计高程＝-9.1192m，盾尾设计高程＝-8.9672m，将前、后尺安装在盾构平面中心。在隧道测量中我们都使用固定观测墩3作为安装仪器的平台，而在隧道内使用铁质固定架代替后视棱镜。通过测量安装在盾构机上两个固定的独立标尺来推算盾构机头部71及盾构机尾部72的坐标。然后建立一个相对坐标系，以盾构中心轴线为X轴，盾构机前部水平方向为Y轴，垂直方向为H轴，3轴交点作为坐标原点建立一个坐标系，使用(X，Y，H)代表具体坐标，标度对应长度单位为mm。坐标系如图6所示，其中a为盾构机头部71，b为盾构机尾部72，o为盾构机中心，设计夹角α_前(后视～测站～前尺)＝180°02′12″，α_后(后视～测站～后尺)＝180°02′13″。

掘进完成后，经纬仪4作为测站点的坐标：(X_站＝36450.6738，Y_站＝9785.1114，H_站＝-5.11)，将棱镜作为后视点的坐标：(X_后视＝36509.2428，Y_后视＝9755.2812，H_后视)，其中H_后视在计算过程中不需要。相应里程点的前尺坐标(X_前尺1＝36383.7529，Y_前尺1＝9819.1414，H_前尺1)，H_前尺1会由下面计算得出，后尺坐标(X_后尺1＝36385.5752，Y_后尺1＝9818.2146，H_后尺1)，H_后尺1会由下面计算得出，实际经纬仪读数β_前(后视～测站～前尺)＝180°02′50″，β_后(后视～测站～后尺)＝180°02′36″，前后尺分别到经纬仪的距离S_前＝75.0763m，S_前＝73.0318m，将上述数据分别代入公式(1)和公式(2)有：

前尺平面偏差＝tan(arctan(Y_前尺1/S_前)+β_前-α_前)*S_前＝13.8mm；

后尺平面偏差＝tan(arctan(Y_后尺1/S_后)+β_后-α_后)*S_后＝8.1mm。

这个时候，如果盾构机本身具有一个顺时针或者逆时针的转动，前后尺的位置会产生如图8的变化。我们假设这个回转角为γ，γ在盾构机顺时针转动时为正值，逆时针转动时为负值。盾构机旋转角γ＝0.2°，H_前尺1＝2.318m，H_后尺1＝2.582m，代入下列公式(3)和公式(4)有：

前尺平面偏差＝tan(arctan(Y_前尺1/S_前)+β_前-α_前)*S_前-tanγ*H_{前尺 1}＝5.6mm；

后尺平面偏差＝tan(arctan(Y_后尺1/S_后)+β_后-α_后)*S_后-tanγ*H_{后尺 1}＝-0.9mm。

已知：盾构机长L＝7.655m，X_前尺1＝1.817m，X_后尺1＝3.794m，将以上数据代入公式(5)和公式(6)有：

盾首平面偏差＝前尺平面偏差-(后尺平面偏差-前尺平面偏差)*X_前尺1/(S_前-S_后)＝11.4mm；

盾首平面偏差＝后尺平面偏差-(前尺平面偏差-后尺平面偏差)*(L-X_后尺1)/(S_前-S_后)＝-13.2mm。

盾构机在垂直方向上的偏差也是通过计算前、后尺的高程推算得出的。由于前、后尺的上边缘或者下边缘较之标尺中心来说更容易瞄准，我们一般瞄准标尺的上边缘或者下边缘测量垂直角。测出的前、后尺垂直角分别记为δ_前、δ_后。根据H_站＝-5.11，H_前尺1＝2.318m，H_后尺1＝2.582m，S_前＝75.0763m，S_前＝73.0318m，经纬仪垂直角读数δ_前＝91°15′41″，δ_后＝91°03′38″代入公式(7)和公式(8)有：

前尺盾构中心高程＝H_站+tan(90°-δ_前)*S_前-cosγ*H_前尺1＝-9.081m；

后尺盾构中心高程＝H_站+tan(90°-δ_后)*S_后-cosγ*H_后尺1＝-9.044m。

根据这两个数据推算出盾构机头部71、尾部72的高程可用以下公式(9)和公式(10)：

盾首实际高程＝前尺盾构中心高程-(后尺盾构中心高程-前尺盾构中心高程)*X_前尺1/(S_后-S_前)＝-9.1139m；

盾尾实际高程＝后尺盾构中心偏差-(前尺盾构中心偏差-后尺盾构中心偏差)*(L-X_后尺1)/(S_后-S_前)＝-8.9753m。

依据盾首设计高程＝-9.1192m，盾尾设计高程＝-8.9672m，带入公式(11)和公式(12)则：

盾首高程偏差＝盾首实际高程-盾首设计高程＝5.3mm；

盾尾高程偏差＝盾尾实际高程-盾尾设计高程＝-8.1mm。

由于该盾构机上配备有日本公司研发的ROBOTEC自动测量系统，自动测量系统盾构姿态显示为：盾首平面偏差＝8mm，盾尾平面偏差＝-10mm，盾首高程偏差＝3mm，盾尾高程偏差＝-4mm，经过比较，本发明与ROBOTEC自动测量系统的测量数据较差均在±5mm以内，说明本发明的测量精度完全达到要求，且应用灵活，大大节约了成本。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种隧道盾构姿态测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，在拼装好的管片(8)上前后设置二个仪器平台(1、2)，在前仪器平台(1)上放置一经纬仪(4)，在后仪器平台(2)上放置一棱镜(3)；在盾构机(7)内设置一前尺(5)和一后尺(6)；

步骤二，根据盾构机(7)头、尾部的设计坐标以及前、后尺(5、6)与盾构机(7)的相对位置来推算出前、后尺(5、6)的设计坐标，并计算出棱镜(3)～经纬仪(4)～前尺(5)和棱镜(3)～经纬仪(4)～后尺(6)的设计夹角α_前、α_后；

步骤三，用经纬仪(4)分别测量出棱镜(3)～经纬仪(4)～前尺(5)和棱镜(3)～经纬仪(4)～后尺(6)的夹角β_前、β_后；

步骤四，根据前、后尺(5、6)的设计坐标与经纬仪(4)的坐标计算出前后尺(5、6)分别到经纬仪(4)的距离S_前、S_后；

步骤五，计算前、后尺(5、6)的平面偏差；

步骤六，根据前、后尺(5、6)的平面偏差计算出盾构机(7)头、尾部在水平方向上的平面偏差。

2.如权利要求1所述的隧道盾构姿态测量方法，其特征在于步骤五中先以盾构机头部为坐标原点建立坐标系，前后尺(5、6)平面偏差的计算公式为：

前尺平面偏差＝tan(arctan(Y_前尺1/S_前)+β_前-α_前)*S_前

后尺平面偏差＝tan(arctan(Y_后尺1/S_后)+β_后-α_后)*S_后

其中：Y_前尺1为前尺中心到盾构水平中心的垂直距离；

      Y_后尺1为后尺中心到盾构水平中心的垂直距离。

3.如权利要求2所述的隧道盾构姿态测量方法，其特征在于：盾构机转过一γ角后，前、后尺(5、6)的平面偏差计算公式为：

前尺平面偏差＝tan(arctan(Y_前尺1/S_前)+β_前-α_前)*S_前-tanγ*H_{前 尺1}

后尺平面偏差＝tan(arctan(Y_后尺1/S_后)+β_后-α_后)*S_后-tanγ*H_{后 尺1}

其中：H_前尺1为前尺中心到盾构垂直中心的垂直距离；

H_后尺1为后尺中心到盾构垂直中心的垂直距离。

4.如权利要求2或3所述的隧道盾构姿态测量方法，其特征在于所述步骤六中盾构机(7)头部和尾部的平面偏差计算公式为：

盾首平面偏差＝前尺偏差-(后尺偏差-前尺偏差)*X_前尺1/(S_后-S_前)

盾尾平面偏差＝后尺偏差-(前尺偏差-后尺偏差)*(L-X_后尺1)/(S_后-S_前)

其中：L为盾构长度；

X_前尺1为前尺中心到盾首的垂直距离；

X_后尺1为后尺中心到盾首的垂直距离。

5.如权利要求4所述的隧道盾构姿态测量方法，其特征在于还包括：步骤七，测量前、后尺(5、6)的垂直角δ_前、δ_后，计算前、后尺(5、6)的高程；

步骤八，根据前、后尺(5、6)的高程计算出盾构机(7)头部和尾部的高程以及高程偏差。

6.如权利要求5所述的隧道盾构姿态测量方法，其特征在于：所述步骤七中计算前、后尺(5、6)的高程的计算公式为：

前尺高程＝H_站+tan(90°-δ_前)*S_前-cosγ*H_前尺1

后尺高程＝H_站+tan(90°-δ_后)*S_后-cosγ*H_后尺1

其中H_站为经纬仪90度时的视线高程。

7.如权利要求6所述的隧道盾构姿态测量方法，其特征在于：所述步骤八中计算盾构机(7)头部和尾部的高程以及调和偏差的公式为：

盾首高程＝前尺高程-(后尺高程-前尺高程)*X_前尺1/(S_后-S_前)；

盾尾高程＝后尺偏差-(前尺偏差-后尺偏差)*(L-X_后尺1)/(S_后-S_前)；

盾首高程偏差＝盾首实际高程-盾首设计高程；

盾尾高程偏差＝盾尾实际高程-盾尾设计高程。

Images