地鐵施工規(guī)定，在任何貫通面上，地下測量控制網(wǎng)的貫通中誤差，橫向不超過±５０㎜，豎向不超過±２５㎜。聯(lián)系測量主要有一井定向（聯(lián)系三角形定向）、兩井定向、鉛垂儀陀螺經(jīng)緯儀聯(lián)合定向、導(dǎo)線定向四中方式，其中我們施工單位一般都沒有陀螺經(jīng)緯儀，所以很少采用鉛垂儀陀螺經(jīng)緯儀聯(lián)合定向。用導(dǎo)線定向精度最好且最方便，但是用導(dǎo)線定向受始發(fā)井的長度和深度制約，一般也很少用。所以一般都采用一井定向（聯(lián)系三角形定向）或兩井定向，其中用兩井定向受地面及洞內(nèi)各種因素的制約要少，很方便，但是在同樣的始發(fā)井長度和深度的情況下最好采用一井定向（聯(lián)系三角形定向），這樣有利于提高井下定向的精度。這在我們侖大始發(fā)井的多次聯(lián)系測量中得到證實。雖然一井定向（聯(lián)系三角形定向）對場地要求較高，做起來也很麻煩，但是定向精度很有保證。聯(lián)系測量向洞內(nèi)投點時把點間距盡量拉大些，在始發(fā)井底板，最好投四個點，保證始發(fā)井兩端都各有兩個控制點。且盡量保證每次聯(lián)系測量投點時都投在這四個點上。以便取多次聯(lián)系測量的加權(quán)平均值做為最終的始發(fā)控制點坐標。

圖2一井定向聯(lián)系測量示意圖

圖3兩井定向聯(lián)系測量示意圖

1.3.2 高程傳遞測量

向洞內(nèi)傳遞高程一般采用懸掛鋼尺的方法，一定要注意加溫度和尺長改正，才能保證導(dǎo)入井下的水準點的精度。如果有斜井或通道，也可以用水準測量的方法向井下傳遞高程。如果全站儀的仰俯角不大的話還可以直接用全站儀三角高程測高差的辦法傳遞高程。

圖4鋼尺導(dǎo)入法傳遞高程

2導(dǎo)向系統(tǒng):

2.1導(dǎo)向系統(tǒng)介紹

2.1.1VMT導(dǎo)向系統(tǒng)概述：

在掘進隧道的過程中,為了避免隧道掘進機(TBM)發(fā)生意外的運動及方向的突然改變, 必須對TBM的位置和DTA(隧道設(shè)計軸線)的相對位置關(guān)系進行持續(xù)地監(jiān)控測量。TBM能夠按照設(shè)計路線精確地掘進，則對掘進各個方面都有好處（計劃更精確，施工質(zhì)量更高）。這就是TBM采用“導(dǎo)向系統(tǒng)”（SLS）的原因。德國VMT公司的SLS-T系統(tǒng)就是為此而開發(fā)，該系統(tǒng)為使TBM沿設(shè)計軸線（理論軸線）掘進提供所有重要的數(shù)據(jù)信息。SLS-T系統(tǒng)功能完美，操作簡單。

2.1.2導(dǎo)向系統(tǒng)基本組成與功能

導(dǎo)向系統(tǒng)是由激光全站儀（TCA）、中央控制箱、ESL靶、黃盒子和計算機及掘進軟件組成。其組成見下圖：

圖5導(dǎo)向系統(tǒng)組成

2.1.2.1全站儀(TCA)

具有伺服馬達，可以自動照準目標和跟蹤，并可發(fā)射激光束，主要用于后視定向，測量距離、水平角和豎直角，并將測量結(jié)果傳輸?shù)接嬎銠C。

也稱光靶板，是一臺智能性型的傳感器。ELS接收全站儀發(fā)射的激光束，測定水平和垂直方向的入射點。偏角由ELS上激光的入射角確認，坡度由該系統(tǒng)內(nèi)的傾斜儀測量。ELS在盾構(gòu)機體上的位置是確定的，即對TBM坐標系的位置是確定的。

2.1.2.3中央控制箱

主要的接口箱，它為黃盒子（繼而為激光全站儀）及ELS靶提供電源。

2.1.2.4黃盒子

它主要為全站儀供電，保證全站儀工作和與計算機之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.2.5計算機及掘進軟件

SLS-T軟件是自動導(dǎo)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和自動控制的核心，通過計算機分別與全站儀和ELS通信接收數(shù)據(jù)，盾構(gòu)機在線路平、剖面上的位置計算出來后，以數(shù)字和圖形在計算機上顯示出來。如下圖所示：

圖6 VMT導(dǎo)向系統(tǒng)盾構(gòu)姿態(tài)顯示

2.1.3導(dǎo)向基本原理

洞內(nèi)控制導(dǎo)線是支持盾構(gòu)機掘進導(dǎo)向定位的基礎(chǔ)。激光全站儀安裝在位于盾構(gòu)機的右上側(cè)管片上的拖架上，后視一基準點（后視靶棱鏡）定位后。全站儀自動掉過方向來，收尋ELS靶， ELS接收入射的激光定向光束，即可獲取激光站至ELS靶間的方位角、豎直角，通過ELS棱鏡和激光全站儀就可以測量出激光站至ELS靶間的距離。TBM的仰俯角和滾動角通過ELS靶內(nèi)的傾斜計來測定。ELS靶將各項測量數(shù)據(jù)傳向主控計算機，計算機將所有測量數(shù)據(jù)匯總，就可以確定TBM在全球坐標系統(tǒng)中的精確位置。將前后兩個參考點的三維坐標與事先輸入計算機的DTA（隧道設(shè)計軸線）比較，就可以顯示盾構(gòu)機的姿態(tài)了。

2.2導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)用

2.2.1 始發(fā)托架和反力架定位

盾構(gòu)機初始狀態(tài)主要決定于始發(fā)托架和反力架的安裝，因此始發(fā)托架的定位在整個盾構(gòu)施工測量過程中顯得格外重要。盾構(gòu)機在曲線段始發(fā)方式通常有兩種：切線始發(fā)和割線始發(fā)，兩種始發(fā)方式示意圖見下圖7：

圖7 切線和割線始發(fā)示意圖

始發(fā)托架的高程要比設(shè)計提高約1~5㎝，以消除盾構(gòu)機入洞后“栽頭”的影響。反力架的安裝位置由始發(fā)托架來決定，反力架的支撐面要與隧道的中心軸線的法線平行，其傾角要與線路坡度保持一致。

2.2.2.1激光站人工移站

盾構(gòu)機的掘進時的姿態(tài)控制是通過全站儀的實時測設(shè)ELS的坐標，反算出盾構(gòu)機盾首、盾尾的實際三維坐標，通過比較實測三維坐標與DTA三維坐標，從而得出盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)。隨著盾構(gòu)機的往前推進，每隔規(guī)定的距離就必須進行激光站的移站。激光站的支架用角鋼和鋼板做成可以安裝在管片螺栓的托架形似, 托架的底板采用400×400×10mm鋼板，底板中心焊上儀器連接螺栓,長1㎝。采取強制對中，減少儀器對中誤差。托架安裝位置在隧道右側(cè)頂部不受行車的影響和破壞的地方。安裝時，用水平尺大致調(diào)平托架底板后，將其固定好，然后可以安裝前視棱鏡或儀器。托架示意圖如下圖8：

圖8 激光站的托架示意圖

一般在后視靶托架即將脫出盾構(gòu)機最后一節(jié)臺車后進行，這樣就可以直接站在盾構(gòu)機上移站，不需要搭樓梯，既安全又方便。把前視棱鏡安裝在后視托架后，測量出棱鏡中心到托架底板的高程，然后直接從下面的測站采用極坐標測量方式測出托架的三維坐標。然后在后視靶托架上設(shè)站，前視直接采用極坐標測量方式測出激光站托架的三維坐標。然后把后視棱鏡安裝在后視靶托架上，把激光全站儀安裝在激光站托架上整平，把黃盒子固定好，給全站儀接上電源，手動把全站儀瞄準后視棱鏡，瞄準的精度在±10㎝左右，然后把全站儀電源關(guān)閉。接著在主空室里，啟動SLS-T，按“編輯器—F2”進入編輯器窗口，進入激光站編輯窗口，輸入激光全站儀中心和后視靶棱鏡中心的三維坐標。按“保存”鍵保存，然后關(guān)閉編輯器窗口。再按“定位—F5”鍵，給激光全站儀定位。定位完成后，再按“方位檢查—F5”鍵，檢查激光站和后視棱鏡的坐標有沒有錯誤。如果超限，將會顯示差值，如果不超限，那么將不顯示。最后再按“推進—F4”就完成了激光站的人工移站的全過程。

2.2.2.2激光站自動移站

VMT導(dǎo)向軟件SLS—T有激光站自動移站功能，移站的過程除了托架和全站儀及后視棱鏡的安裝，其它測量工作都可以通過此功能完成。

操作流程為：

程序的啟動及后續(xù)測量工作在主控室進行。此時SLS-T軟件處于“管片拼裝”狀態(tài)，按功能鍵F3，關(guān)閉測量后，通過功能鍵“激光站移站—F6”來啟動程序。在初始窗口中，按下按鈕“測量開始—F2”，啟動方位檢測程序。方位檢測被成功的執(zhí)行后，顯示檢測結(jié)果，在得到理想的結(jié)果后，按下F2確認后方位檢測的結(jié)果。在測定新激光站點坐標前，事先在信息輸入窗口中輸入如下信息：水平與垂直方向上偏移的近似值及新激光站點的大致里程；當(dāng)前棱鏡的高度及儀器的高度；新站點的點位編碼。在信息輸入窗口下，按下F2鍵啟動程序。全站儀自動搜索到前視棱鏡（即新激光站點）后，自動瞄準棱鏡進行測量。屏幕顯示計算出來的新激光站點坐標。在測定新激光站坐標時，為避免獲得錯誤的數(shù)據(jù)，須遮蓋住其他的反射棱鏡。新激光站點的坐標測定后，將全站儀和后視棱鏡轉(zhuǎn)移到新的位置。全站儀和后視棱鏡轉(zhuǎn)移到新的位置后，主控室按功能鍵F2進行確認，新的信息窗口會顯示新激光站點三維坐標，然后將新激光站點上的全站儀手動轉(zhuǎn)向新的后視點即原先的激光站，按下F2，重新調(diào)整定位全站儀上的刻度。成功執(zhí)行上述的步驟后，出現(xiàn)一新的信息窗口。通過按下F2功能鍵完成激光站移站程序。

在進行盾構(gòu)機組裝時，VMT公司的測量工程師就已經(jīng)在盾體上布置了盾構(gòu)姿態(tài)測量的參考點(共21個)，如圖9。并精確測定了各參考點在TBM坐標系中的三維坐標。我們在進行盾構(gòu)姿態(tài)的人工檢測時，可以直接利用VMT公司提供的相關(guān)數(shù)據(jù)來進行計算。其中盾體前參考點及后參考點是虛擬的，實際是不存在的):

圖9 S267盾構(gòu)機參考點的布置

盾構(gòu)姿態(tài)人工檢測的測站位置選在盾構(gòu)機第一節(jié)臺車的連接橋上,此處通視條件非常理想,而且很好架設(shè)全站儀。只要在連接橋上的中部焊上一個全站儀的連接螺栓就可以了。測量時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件盡量使所選參考點之間連線距離大一些，以保證計算時的精度，最好保證左、中、右各測量一兩個點，這樣就可以提高測量計算的精度。例如在我們在選擇S267盾構(gòu)機的參考點時，即是選擇的1、10、21三點作為盾構(gòu)姿態(tài)人工檢測的參考點。

3.3 盾構(gòu)姿態(tài)的計算

3.3.1盾構(gòu)姿態(tài)的計算原理

盾構(gòu)機作為一個近似的圓柱體，在開挖掘進過程中我們不能直接測量其刀盤的中心坐標，只能用間接法來推算出刀盤中心的坐標。

圖10盾構(gòu)姿態(tài)計算原理圖

如圖A點是盾構(gòu)機刀盤中心，E是盾構(gòu)機中體斷面的中心點，即AE連線為盾構(gòu)機的中心軸線，由A、B、C、D、四點構(gòu)成一個四面體，測量出B、C、D 三個角點的三維坐標（x_i,y_i, z_i）,根據(jù)三個點的三維坐標（x_i, y_i, z_i）分別計算出L_AB, L_AC, L_AD, L_BC, L_BD,L_CD, 四面體中的六條邊長，作為以后計算的初始值，在盾構(gòu)機掘進過程中L_i是不變的常量，通過對B、C、D三點的三維坐標測量來計算出A點的三維坐標。同理，B、C、D、E四點也構(gòu)成一個四面體，相應(yīng)地求得E點的三維坐標。由A、E兩點的三維坐標就能計算出盾構(gòu)機刀盤中心的水平偏航，垂直偏航，由B、C、D三點的三維坐標就能確定盾構(gòu)機的仰俯角和滾動角，從而達到檢測盾構(gòu)機姿態(tài)的目的。

3.3.2通過AutoCAD作圖求解盾構(gòu)姿態(tài)

通過幾何解算盾構(gòu)姿態(tài)方法的缺點是在內(nèi)業(yè)計算時，如果用人工手算，其工作量相當(dāng)大，而且難免出錯，因此我們在進行解算時，是利用AutoCAD進行作圖求解，相對于用幾何方法解算，速度要快很多。其操作過程如下：

首先是把隧道中心線（三維坐標）通過建立CAD腳本文件輸入CAD中，這個工作一個工地只要做一次。然后是把所測參考點1、10、21的坐標（三維）輸入到CAD里面。分別以1、10、21為球心，以1、10、21到前點的距離為半徑畫球，求三個球的交集。用鼠標左鍵點擊交集后的體，就可以找到兩個端點，這兩個端點到1、10、21的距離就分別等于1、10、21到前點的距離。然后根據(jù)盾構(gòu)掘進的方向，舍去其中一個點。同樣方法把后點在CAD里畫出來。由于后點通過求交集的方法求出的兩個端點距離很近，通過盾構(gòu)機的掘進方向很南判斷，于是通過前點到后點的距離是3.9491米來判斷。畫出前后點的位置后，通過前后點向隧道中線做垂線，通過測量垂線在水平和垂直方向上偏離值來求解盾構(gòu)機前后點的姿態(tài)。盾構(gòu)機的坡度=（為盾體前后參考點連線長度）。根據(jù)測量平差理論可知，實際測量時，需要觀測至少4個點位以上，觀測的參考點越多，多余觀測就越多，因此計算的精度就越高。比較VMT導(dǎo)向系統(tǒng)測得的盾構(gòu)姿態(tài)值和人工檢測的盾構(gòu)姿態(tài)值，其精度基本上能達到±5mm之內(nèi)。

圖11盾構(gòu)姿態(tài)CAD計算示意圖

4.管環(huán)檢測

4.1管環(huán)測量概述

由于在盾構(gòu)掘進過程中，剛拼裝的管環(huán)還沒有來得及注入雙液漿加固，因此還不穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生管環(huán)位移現(xiàn)象。有時位移量很大，特別是上浮，位移量大常常引起管環(huán)限界超限。因為地鐵施工中規(guī)定，拼裝好的管環(huán)允許最大限界值是±10㎝。為了防止管環(huán)的侵限，我們首先是提高控制測量的精度外，其次是提高導(dǎo)線系統(tǒng)的精度，最后就是通過每天的管環(huán)測量，實測出管環(huán)的位移趨勢，采取措施盡量減小位移量。當(dāng)然，管環(huán)測量還起到復(fù)核導(dǎo)向系統(tǒng)的作用。

4.2管環(huán)測量方法

根據(jù)管環(huán)的內(nèi)徑是2.7米, 采用鋁合金制作一鋁合金尺,鋁合金尺長3.8米（可根據(jù)實際情況調(diào)整長度）。在鋁合金尺正中央，貼上一個反射貼片。根據(jù)管環(huán)、鋁合金尺、反射貼片的尺寸，就可以計算出實際上的管環(huán)中心與鋁合金尺上反射貼片中心的高差。測量時，首先用水平尺把鋁合金尺精確整平，然后用全站儀測量出鋁合金尺上反射貼片中心的三維坐標，就可以推算出實際的管環(huán)中心的三維坐標。每次管環(huán)測量時，應(yīng)重疊5環(huán)已經(jīng)穩(wěn)定了的管環(huán)，這樣就可以消除測錯的可能。

圖12.管環(huán)測量示意圖

圖13管環(huán)中心標高推算示意圖

4.3管環(huán)姿態(tài)計算

管環(huán)測量時，把管環(huán)檢測外業(yè)數(shù)據(jù)直接存儲在全站儀的內(nèi)存里。回到辦公室后，通過徠卡測量辦公室軟件(Leica Survey –Office),將全站儀里面的管環(huán)測量外業(yè)數(shù)據(jù)下載，然后將其復(fù)制到EXCLE表格中編輯成CAD認識的三維坐標，然后將三維坐標數(shù)據(jù)復(fù)制到記事本程序里面保存，文件的后綴名必須是.SCR，如“管環(huán)檢測外業(yè)數(shù)據(jù).SCR”。這樣就把管環(huán)檢測的外業(yè)數(shù)據(jù)編輯成了CAD的畫點腳本文件。通過CAD的腳本功能，就很方便快節(jié)地在CAD里面把點畫出來。

打開AutoCAD，在模型狀態(tài)下（一定要關(guān)閉“對象捕捉”命令），打開菜單欄的“工具（T）”選項，在下拉子菜單中選擇“運行腳本（R…）”，或者在命令行中輸入“.SCR”，兩種方式都是運行腳本，AutoCAD便查找腳本文件。操作者找到要調(diào)用的腳本文件“管環(huán)檢測外業(yè)數(shù)據(jù).SCR” 后，直接打開它。AutoCAD 便自動把點畫出來了。如下圖14。

圖14 管環(huán)姿態(tài)計算示意圖

點位畫出來后，就可以在CAD里通過查詢命令直接量出管環(huán)的水平和垂直姿態(tài)了。通過以上管環(huán)的測量和計算方法，解決了管環(huán)檢測數(shù)據(jù)量大，計算難，測量時間長的問題。大大提高管環(huán)檢測的效率和準確度。

5. 結(jié)束語

由于盾構(gòu)機的VMT導(dǎo)向系統(tǒng)必須有控制測量的支持才能運作，所以控制測量還是盾構(gòu)隧道測量的基礎(chǔ)。為了保證隧道的順利貫通，我們首先要做好控制測量，然后就是保證導(dǎo)向系統(tǒng)的正常運行，定期對盾構(gòu)姿態(tài)進行人工檢測，保證導(dǎo)向系統(tǒng)的正確可靠。加強管環(huán)姿態(tài)檢測，及時發(fā)現(xiàn)管環(huán)的位移趨勢，防止管環(huán)安裝侵限。加強管環(huán)姿態(tài)的檢測同時也是對導(dǎo)向系統(tǒng)的復(fù)核。由于筆者才疏學(xué)淺，文中難免有不周全之處，懇請各位提出批評與建議。

【參考文獻】

TBM制導(dǎo)系統(tǒng)SLS-T用戶操作手冊 @2003 VMT Gmbh

地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范首都規(guī)劃建設(shè)委員會辦公室 中國計劃出版社 2000年版

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