维普资讯 http://www.cqvip.com 第２６卷增刊２ ２００６年ｌ２月 隧道建设 Ｔｕｎｎｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ２６（Ｓｕｐ．２）：１９—２２ Ｄｅｃ．，２００６ 盾构机姿态控制点测量模型及其应用 李国华 （广州市盾建地下工程有限公司，广州５１００３０） 摘要：盾构机姿态控制点是盾构机导向系统的重要组成部分，是计算盾构机初始参数和检测盾构机实时姿态的依据。盾构机姿态 控制点测量首先要建立测量模型，即采用导线测量和三角高程测量方法，通过对盾构机刀头和中体圆柱体外直径精密测量，拟合计 算出盾构机刀头和中体中心三维坐标，建立盾构机坐标系统，解算姿态控制点在盾构机坐标系统内的三维坐标，进而由姿态控制点 计算盾构机的姿态。通过在广州地铁三号线［市桥站一番禺广场］盾构区间对德国海瑞克盾构机的测量实验，此模型能求解盾构机 姿态控制点，并可以检测盾体的形变。 关键词：盾构机；姿态控制点；测量模型；导线测量；三角高程测量；坐标系统 中图分类号：Ｕ４５５．１ ３ 文献标识码：Ｂ Ｓｕｒｖｅｙ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ａｔｔｉｔｕｄｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ Ｓｈｉｅｌｄ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ ｉｓｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＬＩ Ｇｕｏ—ｈｕａ （Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ＤｕｎＪｉａｎ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．－Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １００３０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｍａ－ ｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ ａｒｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａ１．ｔｉｍｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅｓ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｅｒｆｏｒｍ ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅｓ，ｓｕｒｖｅｙ ｍｏｄｅｌｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ－ｉ．ｅ．，ｔｈｅ ３Ｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｅｒ ｈｅａｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｄ－ｓｈｉｅｌｄ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ａｃｃｕｒａｔｅ ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｅｒ ｈｅａｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｄ－ｓｈｉｅｌｄ ｂｙ ｔｒａｖｅｒｓｅ ｓｕｒ－ ｖｅｙ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｉｒｇｏｎｏｍｅｔｉｒｃ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ－ａｆｔｅｒ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ３ Ｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ， ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．‘Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｖｅｙ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｒｖｅｙ ｔｅｓｔｓ ｏｎ ａ ｓｈｉｅｌｄ ｍａ— ｃｈｉｎｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ ｂｙ Ｈｅｒｒｅｎｋｎｅｃｈｔ Ａ．Ｇ．ｆｏｒ Ｓｈｉ－Ｐａｎ ｒｕｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｏｎ ｌｉｎｅ ３ ｏｆ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｍｅｔｒｏ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ ｔｈａｔ， ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｖｅｙ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅｓ ｃａｌｌ ｂｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄｓ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ；ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔ；ｓｕｒｖｅｙ ｍｏｄｅｌ；ｔｒａｖｅｒｓｅ ｓｕｒｖｅｙ；ｔｉｒｇｏｎｏｍｅｔｉｒｃ ｌｅｖｅｌｉｎｇ；ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｒｓｔｅｍ ｌ 概述 设计偏差、解算盾体坐标系统和姿态控制点坐标。 １．１盾构机姿态控制点・ ②盾构机始发前，此过程主要是通过对姿态控制 由盾构机生产厂商或导向系统制造商布设在盾构 点和导向系统标靶精密测量，确定标靶的在盾构机坐 机中体上的一系列测量点，它们与盾构机坐标系统有 标系统中的位置参数，计算盾构机的其他初始姿态 固定的几何关系，求解出这种几何关系，就可以容易的 参数。 确定盾构机的姿态。姿态控制点一般数量在３Ｏ左右， ③在隧道掘进过程中，此过程主要是通过姿态控 不均匀分布在中体圆横截面上，圆上部数量较多，要求 制点测量，检测盾构机导向系统实时显示的姿态参数 测量时通视条件好，不易破坏，便于安置测量棱镜。 是否正确，判定导向系统标靶安装是否稳固，运行是否 １．２一般在四种情况下需要用到姿态控制点 灵敏，标靶是否需要对进行校正。 ①出厂调试期间，此过程主要为了确定盾体外径 ④盾构机从隧道吊出后维修期间，此过程主要对 收稿日期：２００６—１０—３１；修回日期：２００６一ｌ１—２８ 作者简介：李国华，毕业于武汉大学测绘工程专业，助理工程师，现从事盾构测量工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 睫遭建峨 ２００６年１２月第２６卷 盾体外径重新测量，确定盾体是否发生形变，外直径形 变偏差，形变后的盾构机坐标系统和姿态控制点坐标， 为下次始发掘进提供精确测量数据。 ２．３盾构机刀头和中体测点布设 在盾构机刀头和中体外圆周同一横截面上分别均 匀选取随机测点，测点通过盾构机外直径大圆，且大致 对称选取，并在盾壳外做好标记，测点要尽量表在刀头 或中体的同一横截面圆周上，如图３所示，１０１—２２０ 为测点。 盾构机姿态控制点是盾体姿态测量的基础，因此， 建立一种科学有效的姿态控制点测量模型非常重要。 ２ 盾构机姿态控制点测量模型建立 ２．１设定盾构机坐标系统 盾构机姿态控制点是建立在盾构机坐标系统下 的，盾构机坐标系统的设定：（如图１）盾构机坐标系统 原点位于刀头中心， 、Ｙ、ｚ三轴垂直正交， 轴与 盾构机圆柱体中心轴重合，以盾构机掘进方向为正方 向；ｌ，、ｚ轴相互正交于刀头横截面，ｌ，轴以盾构机掘 进方向右方为正方向，ｚ轴以垂直向上为正方向。 盾构机坐标系统原点为刀头平面圆心、▲ ｚ 图３盾体外圆周测点布设圈 Ｆｉｇ．３ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｕｒｖｅｙ ｐｏｉｎｔｓ ｏｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ０ｆ ｓｈｉｅｌｄ ｂｏｄｙ 一＿一。 ２．４盾构机姿态控制点布设 姿态控制点由盾构机厂商设置在中体上，如图４所 示：１—３２号为姿态控制点，姿态控制点不能布设在中 体同一横截面上。 图４盾构机姿态控制点布设图 Ｆｉｇ．４ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ ２．５点位测量 根据施工现场情况和实际需要，选择控制点上 设站，每测站观测精度相同，尽量选择通视条件良好 的控制点设站，测量刀头外圈和中体外圈测点和姿 态控制点，外业测量时要注意准确放置反射棱镜，可 以直接测量点位三维坐标，取盘左盘右坐标均值作 为点位成果，也可以取点位的盘左盘右水平方位角、 距离、垂直角，通过三角函数解算的三维坐标作为点 位成果。 ２．６数据的处理和成果取定 ４ｏｏ０ （１）闭合导线和高程处理和成果选取 闭合导线和三角高程采用平差软件平差，取控制 围２ 盾体测量导线线路图 Ｆｉｇ．２ Ｔｒａｖｅｒｓｅ ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｂｏｄｙ 点平面和高程的平差值作为测量成果。 维普资讯 http://www.cqvip.com 增刊２ 李国华 盾构机姿态控制点测量模型及其应用 （２）盾构机刀头或中体中心三维坐标解算处理 ３．１ 刀头中心坐标解算和测点精度检查 由１０１—１０９刀头测点，ｙ坐标经过坐标转换，ｚ 坐标不变 点号 １０１ 由于控制点坐标系统与盾构机坐标系统是相互独 立的，盾构机刀头或中体测点三维坐标数据需要转换 到同一坐标系统下才能解算，控制点和盾构机坐标系 统中垂直方向两者方向相同，即Ｚ轴方向一致，而水 平方向两个坐标系统存在旋转，此时需要在刀头和中 ｙ ４９９４．７０４ ８ ｚ ４９９９．１５０ ５ １０２ １０３ １０４ １０５ ４９９４．３４０ ２ ４ ９９４．０１４０ ４９９３．７３５ ９ ４９９３．５６２４ ４９９９．４８９ ５ ４９９９．９０８ １ ５ ０００．４３３ １ ５ｏｏ０．９７９２ 体上选各一点，一个作为参考原点，两点连线确定一个 零方向，刀头或中体上测点和姿态控制点分别转换到 各自横截面所在的平面内，在同一坐标系统下，任意取 通过刀头或中体横截面外直径大圆的三点，拟合出刀 头或中体中心的三维坐标，由于各测点为同精度观测 值，可取刀头或中体中心的三维坐标的均值作为计算 成果。 （３）根据２．６．２刀头和中体中心三维坐标解算姿 态控制点相对盾构机坐标系统的坐标。 则可以拟合出刀头中心坐标为： 刀头中心 １９９ ｙ ４９９６．７２４ ８ Ｚ ５ ００１．６８１ ８ 测点精度检查（见表２）。 袭２ 测点１０１～１０５精度检查表 Ｔａｂｌｅ ２ Ａｃｃｕｒａｃｙ ａｔ １０１—１０５ ｓｕｒｖｅｙ ｐｏｉｎｔｓ ３ 盾构机姿态控制点测量模型实例应用 ２００３年８月在广州地铁三号线［市桥站一番禺广 场］盾构区间，选择德国海瑞克Ｔ１１３号盾构机在工厂 调试期问作为试验对象，采用假定闭合导线和三角高 程测量方法，利用测量模型可以测得导线控制点、刀 ３．２ 中体中心坐标解算和测点精度检查 由２０１—２２０测点，ｙ坐标经过坐标转换，ｚ坐标 不变 表１ 实例测量数据 Ｔａｂｌｅ １ Ｓｕｒｖｅｙ ｄａｔａ 头测点、中体测点和盾构机姿态控制点三维坐标如 表１。 点号 ２０ｌ Ｙ ４９９４．６２０４ Ｚ ４９９９．１９０ ７ ２０２ ２０３ ４９９４．３６０４ ４９９４，０７２ ６ ４９９９．４４ｌ ６ ４９９９．７９９ ８ ２０４ ２０５ ４９９３．８６３ ３ ４ ９９３．７０３８ ５ ００ｏ．１４００ ５ ００ｏ．钙ｌ Ｏ 则可以拟合出中体中心坐标为： 中体中心 ２９９ Ｙ ４９９６．７２２ ２ Ｚ ５ ０ｏ１．６５４ ２ 测点精度检查（见表３）。 表３ 测点２０１—２０５精度检查表 Ｔａｂｌｅ ３ Ａｃｃｕｒａｃｙ ａｔ ２０１—２０５ ｆｌ，Ｕｒｖ￣ｙ ｐｏｉｎｔｓ ３．３ 由刀头中心和中体中心坐标计算出姿态控制点 坐标（见表４） ４ 由姿态控制点坐标计算盾构机姿态 注：１０００，２０００，３０００，４０００导线控制点，１～３２为姿态控制点。１０１—１１９ 在施工坐标系统下测量盾构机姿态点的坐标，计 算盾构相对隧道设计轴线的偏差，至少测量３个以上 为刀头测点，２０１～２２０为中体测点，由于数据较多，此处选部分数据作 为示例。 姿态控制点。 维普资讯 http://www.cqvip.com 隧蛙建镬 ２００６年ｌ２月第２６卷 表４ 姿态控制点坐标 ４．２隧道中心线设计数据 Ｔａｂｌｅ ４ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｏｆ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ 里程 Ｙ Ｘ Ｚ ２４ ７５０．１５ ４７ ４６５．８２９ ９ ５２４．４２２ 一５．９３８ ２４７５１．１５ ４７４６５．７８０ ９ ５２３．４２３ —５．９４４ ２４ ７５２．１５ ４７ ４６５．７３０ ９ ５２２．４２４ —５．９５０ ２４ ７５３．１５ ４７ ４６５．６８ｌ ９ ５２１．４２５ —５．９５７ ２４ ７５４．１５ ４７４６５．６３ｌ ９ ５２０．４２７ —５．９６４ ２４ ７５５．１５ ４７４６５．５８２ ９ ５１９．４２８ —５．９７ｌ ２４ ７５６．１５ ４７４６５．５３２ ９ ５１８．４２９ 一５．９７９ ２４ ７５７．１５ ４７ ４６５．４８２ ９ ５１７．４３０ —５．９８７ ４２ ７５８．１５ ４７４６５．４３３ ９ ５ｌ６．４３２ —５．９９５ ２４ ７５９．１５ ４７４６５．３８３ ９ ５１５．４３３ —６．ｏｏ３ ２４ ７６０．１５ ４７４６５．３３４ ９ ５１４．４３４ —６．０ｌ２ ２４ ７６１．１５ ４７４６５．２８４ ９ ５ｌ３．４３５ —６．０２ｌ ４．３计算盾构机姿态参数 刀头中心实测里程：＋２４ ７６０．５８１ 刀头中心实测水平偏差：＋０．０２０ｍ 刀头中心实测垂直偏差：＋０．１２１ ｍ 中体中心实测里程：＋２４ ７５６．７２１ 中体中心实测水平偏差：一０．０００ ｍ 中体中心实测垂直偏差：＋０．０６２ ｍ 盾体俯仰角：＋７．０ｍｍ／ｍ 盾体滚动角：＋８．５ ｍｍ／ｍ 参考文献 ４．１ 施工坐标系下测量姿态控制点坐标 德国ＶＭＴ公司．ＴＢＭ制导系统ＳＬＳ—Ｔ用户操作手册 点号 ｙ Ｚ ［Ｚ］，２００３． ５ ４ ７４６７．４２７ ５ ９５１７．６２６０ 一４．１７８ ２０ ４ ７４６４．４８９ ５ ９ ５ｌ８．２４３ ０ 武汉测绘科技大学《测量学》编写组．测量学（第三版） —４．２４９ ● ｌ４ ４ ７４６３．５７６０ ９ ５ｌ７．７ｌ４Ｏ —４．３９７ ［Ｍ］．北京：测绘出版社，１９９５：１７５，２５１． ｌ７ ４ ７４６３．６４２ ５ ９ ５ｌ７．８６５ ５ —４．６６８ 孔祥元，梅是义．控制测量学［Ｍ］．武汉：武汉测绘科技 １９ ４ ７４６３．８１７ ５ ９ ５１８．３２４Ｏ —４．５７２ 大学出版社，１９９６：２４． （上接ｌ３页） 表１ 施工实例 Ｔａｂｌｅ １ Ｂｏｕｌｄｅｒ ｃｏｐｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｐｍｊｅｃｔ ｅａｓｅｓ ７ 结束语 就盾构掘进中遇到的孤石难题，通过岩土受力分 参考文献 析得出了盾构机直接破碎孤石的条件，结果表明孤石 直径埋深越大，岩石强度与周边土体强度相差越小，孤 竺维彬，鞠世健．复合地层中的盾构施工技术［Ｍ］．北京： 石越容易被破除。参照工程实例，提出了不能被盾构 中国科学技术出版社，２００６． 章家骐．土力学与地基基础［Ｍ］．广州：广东高等教育出 直接破碎孤石的预处理方法，这对降低工程风险和指 版社，１９９１． 导工程施工很有益处。