1、概述

    隨著城市建設的飛速發(fā)展,我國在各大城市都開展了地鐵建設,為了滿足盾構掘進按設計要求貫通(貫通誤差橫向必須小于±50mm，縱向必須小于±25mm),必須研究每一步測量工作所帶來的誤差,包括地面控制測量,豎井聯(lián)系測量,地下導線測量,盾構機姿態(tài)定位測量四個階段。

    本文主要以廣州地鐵六號線【大坦沙-如意坊】區(qū)間段隧道的貫通測量項目為背景,探討了地鐵隧道施工中盾構機自動導向系統(tǒng)定位測量的功能及原理,并闡述了如何用棱鏡測固定點法來檢核自動導向系統(tǒng)的準確性。

2、盾構機自動導向系統(tǒng)的組成與功能

現(xiàn)在的盾構機都裝備有先進的自動導向系統(tǒng),本區(qū)間盾構機上的自動導向系統(tǒng)為德國VMT公司的SLS-T系統(tǒng),主要有以下四部分組成：

u TCA-具有自動照準目標的全站儀。主要用于測量(水平和垂直的)角度和距離、發(fā)射激光束。

u ALTU(活動激光目標單元)亦稱為標板或激光靶板。這是一臺智能型傳感器,ALTU接受全站儀發(fā)出的激光束，測定水平方向和垂直方向的入射點。坡度和旋轉也由該系統(tǒng)內的傾斜儀測量，激光靶偏航角由ALTU上激光器的入射角確認。ALTU固定在盾構機的機身內，在安裝時其位置就確定了，它相對于盾構機軸線的關系和參數就可以知道。

u 計算機及隧道掘進軟件。SLS-T軟件是自動導向系統(tǒng)的核心,它從全站儀和ALTU等通信設備接受數據,盾構機的位置在該軟件中計算,并以數字和圖形的形式顯示在計算機的屏幕上,操作系統(tǒng)采用Windows XP，確保用戶操作簡便。

u 黃盒子。它主要給全站儀供電,保證計算機和全站儀之間的通信和數據傳輸。

3、盾構機自動導向定位的基本原理

地鐵隧道貫通測量中的地下控制導線是一條支導線,它指示著盾構的推進方向,導線點隨著盾構機的推進延伸,導線點通常建立在管片的側面儀器臺上和右上側內外架式的吊籃上,儀器采用強制歸心(見圖1) 

為了提高地下導線點的精度,應盡量減少支導線點,拉長兩導線點的距離(但又不能無限制的拉長),并盡可能布設近乎直伸的導線。一般兩導線點的間距宜控制在150m左右。

    盾構機自動導向系統(tǒng)的姿態(tài)定位主要是依據地下控制導線點來精確確定盾構機掘進的方向和位置。在掘進中盾構機的自動導向系統(tǒng)是如何定位的呢?它主要是根據地下控制導線上一個點的坐標(即X、Y、Z)來確定的,這個點就是帶有激光器的全站儀的位置,然后全站儀將依照作為后視方向的另一個地下導線的控制點來定向,這樣就確定了北方向,即方位角。再利用全站儀自動測出的測站與ALTU上小棱鏡之間的距離和方位角,就可以知道ELS棱鏡的平面坐標(即X、Y),利用三角高程測出ALTU棱鏡的高程值(即Z)。激光束射向ALTU，ALTU就可以測定激光相對于ALTU平面的偏角。在ALTU入射點之間測得的折射角及入射角用于測定盾構機相對于隧道設計軸線(DTA)的偏角。坡度和旋轉直接用安裝在ALTU內的傾斜儀測量。這個數據大約每秒鐘兩次傳輸至控制用的計算機。通過全站儀測出的與ALTU之間的距離可以提供沿著DTA掘進的盾構機的里程長度。所有測得的數據由通信電纜或者無線傳輸至計算機,通過軟件組合起來用于計算盾構機軸線上前后兩個參考點的精確的空間位置,并與隧道設計軸線(DTA)比較,得出的偏差值顯示在屏幕上,這就是盾構機的姿態(tài),在推進時只要控制好姿態(tài),盾構機就能精確地沿著隧道設計軸線掘進,保證隧道能順利準確的貫通。

4、盾構機姿態(tài)位置的檢測和計算

在隧道推進的過程中,必須獨立于SLS-T系統(tǒng)定期對盾構機的姿態(tài)和位置進行檢查。間隔時間取決于隧道的具體情況,在有嚴重的光折射效應的隧道中,每次檢查之間的間隔時間應該比較短。這主要是由于空氣溫度差別很大的效應。論述折射及其效應的題目有大量的文獻資料,此處不再詳述。在隧道測量時必須始終考慮這一效應。低估這個問題可能會引起嚴重的困難,尤其在長隧道中。我們采用棱鏡法來對盾構機的姿態(tài)進行檢查。在盾構機內有17個參考點也稱為固定點見圖1,可以看到固定點12、14 

這些點在盾構機構建之前就已經定好位了,它們相對于盾構機的軸線有一定的參數關系(見表1)

表1  TBM Coordinates Reference point on TBM S372/T240

即它們與盾構機的軸線構成局部坐標系(見圖2)。

圖2

在進行測量時,只要將特制的適配螺栓旋到M8螺母內,再裝上棱鏡。現(xiàn)在這些參考點的測量可以達到毫米的精度。已知的坐標和測得的坐標經過三維轉換,與設計坐標比較,就可以計算出盾構機的姿態(tài)和位置參數等。下面來說明如何用棱鏡法來計算盾構機的姿態(tài)和位置。

    我們利用洞內陸下導線控制點,只要測出17個參考點中的任意三個點(最好取左、中、右三個點)的實際三維坐標,就可以計算盾構機的姿態(tài)。對于以盾構機軸線為坐標系的局部坐標來說,無論盾構機如何旋轉和傾斜,這些參考點與盾構機的盾首中心和盾尾中心的空間距離是不會變的,他們始終保持一定的值,這些值我們可以從它的局部坐標計算出來。

假設我們已經測出左,中,右(8,11,16號)三個參考點的實際三維坐標,分別為(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2),(X3,Y3,Z3),并設未知量為前點中心的實際三維坐標(X前,Y前,Z前)和后點中心的實際三維坐標(X后,Y后,Z后),在以盾構機軸線構成局部坐標系中,前點中心為坐標原點,坐標為(0,0,0),后點中心坐標為(-4.078,0,0)。從表1中也可以看出各參考點在局部坐標系的坐標值。我們測出某一里程盾構機上三個參數點(8,11,16)的實際三維坐標分別為：

從以上數據可以得知,在與對應里程上前點中心和后點中心設計的三維坐標比較后,就可以得出盾構機軸線與設計軸線的左右偏差值和上下偏差值,以及盾構機的坡度,這就是盾構機的姿態(tài)。

通過測量垂線在水平和垂直方向上偏離值來求解盾構機前后點的姿態(tài)。盾構機的坡度= (L為盾體前后參考點連線長度）。根據測量平差理論可知，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導向系統(tǒng)測得的盾構姿態(tài)值和人工檢測的盾構姿態(tài)值，其精度基本上能達到±10mm之內。

5、結束語

    在廣州地鐵六號線中，【大坦沙~如意坊】盾構區(qū)間隧道分為左右線兩條互相平行的線路,即往返兩條隧道。在這兩個區(qū)間段的實際應用中,曾多次采用棱鏡法檢核盾構機姿態(tài),兩者的偏差值較差均不大于10mm,證明了該方法在檢核自動導向系統(tǒng)的正確性是可靠有效的。

在貫通誤差測量中，由于采用了以上一系列的方法和措施,以及先進的自動導向系統(tǒng)指導掘進,右線于2008年10月準確貫通,經檢測,平面貫通誤差為17mm,高程貫通誤差為7mm;左線于11月準確貫通,平面貫通誤差為12mm,高程貫通誤差為9mm,均能很好的滿足貫通誤差橫向不大于50mm，縱向不大于25mm的要求。