專利名稱：一種隧道盾構(gòu)姿態(tài)測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工程測量技術(shù)，特別適用于隧道中盾構(gòu)前進姿態(tài)的工程 測量的方法，是一種隧道盾構(gòu)姿態(tài)測量方法。
背景技術(shù)：
盾構(gòu)姿態(tài)測量包括人工姿態(tài)測量和自動姿態(tài)測量，人工姿態(tài)測量是通過 人工儀器測量安裝在盾構(gòu)機上的固定標尺來推算盾構(gòu)機的頭、尾偏差，自動 姿態(tài)測量是一種集測量、儀器儀表和計算機軟、硬件技術(shù)與一體，具有對盾 構(gòu)姿態(tài)進行動態(tài)測量功能的系統(tǒng)，目前國內(nèi)主要是日本的演算工房開發(fā)的
R0B0TEC自動測量系統(tǒng)和德國開發(fā)的VMT自動測量系統(tǒng)，但由于自動測量系 統(tǒng)容易出問題，且不易修復會影響工程進度，所以現(xiàn)在國內(nèi)盾構(gòu)機上大多安 裝了人工測量系統(tǒng)。
盾構(gòu)姿態(tài)測量是描述盾構(gòu)機位置與隧道設(shè)計軸線相對關(guān)系的參數(shù)。主要 包括盾構(gòu)機頭部高程偏差、盾構(gòu)機頭部水平偏差、盾構(gòu)機尾部高程偏差、盾 構(gòu)機尾部水平偏差四個數(shù)值。盾構(gòu)姿態(tài)伴隨著隧道推進的全過程，是整個隧 道測量中非常重要的一個環(huán)節(jié)。盾構(gòu)姿態(tài)的準確與否，直接影響到整個隧道 工程的質(zhì)量及隧道的最后貫通。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種隧道盾構(gòu)姿態(tài)測量方法，在保證測量精度的 前提下，簡化測量過程，極大的節(jié)約了工程成本。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種隧道盾構(gòu)姿態(tài)測量方法，其包括 以下步驟
步驟一，在拼裝好的管片上前后設(shè)置二個儀器平臺，在前儀器平臺上放 置一經(jīng)緯儀，在后儀器平臺上放置一棱鏡；在盾構(gòu)機內(nèi)設(shè)置一前尺和一后尺； 步驟二，根據(jù)盾構(gòu)機頭、尾部的設(shè)計坐標以及前、后尺與盾構(gòu)機的相對
4位置來推算出前、后尺的設(shè)計坐標，并計算出棱鏡 經(jīng)緯儀 前尺和棱鏡
經(jīng)煒儀 后尺的設(shè)計夾角a tt、 a后；
步驟三，用經(jīng)緯儀分別測量出棱鏡 經(jīng)緯儀 前尺和棱鏡 經(jīng)緯儀 后
尺的夾角e w、 e后；
步驟四，根據(jù)前、后尺的設(shè)計坐標與經(jīng)緯儀的坐標計算出前后尺分別到 經(jīng)緯儀的距離S^、 S后；
步驟五，計算前、后尺的平面偏差；
步驟六，根據(jù)前、后尺的平面偏差計算出盾構(gòu)機頭、尾部在水平方向上 的平面偏差。
優(yōu)選地，所述步驟五中前后尺平面偏差的計算公式為 fJK_，SKi^=t￡Ln (arctan (Y前尺!/S前)前一 a前)* S前？ 后尺平面偏差4an(arctan (Y后^/S后)后-a后)* S后； 其中Y前^為前尺中心到盾構(gòu)水平中心的垂直距離；
Yg^為后尺中心到盾構(gòu)水平中心的垂直距離，若偏左為負值，若 偏右取正值。
優(yōu)選地，盾構(gòu)機轉(zhuǎn)過一 Y角后，前、后尺的平面偏差計算公式為
fTK，ffi^^二tan(arctan (Y前尺^S前)前一a前)氺S前—tan Y氺H前尺i ; 后尺平面ii差二tan(arctan (Y后尺i/S后)后一 a后)* S后一tan Y氺H后尺i ; 其中H前^為前尺中心到盾構(gòu)垂直中心的垂直距離； H后^為后尺中心到盾構(gòu)垂直中心的垂直距離。
優(yōu)選地，所述步驟六中盾構(gòu)機頭部和尾部的平面偏差計算公式為 盾首平面偏差=前尺偏差-(后尺偏差-前尺偏差)* X前尺y(S后-S前);
盾尾平面偏差=后尺偏差-(前尺偏差-后尺偏差)*(L- XgK1)/ (S后- S
前h
其中L為盾構(gòu)機長度；
X前^為前尺到盾首的距離；
X后^為后尺到盾尾的距離。 優(yōu)選地，步驟七，測量前、后尺的垂直角S ^、 S s，計算前、后尺的 高程；
步驟八，根據(jù)前、后尺的高程計算出盾構(gòu)機頭部和尾部的高程以及高程優(yōu)選地，所述步驟七中計算前、后尺的高程的計算公式為
前尺高程=H站+tan(90'-S前)* S前-cosy* H前尺" 后尺高程=H站+tan(90'-5后)* S后-cosy* H后尺,； 其中H ^為經(jīng)緯儀90度時的視線高程。
優(yōu)選地，所述步驟八中計算盾構(gòu)機頭部和尾部的高程以及調(diào)和偏差的公
式為
盾首高程=前尺高程-(后尺高程-前尺高程)* X前^/(Sf S前)；
盾尾高程=后尺偏差-(前尺偏差-后尺偏差)*(L- XSR1)/ (Sf S前)；
盾首高程偏差=盾首實際高程一盾首設(shè)計高程；
盾尾高程偏差=盾尾實際高程一盾尾設(shè)計高程。
本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點 和優(yōu)良效果
本發(fā)明在保證測量精度和穩(wěn)定性的前提下，簡化測量過程，極大的節(jié)約 了工程成本。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部 分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的 不當限定。
在附圖中
圖1是本發(fā)明所測隧道盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的標尺的示意圖。
圖3是圖1的A-A剖面圖。
圖4是本發(fā)明的盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明的棱鏡的示意圖。
圖6是坐標系示意圖。
圖7是設(shè)計夾角的示意圖。
圖8是盾構(gòu)機角度轉(zhuǎn)動示意圖。圖9是管片的后視圖。
附圖標號前儀器平臺前尺前儀器操作臺后儀器平臺 [6]后尺后儀器操作臺棱鏡 [7]盾構(gòu)機 [71]盾構(gòu)機頭部經(jīng)緯儀管片盾構(gòu)機尾部
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖1-9來具體介紹本發(fā)明的方法一種較佳實施例。 如圖1、 9所示，在盾構(gòu)機7后部拼裝好的管片8上一前一后且與管片8 頂部間隔30 35cm設(shè)置前儀器平臺1和后儀器平臺2，在前儀器平臺1下部 間隔40cm左右設(shè)置前儀器操作臺9，在前儀器平臺1上間隔設(shè)置經(jīng)緯儀4; 在后儀器平臺2下部間隔40cm左右設(shè)置后儀器操作臺10，在后儀器平臺2 上設(shè)置棱鏡3，棱鏡3的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。測量人員站立在儀器操作 臺9、 10上，操作經(jīng)諱儀4或棱鏡3進行測量。如圖3、圖4所示，在盾構(gòu) 機頭部71與盾構(gòu)機尾部72之間的上部的同一徑向線上一前一后設(shè)置前尺5 和后尺6，經(jīng)緯儀4到前尺5距離控制在20m 100m，經(jīng)緯儀到前后尺的角度 以看得見為準；經(jīng)諱儀4與后視棱鏡3的距離越長越好，以看得清楚為準； 前尺5低于后尺6，便于經(jīng)緯儀4的觀測。前尺5和后尺6的示意圖如圖2 所示。由于盾構(gòu)機頭部71及盾構(gòu)機尾部72的坐標測量十分不便，所以通過 測量出前尺5和后尺6的偏差來推算出盾構(gòu)機的位置偏差。所采用的方法是 將實際測得的前尺5和后尺6角度與前尺5和后尺6設(shè)計角度相比較的方法 來計算前后尺相對設(shè)計軸線的偏差。
使用本發(fā)明的方法測量一盾構(gòu)姿態(tài)，已知其盾首設(shè)計高程=-9. 1192m， 盾尾設(shè)計高程=-8. 9672m，將前、后尺安裝在盾構(gòu)平面中心。在隧道測量中我 們都使用固定觀測墩3作為安裝儀器的平臺，而在隧道內(nèi)使用鐵質(zhì)固定架代 替后視棱鏡。通過測量安裝在盾構(gòu)機上兩個固定的獨立標尺來推算盾構(gòu)機頭 部71及盾構(gòu)機尾部72的坐標。然后建立一個相對坐標系，以盾構(gòu)中心軸線 為X軸，盾構(gòu)機前部水平方向為Y軸，垂直方向為H軸，3軸交點作為坐標 原點建立一個坐標系，使用(X，Y，H)代表具體坐標，標度對應(yīng)長度單位為mm。坐標系如圖6所示，其中a為盾構(gòu)機頭部71， b為盾構(gòu)機尾部72， o為 盾構(gòu)機中心，設(shè)計夾角a前(后視 測站 前尺)=180° 02' 12" ， a s (后 視 測站 后尺)=180° 02' 13〃 。
掘進完成后，經(jīng)緯儀4作為測站點的坐標(X tt=36450.6738，Y站 =9785. 1114， H站一5. 11)，將棱鏡作為后視點的坐標(X后視=36509. 2428， Y 后視=9755.2812， H后視)，其中H后視在計算過程中不需要。相應(yīng)里程點的前尺坐 標(X前尺f36383. 7529， Y前尺產(chǎn)9819. 1414， H前尺》，H前尺，會由下面計算得出，后 尺坐標(X后尺產(chǎn)36385. 5752， Y后尺產(chǎn)9818. 2146， H后尺》，H后尺,會由下面計算得 出，實際經(jīng)緯儀讀數(shù)e前(后視 測站 前尺)=180° 02' 50〃 ， P后(后視 測站 后尺)=180° 02' 36"，前后尺分別到經(jīng)緯儀的距離S前二75.0763m， S 前=73. 0318m，將上述數(shù)據(jù)分別代入公式(1)和公式(2)有
fLRfffi^^二tan(arctan (Y前尺!/S前)前-a前)* S前二13.8mm;
j^i^，ffi^，二tan(3rct3n (Y后尺！/S后)+3后_ a后)* S后=8. lmm。
這個時候，如果盾構(gòu)機本身具有一個順時針或者逆時針的轉(zhuǎn)動，前后尺 的位置會產(chǎn)生如圖8的變化。我們假設(shè)這個回轉(zhuǎn)角為Y， Y在盾構(gòu)機順時針 轉(zhuǎn)動時為正值，逆時針轉(zhuǎn)動時為負值。盾構(gòu)機旋轉(zhuǎn)角Y=0.2° ， H前尺產(chǎn)2.318m， H后尺「2. 582m，代入下列公式(3)和公式(4)有
前尺平面i^差二tan(arctan (Y前尺t/S前)前—a前)氺S前—tan y求H前尺 i=5. 6mm;
后尺，ffiii^二tan(arctan (Y后尺!/S后)后—a后)氺S后—tan Y氺H后尺 p-O. 9mmc
已知盾構(gòu)機長L=7. 655m， X前尺Fl.817m， X后尺p3. 794m，將以上數(shù)據(jù)代 入公式(5)和公式(6)有
盾首平面偏差二前尺平面偏差-(后尺平面偏差-前尺平面偏差)sx歐y
(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^》/ (S前-S后)二_13. 2mm。
盾構(gòu)機在垂直方向上的偏差也是通過計算前、后尺的高程推算得出的。 由于前、后尺的上邊緣或者下邊緣較之標尺中心來說更容易瞄準，我們一般 瞄準標尺的上邊緣或者下邊緣測量垂直角。測出的前、后尺垂直角分別記為
8S前、5后。根據(jù)H站二-5.11， H前尺產(chǎn)2.318m， H后尺產(chǎn)2.582m， S前=75, 0763m， S
前二73.0318m，經(jīng)緯儀垂直角讀數(shù)S前=91° 15' 41〃 ， S后=91° 03' 38〃代入
公式(7)和公式(8)有
前尺盾構(gòu)中心高程=H站+tan(90。-S前)* S前-cosy* H前尺，=-9. 081m; 后尺盾構(gòu)中心高程=H站+tan(90。-5后)* S后-cosy* H后尺，=-9. 044m。 根據(jù)這兩個數(shù)據(jù)推算出盾構(gòu)機頭部71、尾部72的高程可用以下公式(9)
和公式(10):
盾首實際高程=前尺盾構(gòu)中心高程-(后尺盾構(gòu)中心高程-前尺盾構(gòu)中心高 程)* X前尺i/ (S后—S前)=—9.1139m;
盾尾實際高程=后尺盾構(gòu)中心偏差-(前尺盾構(gòu)中心偏差_后尺盾構(gòu)中心偏 差)*(L- X后尺J/ (S后—S前)=-8.9753m。
依據(jù)盾首設(shè)計高程二-9. U92m，盾尾設(shè)計高程=-8. 9672m，帶入公式(11) 和公式(12)貝U:
盾首高程偏差=盾首實際高程一盾首設(shè)計高程=5. 3mm;
盾尾高程偏差=盾尾實際高程一盾尾設(shè)計高程=-8. lmm。
由于該盾構(gòu)機上配備有日本公司研發(fā)的ROBOTEC自動測量系統(tǒng)，自動測 量系統(tǒng)盾構(gòu)姿態(tài)顯示為盾首平面偏差^mm，盾尾平面偏差:-10mm，盾首高 程偏差=3咖，盾尾高程偏差=-4鵬，經(jīng)過比較，本發(fā)明與R0B0TEC自動測量系 統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)較差均在士5mm以內(nèi)，說明本發(fā)明的測量精度完全達到要求，且 應(yīng)用靈活，大大節(jié)約了成本。
最后應(yīng)當說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其 限制；盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員應(yīng)當理解依然可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者對部分技 術(shù)特征進行等同替換；而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā) 明請求保護的技術(shù)方
權(quán)利要求
1.一種隧道盾構(gòu)姿態(tài)測量方法，其特征在于包括以下步驟步驟一，在拼裝好的管片(8)上前后設(shè)置二個儀器平臺(1、2)，在前儀器平臺(1)上放置一經(jīng)緯儀(4)，在后儀器平臺(2)上放置一棱鏡(3)；在盾構(gòu)機(7)內(nèi)設(shè)置一前尺(5)和一后尺(6)；步驟二，根據(jù)盾構(gòu)機(7)頭、尾部的設(shè)計坐標以及前、后尺(5、6)與盾構(gòu)機(7)的相對位置來推算出前、后尺(5、6)的設(shè)計坐標，并計算出棱鏡(3)～經(jīng)緯儀(4)～前尺(5)和棱鏡(3)～經(jīng)緯儀(4)～后尺(6)的設(shè)計夾角α前、α后；步驟三，用經(jīng)緯儀(4)分別測量出棱鏡(3)～經(jīng)緯儀(4)～前尺(5)和棱鏡(3)～經(jīng)緯儀(4)～后尺(6)的夾角β前、β后；步驟四，根據(jù)前、后尺(5、6)的設(shè)計坐標與經(jīng)緯儀(4)的坐標計算出前后尺(5、6)分別到經(jīng)緯儀(4)的距離S前、S后；步驟五，計算前、后尺(5、6)的平面偏差；步驟六，根據(jù)前、后尺(5、6)的平面偏差計算出盾構(gòu)機(7)頭、尾部在水平方向上的平面偏差。
2. 如權(quán)利要求1所述的隧道盾構(gòu)姿態(tài)測量方法，其特征在于步驟五中先以盾 構(gòu)機頭部為坐標原點建立坐標系，前后尺(5、 6)平面偏差的計算公式為ff/^f ffiii，=tan(arctan (Y前尺乂S前)+3前—a前)* S前 后尺平面偏差二tan(arctan (Y后尺!/S后)后-a后)* S后 其中Y前^為前尺中心到盾構(gòu)水平中心的垂直距離； Y后尺，為后尺中心到盾構(gòu)水平中心的垂直距離。
3. 如權(quán)利要求2所述的隧道盾構(gòu)姿態(tài)測量方法，其特征在于盾構(gòu)機轉(zhuǎn)過一 y角后，前、后尺(5、 6)的平面偏差計算公式為前尺平面^f扁差^tan (arctan (Y前尺！/S前)+ P前_ a前)氺S前一tan y * H前尺i^J^，ffi^^^t6m(m:ctan (Y后尺!/S后)+ P后一 a后)* S后一tan y * H后尺i其中H獻為前尺中心到盾構(gòu)垂直中心的垂直距離；H后尺i為后尺中心到盾構(gòu)垂直中心的垂直距離。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的隧道盾構(gòu)姿態(tài)測量方法,其特征在于所述步驟六 中盾構(gòu)機(7)頭部和尾部的平面偏差計算公式為盾首平面偏差=前尺偏差_ (后尺偏差-前尺偏差)* X抓V (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》/ (S后 _ S前)其中L為盾構(gòu)長度；X前尺i為前尺中心到盾首的垂直距離； X^^為后尺中心到盾首的垂直距離。
5. 如權(quán)利要求4所述的隧道盾構(gòu)姿態(tài)測量方法，其特征在于還包括:步驟七， 測量前、后尺(5、 6)的垂直角S s、 S后，計算前、后尺(5、 6)的高 程；步驟八，根據(jù)前、后尺(5、 6)的高程計算出盾構(gòu)機(7)頭部和尾 部的高程以及高程偏差。
6. 如權(quán)利要求5所述的隧道盾構(gòu)姿態(tài)測量方法，其特征在于所述步驟七中 計算前、后尺(5、 6)的高程的計算公式為Itf/^^禾呈二 H站+tan(90。-5前)* S前_ cosy* H前尺i 后尺高程=H站+tan(90。-S后)* S后-cos y * H后尺， 其中H ^為經(jīng)緯儀90度時的視線高程。
7. 如權(quán)利要求6所述的隧道盾構(gòu)姿態(tài)測量方法，其特征在于所述步驟八中 計算盾構(gòu)機(7)頭部和尾部的高程以及調(diào)和偏差的公式為盾首高程=前尺高程-(后尺高程-前尺高程)* X獻,/ (S后 S前)； 盾尾高程=后尺偏差-(前尺偏差-后尺偏差)*(L- X(S e- S前)； 盾首高程偏差=盾首實際高程一盾首設(shè)計高程； 盾尾高程偏差=盾尾實際高程一盾尾設(shè)計高程。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種隧道盾構(gòu)姿態(tài)測量方法，其包括以下步驟步驟一，分別布設(shè)經(jīng)緯儀、棱鏡以及前、后尺；步驟二，根據(jù)盾構(gòu)機頭、尾部的設(shè)計坐標以及前、后尺與盾構(gòu)機的相對位置來推算出前、后尺的設(shè)計坐標，并計算出棱鏡～經(jīng)緯儀～前尺和棱鏡～經(jīng)緯儀～后尺的設(shè)計夾角α_前、α_后；步驟三，用經(jīng)緯儀分別測量出棱鏡～經(jīng)緯儀～前尺和棱鏡～經(jīng)緯儀～后尺的夾角β_前、β_后；步驟四，根據(jù)前、后尺的設(shè)計坐標與經(jīng)緯儀的坐標計算出前后尺分別到經(jīng)緯儀的距離S_前、S_后；步驟五，計算前、后尺的平面偏差；步驟六，根據(jù)前、后尺的平面偏差計算出盾構(gòu)機頭、尾部在水平方向上的平面偏差。本發(fā)明提高了測量精度、簡化了測量過程，極大的節(jié)約了工程成本。
文檔編號G01C1/02GK101684731SQ20081020060
公開日2010年3月31日 申請日期2008年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月27日
發(fā)明者靚 俞, 姜旭賢, 孔利明, 張朝彪, 戴建雄, 斌 王 申請人:上海市機械施工有限公司