7.4盾構隧道施工測量
7.4.1盾構機始發初始狀態測量
7.4.1.1盾構機始發初始狀態測量的主要內容和目的
(1)盾構機導軌定位測量
盾構機導軌測量主要控制導軌的中線與設計隧道中線偏差不能超限,導軌的前後高程與設計高程不能超限,導軌下面是否堅實平整等。
(2)反力架定位測量
反力架定位測量包括反力架的高度、俯仰度、偏航等,反力架下面是否堅實、平整。反力架的穩定性直接影響到盾構機始發掘進是否能正常按照設計的方位進行。
(3) 演算工房導向系統初始測量盾構機姿態
盾構機姿態初始測量包括測量水平偏航、俯仰度、扭轉度。盾構機的水平偏航、俯仰度是用來判斷盾構機在以後掘進過程中是否在隧道設計中線上前進,扭轉度是用來判斷盾構機是否在容許範圍內發生扭轉。
(4) 人工複測盾構姿態
為了保證導向系統的正確性和可靠性,在盾構機始發前,應進行盾構姿態的人工檢測。
7.4.1.2盾構機姿態測量原理
（1）演算工房導向系統
①導向系統介紹
在掘進隧道的過程中,為了避免盾構機發生意外的運動及方向的突然改變, 必須對盾構機的位置和隧道設計軸線的相對位置關係進行持續地監控測量,使盾構機能夠按照設計路線精確地推進。日本株式會社的演算工房就是為此而開發,該系統為使盾構機沿設計軸線(理論軸線)掘進提供所有重要的資料資訊。該系統是由雷射全站儀(天寶5600) 、**控制箱、esl靶、控制盒和計算機及掘進軟體組成。
其組成見圖1。
圖1 盾構機導向系統組成
②導向基本原理
洞內控制導線是支援盾構機掘進導向定位的基礎。雷射全站儀安裝在位於盾構機尾部右上側管片的拖架上,後視一基準點(後視靶稜鏡)定位後。全站儀自動掉過方向來,搜尋els靶, els接收入射的雷射定向光束,即可獲取雷射站至els靶間的方位角、豎直角,通過els稜鏡和雷射全站儀就可以測量出雷射站至els靶間的距離。
盾構機的仰俯角和滾動角通過els靶內的傾斜計來測定。els靶將各項測量資料傳向主控計算機,計算機將所有測量資料彙總,就可以確定盾構機在座標系統中的精確位置。將前後兩個參考點的三維座標與事先輸入計算機的隧道設計軸線比較,就可以顯示盾構機的推進姿態。
（2）人工複測
盾構機作為乙個近似的圓柱體，在開挖掘進過程中我們不能直接測量其刀盤的中心座標，只能用間接法來推算出刀盤中心的座標。
圖2 盾構姿態計算原理圖
如圖a點是盾構機刀盤中心，e是盾構機中體斷面的中心點，即ae連線為盾構機的中心軸線，由a、b、c、d、四點構成乙個四面體，測量出b、c、d 三個角點的三維座標（xi,yi, zi）,根據三個點的三維座標（xi, yi, zi）分別計算出lab, lac, lad, lbc, lbd,lcd, 四面體中的六條邊長，作為以後計算的初始值，在盾構機掘進過程中li是不變的常量，通過對b、c、d三點的三維座標測量來計算出a點的三維座標。同理，b、c、d、e四點也構成乙個四面體，相應地求得e點的三維座標。由a、e兩點的三維座標就能計算出盾構機刀盤中心的水平偏航，垂直偏航，由b、c、d三點的三維座標就能確定盾構機的仰俯角和滾動角，從而達到檢測盾構機姿態的目的。
7.4.1.3盾構機姿態測量的誤差分析
使用盾構進行隧道掘進施工時，需要使盾構沿隧道設計曲線掘進，隧道設計曲線以全域性座標係為基準。掘進施工中需要實時測量盾構在全域性座標系中的位置和姿態，通過與隧道設計曲線比較，得到盾構掘進的位置偏差和姿態偏差。實際施工中主要測量盾構切口中心和盾尾中心與設計曲線的水平偏差和垂直偏差，因此測量工作的主要任務是得到切口中心和盾尾中心在全域性座標系中的座標。
由於標靶加工和裝配工藝水平、感測器元件本身精度的限制，各測量引數均存在誤差，這些誤差經傳遞後會使得盾構切口中心和盾尾中心的座標位置產生誤差. 因此，準確建立盾構切口中心點位誤差與測量引數誤差的傳遞關係，對改善自動測量系統的效能、提高系統的測量精度可以起到重要作用。
（1）切口中心座標的測量原理模型
圖3為標靶在盾構機內的安裝位置圖。按照測量工程的習慣，將全域性座標系和其他相對座標系均設定為左手座標系。
圖3 雷射標靶的安裝位置圖
自動測量系統工作時，全站儀固定安裝在已拼裝好的隧道管片上，標靶固定於盾構內部，標靶與全站儀間無障礙物遮擋。利用全站儀測量標靶稜鏡的全域性座標（x0,y0,z0），同時發射雷射到標靶平面，測量標靶平面與雷射的水平夾角，與全站儀雷射的水平角合成得到標靶軸線在全域性座標系中的水平方位角 。利用標靶內建傾角儀可以測量標靶相對於全域性座標系的滾角和俯仰角 。
以標靶稜鏡中心為原點，以標靶測量的滾角 、俯仰角 、水平入射角的零值方向為座標軸方向，建立相對座標系o—a b c . 標靶固定在盾構上，座標系o—a b c中盾構切口中心的座標（x1,y1,z1）是固定的。為求取盾構切口中心的全域性座標（x,y,z），通過（x1,y1,z1）從座標系o—a b c旋轉平移到全域性座標系o-xyz中，則有
其中為相對座標系o—a b c到全域性座標系o-xyz的旋轉變換矩陣.
（2）切口中心與標靶相對位置座標標定的誤差分析
將標靶安裝到盾構上後，盾構靜止的狀態下，通過人工方法測量切口中心的全域性座標（x,y,z），通過全站儀測量標靶稜鏡的全域性座標（x0,y0,z0），然後讀取標靶的三姿態角讀數，通過對式(1)進行矩陣變換，反算相對座標（x1,y1,z1），可得
2)其中
利用標靶採集的方位角 、滾角及俯仰角都存在測量誤差. 設三個姿態角的誤差值分別為δ 、δ 、δ ，可視為標靶繞原座標系軸線旋轉了δ角. 即：
可知存在角度誤差時的變換矩陣：
由於角度誤差δ為毫弧度級別，可以視為極小量，故sinδ≈δ,cosδ≈1，上述矩陣可近似表示為：
相對座標(x1,y1,z1)的標定誤差為：
(3) 忽略δα, δβ和δγ的高次分量後，表示式（3）可以化簡為：
相對座標的標定是在盾構進入施工隧道前進行的。此時盾構水平放置，軸線的滾角和俯仰角均接近於0。安裝標靶時盡量使標靶軸線與盾構軸線平行，可調節標靶的俯仰角和滾角讀數接近零值，使sin 與sin 取值為較小量。
由於方位角的實際取值與相對座標無關，設 =0。δ ，δ 與δ 為極小量，表示式中如有分量同時包含δ 、δ 、δ 和sin 、sin 兩類量，則為極小分量，可以忽略。用此方法處理相對座標的誤差表示式即可得
其中，(x,y,z)和(x0,y0,z0)為切口中心全域性座標和標靶稜鏡全域性座標，由全站儀測量得到，誤差為公釐級。根據盾構的尺寸和標靶安裝位置可知，x-x0，y-y0， z-z0的值為公尺級。上式中x-x0，y-y0，z-z0公釐級的測量誤差與極小量δ ，δ 與δ 的乘積可以忽略，故上述表示式中可以不考慮x-x0，y-y0，z-z0的誤差。
此時標靶的 =0， ≈0， ≈0，可知對盾構進行相對位置標定時x-x0≈x1、y-y0≈y1、z-z0≈z1，則相對座標位置誤差可以修正為
從圖3中可知，y1和z1近似為標靶到盾構軸線的水平和垂直距離，而x1為切口到標靶所在的盾構橫斷面距離。盾構外形為乙個長圓筒，x1要比y1和z1大很多。從式(4)中可知，滾動角誤差δ 對相對座標誤差的影響較小，俯仰角誤差δ 和方位角誤差δ 對相對座標誤差的影響較大.
標靶在盾構中的安裝位置決定了相對座標(x1,y1,z1)，標靶安裝越遠離切口和盾構軸線，相對座標(x1,y1,z1)越大，標定的誤差就越大。
7.4.2盾構機姿態、管片測量
7.4.2.1盾構機姿態測量方法及思路
盾構掘進以自動導向系統為主,輔以人工測量校核。演算工房導向系統能夠全天候的動態顯示盾構機當前位置相對於隧道設計軸線的位置偏差,主司機可根據顯示的偏差及時調整盾構機的掘進姿態,使得盾構機能夠沿著正確的方向掘進。為了確保導向系統的準確性、確保盾構機能夠沿著正確的方向開挖,每週進行2次人工測量複核。
7.4.2.2托架的製作和安裝
雷射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, 托架的底板採用400×400×10mm鋼板，底板中心焊上儀器連線螺栓,長1㎝。採取強制對中，減少儀器對中誤差。托架安裝位置在隧道右側頂部不受行車的影響和破壞的地方。
安裝時，用水平尺大致調平托架底板後，將其固定好，然後可以安裝後視稜鏡或儀器。托架安裝過程中，需注意全站儀托架與盾構機內雷射靶以及後視稜鏡要通視。
7.4.2.3托架點測量方法與要求
托架上的強制對中點的座標通過車站底板的導線起始邊傳遞而來，採用2″級全站儀左右角各測兩測回，共計四測回。左、右角平均值之和與360°較差應小於2″，測距往返各二測回，往返二測回平均值較差小於2mm。由於管片受水土壓力、注漿壓力、盾構掘進時的推力等各種外力的影響，不可避免地存在少量的變形的位移，托架座標是導線系統的基準，為保證托架座標的準確性，定期對托架座標進行複測。
每週進行1次托架座標的複測，在特殊情況下，一旦發現托架有較大移動，立即對托架座標進行複測，確保托架座標的準確性。
因此盾構在推進過程中，測量人員要牢牢掌握盾構推進方向，讓盾構沿著設計中心軸線推進。
7.4.2.4隧道管片測量
（1）襯砌環片安裝複核測量
襯砌環測量主要包括襯砌環片環中心偏差、管片橢圓度和環的姿態。襯砌環片必須不少於3～5環測量一次，測量時每環都測量，並測定待測環的前端面。相鄰襯砌環重合測定2～3環環片，以便檢查環片有沒有發生位移。
測量資料及時整理，並編制測量成果報表，報送盾構操作人員，及時指導盾構施工。
環片中心偏差測量：將乙隻5m長的鋁合金尺（配水平尺）橫在管片環內側，移動鋁合金尺使之水平，在鋁合金尺**2.5m處垂直放置稜鏡頭，用全站儀直接測定稜鏡中心座標，與設計線路計算出該點的里程和偏移，若偏移為0時，說明環片中心與設計線路中心重合，並規定偏左為負，偏右為正，如圖4《管片水平姿態測量示意圖》
圖4 環片水平姿態測量意示圖
（2）環片豎直偏差測量
使用dsz2自動安平水準儀測出管片前沉底部的高程，根據線路縱斷面圖推算出該環環片里程的底部設計高程，實測高程以設計高程相比較，既得出環片豎直偏差值。
7.4.2.5測量管片旋轉
管片旋轉最主要的原因是圍岩未能提供足夠的摩阻力來阻止盾構滾動的趨勢而帶動管片旋轉。而導致圍岩未能提供足夠摩阻力的內在原因為：①盾構刀盤左右旋轉方向不均衡，刀盤總朝乙個方向旋轉；②同步注漿效果不理想，造成圍岩無法提供足夠的摩擦阻力以約束管片的扭轉；③管片螺栓未足夠緊固，故無法有效地傳遞力矩。
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