李洪哲

摘要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市建設(shè)的加快，城市規(guī)模不斷擴大，人口不斷增多，交通越來越來擁擠。一些地方的城市建設(shè)者為了治理交通擁堵，分散交通壓力。不斷尋求解決方式，修建地鐵成為了一些城市建設(shè)者的主要的選擇方式。但是在修建地鐵的過程中，工程量非常大，施工難度相對較高。在地鐵施工過程中，采用盾構(gòu)技術(shù)，與傳統(tǒng)的施工技術(shù)相比，有著許多優(yōu)勢，逐漸成為地鐵修建過程中的主要施工方法。本文將主要分析盾構(gòu)姿態(tài)的測量的原理和方法，探究盾構(gòu)姿態(tài)的測量的精度分析。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機；實時姿態(tài)測量；計算方法；研究

1.盾構(gòu)機姿態(tài)簡介

盾構(gòu)施工過程就像生活中的目標(biāo)運動，先進(jìn)行重心平移，然后在運動的過程中偏航，最后進(jìn)行自身重心的滾動。因此，在盾構(gòu)施工過程中，需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)是盾構(gòu)機位置和姿態(tài)的參數(shù)。主要是三維坐標(biāo)和滾動角、偏航角和俯仰角。

盾構(gòu)機姿態(tài)的控制對整個工程施工意義重大，它決定著施工的質(zhì)量和隧道推進(jìn)方向的精度。一旦控制不好，容易導(dǎo)致隧道偏差過大和盾尾間隙過小而相碰。

2.盾構(gòu)機液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是盾構(gòu)機的核心部分，盾構(gòu)機的工作機構(gòu)主要是由液壓系統(tǒng)驅(qū)動完成，對盾構(gòu)機系統(tǒng)的運行起著很大的作用。盾構(gòu)機的液壓系統(tǒng)主要包括兩大系統(tǒng)，一是推進(jìn)系統(tǒng)，二是主動鉸接系統(tǒng)。

2.1.推進(jìn)系統(tǒng)

盾構(gòu)機的主要工作系統(tǒng)是推進(jìn)系統(tǒng)，它主要是通過油缸作用于成型觀片，以此來實現(xiàn)盾構(gòu)前進(jìn)。推進(jìn)系統(tǒng)的動力單元是一臺80L/min旋轉(zhuǎn)柱塞泵，執(zhí)行元件是24個油缸，調(diào)節(jié)和控制部分包括方向的控制、油缸電磁閥的選擇、安全閥、節(jié)流閥等。盾構(gòu)機工作時的最大工作壓力是35MPa，液壓泵最大推進(jìn)流量是80L/min，推進(jìn)油缸是240/180-1950（mm）。

2.1.1.推力計算

盾構(gòu)機共有推進(jìn)油缸24個，總推力是這24個油缸的推力之和，那么在液壓系統(tǒng)的最大推力F最大-24×P×Sn中，P表示油缸的最大壓強，S表示活塞面積，因此，F(xiàn)最大-24×35×106Pa×3.14×0.122㎡≈37981t

2.1.2.推進(jìn)速度計算

盾構(gòu)機的最大推進(jìn)速度就是油缸的最大伸長速度，S-1/T，T-V/S1，在這個公式中，S表示最大推進(jìn)速度，T表示伸長1mm所需要的時間，V表示伸長1mm需要的油液體積，S1為推進(jìn)流量，S為74mm/min。因此，當(dāng)前的盾構(gòu)機最大推力是1200kN，掘進(jìn)速度是40—65mm/min，推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計完全符合要求。

2.2.鉸接系統(tǒng)

盾構(gòu)機的調(diào)向主要使用鉸接系統(tǒng)，通過調(diào)向，使得盾構(gòu)機形成一定角度，便于控制。鉸接系統(tǒng)的動力單元是一臺25L/min的高壓泵，執(zhí)行元件是16個270/160-190（mm）的油缸。

鉸接系統(tǒng)的最大壓力是35MPa，液壓泵的最大流量是25L/min，鉸接油缸是270/160-190（mm），鉸接力F最大-P×S≈2003kN，其中，P是最大壓強，S是活塞面積，盾構(gòu)機自身重量是300t，鋼和土體之間的摩擦系數(shù)是0.5，前盾和土體的摩擦力是Fˊ-G×ц-150t≈1500kN，G表示前盾自重，ц表示靜摩擦系數(shù)。

3.盾構(gòu)機實時姿態(tài)的計算方法

3.1.測量原理和方法

盾構(gòu)機姿態(tài)測量的原理： 盾構(gòu)機前體位置上要選擇兩個控制點，這兩個控制點不能在同一條直線上，在控制點上還要安上反射片。在測量過程中，為了保證測量的便捷性，應(yīng)當(dāng)盡量保證這些控制點和盾尾通視，同時要保證在測量過程中，控制點上的反射片不能脫落或者是移動位置。為了保證盾構(gòu)機上的控制點、刀盤中心和初始姿態(tài)的相對關(guān)系，在盾構(gòu)機上已經(jīng)安裝好的前基準(zhǔn)點、后基準(zhǔn)點以及刀盤上方應(yīng)當(dāng)各布置一個臨時觀測點，并且要在盾構(gòu)機的前體位置上設(shè)置一些其它觀測點。盾構(gòu)機工作前，應(yīng)當(dāng)對盾構(gòu)機上的所有控制點以及臨時觀測點進(jìn)行初始坐標(biāo)測量，這樣就可以測量出盾構(gòu)機的具體姿態(tài)和位置信息。

3.2.分析姿態(tài)測量的精度

盾構(gòu)體的姿態(tài)測量的觀測值是由兩棱鏡的坐標(biāo)和滾動角、俯仰角組成，坐標(biāo)的誤差是由全站儀的精度決定的；而滾動角、俯仰角是通過雙軸傾斜儀進(jìn)行測量的，它的誤差是由傾斜儀的精度決定的。全站儀是一種智能儀器，它主要由三部分組成，分別是電子經(jīng)緯儀、光電測距儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

兩棱鏡安裝位置的確定是很困難的，因為在安裝時沒有參照物，很難求得偏航角。因此，在安裝兩棱鏡的時候，往往采取的是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的辦法，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，就可以定位兩棱鏡的相對位置。盾構(gòu)機的測量過程以及計算過程必然會產(chǎn)生誤差，因此，需要對誤差進(jìn)行評估。

3.3.提高精度測量的辦法

3.3.1.使用高精度測量儀器

如果使用測量精度為3mm的儀器，處于刀盤中心的Z坐標(biāo)的誤差平均值會達(dá)到5.8mm，這個數(shù)值大約是儀器誤差的兩倍；如果使用精度為5mm的儀器，誤差平均值會達(dá)到34mm。所以，如果能夠使用高精度測量儀器，將會有效的減少盾構(gòu)機的測量誤差。

3.3.2.采用多點復(fù)核測量

采用多點符合測量就需要在盾構(gòu)機上的控制點至少要在5個以上，這樣既可以為符合測量做準(zhǔn)備，也可以防止施工的時候被意外損壞的現(xiàn)象。

3.3.3.測量控制點的布置要合理

測量結(jié)果在很大程度上受控制點的位置影響，因此，在一般情況下，控制點應(yīng)當(dāng)布置在盾構(gòu)機上的比較穩(wěn)固的位置上，這樣在一定程度上就能保證盾構(gòu)機在施工過程中不會被意外碰到，并且能夠保證和盾尾相通視。除此之外，三個控制點的位置應(yīng)當(dāng)盡量使他們呈三角形，并且最大程度上保證他們的邊最長。

結(jié)語：

由于盾構(gòu)技術(shù)具有自動化程度高、施工速度快、對周圍的環(huán)境影響小等優(yōu)勢，施工過程中能夠獲得良好的綜合效益，盾構(gòu)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成地鐵施工過程中主要采用的辦法。盾構(gòu)技術(shù)的姿態(tài)控制對整個施工過程影響非常大，它控制著整個施工過程的質(zhì)量和精度。此外，應(yīng)當(dāng)建立維護(hù)液壓系統(tǒng)的保護(hù)方案，掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定要合理，避免長時間負(fù)荷運行，以降低設(shè)備運行風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐爭氣，趙俊三，彭國新.盾構(gòu)機實時姿態(tài)測量和計算方法的研究[J].土木工程學(xué)報，2007（93）

[2] 徐浩，楊卓.地鐵盾構(gòu)施工中人工測量盾構(gòu)機姿態(tài)的方法[J].山西建筑，2009（04）

[3]王涵，姚連璧，高俊強，徐巖軍.基于測量機器人的盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)及應(yīng)用[J]. 工程勘察，2011（10）

[4] 趙志蒙，申哲. 全站儀三角高程測量精度分析及應(yīng)用研究[J].內(nèi)蒙古公路與運輸，2008（04）

[5]李鵬程.盾構(gòu)機姿態(tài)測量方法的精度比較[J].安徽建筑，2008（06）.