1、第六章 施工測量與導向系統(tǒng)初級6.1導向系統(tǒng)簡介6.1.1導向系統(tǒng)的主要作用盾構(gòu)（TBM）掘進施工時，因為速度快、作業(yè)面狹小、視線阻擋嚴重等原因，人工測量盾構(gòu)姿態(tài)的方法不能滿足盾構(gòu)調(diào)向的要求，因此，一般都配備有自動導向系統(tǒng)，用來連續(xù)測量盾構(gòu)姿態(tài)，顯示在主控室電腦屏幕上；主司機根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)，調(diào)整掘進參數(shù)，使盾構(gòu)能夠按照設(shè)計隧道軸線（Designed Tunnel Axis，以下簡稱DTA）精確掘進。 正常情況下，盾構(gòu)總是存在有一定的姿態(tài)偏差，因此導向系統(tǒng)可計算出一個S形糾偏曲線，主司機參考該糾偏曲線，操縱TBM使其能夠從目前的偏差位置平滑地調(diào)整到DTA 上。盾構(gòu)在一環(huán)掘進結(jié)束后，根據(jù)盾尾中已

2、拼裝的上一環(huán)管環(huán)的尺寸，導向系統(tǒng)進行計算，從所有可以作為當前參考管環(huán)的后續(xù)管環(huán)類型中，選出將要拼裝的下一環(huán)管片的類型。盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點與姿態(tài)數(shù)據(jù)為了提高盾構(gòu)機的操作性能, 通常將其分成前后兩個部分, 中間用鉸接裝置連接起來，這樣可使盾構(gòu)機的前后彎曲，便于曲線段掘進調(diào)向。圖6.1 帶鉸接的盾構(gòu)要全面了解盾構(gòu)姿態(tài)，必須分別顯示出盾構(gòu)前體和盾尾的各項姿態(tài)數(shù)據(jù)。盾構(gòu)前體姿態(tài)決定了整個盾構(gòu)的掘進方向，因此部分未配備管片選型功能的盾構(gòu)，以及敞開式TBM，其導向系統(tǒng)只顯示出前體的姿態(tài)。下面簡圖中對盾構(gòu)姿態(tài)幾何意義的表示，只是顯示了盾構(gòu)前體的姿態(tài)數(shù)據(jù)。盾尾姿態(tài)與之類似。圖6.2 盾構(gòu)俯視圖圖6.4 后視圖圖6.

3、3 側(cè)視圖盾構(gòu)姿態(tài)一般用下面一些參數(shù)來表示，其幾何意義參見圖6.26.4： 刀盤切口里程、方向偏差、高程偏差；盾尾方向偏差、高程偏差；平面趨勢、高程趨勢、盾構(gòu)滾動角、環(huán)號等。導向系統(tǒng)顯示界面6.1.3.1導向系統(tǒng)種類 國外的盾構(gòu)導向系統(tǒng)起步比較早，應用較廣；主要有英國的ZED、德國VMT公司的SLS-T系統(tǒng)、德國TACS公司的ACS系統(tǒng)、德國PPS系統(tǒng)、日本演算工房的ROBOTEC系統(tǒng)等。 國產(chǎn)系統(tǒng)最近幾年也開始起步，目前已成功應用于多個工地；主要有上海米度、上海力信等公司研制的導向系統(tǒng)。6.1.3.2顯示界面 下面列出了一些導向系統(tǒng)的顯示界面，部分界面上附有文字說明：圖6.6 TACS系統(tǒng)圖

4、6.5 ZED系統(tǒng)圖6.14 隧道股份研制的導向系統(tǒng)圖6.13 上海力信圖6.8 VMT的雙護盾系統(tǒng)圖6.7 VMT的SLS-T系統(tǒng)6.1.4管片拼裝程序簡介選擇管片拼裝的順序的基本原理概括如下：在新掘進一環(huán)完畢后，考慮盾尾中已拼裝好的上一環(huán)管環(huán)的尺寸，程序進行計算，從所有可以作為當前參考管環(huán)的后續(xù)管環(huán)的管環(huán)類型中選出將要拼裝的下一環(huán)管片的類型。6.1.4.1管片選型的目的進行管片選型要達到的目的主要是應滿足以下幾個方面的要求：（1）盾尾間隙在管片拼裝中的一個重要的目的就是保持良好的盾尾間隙。在理想的情況下，沿盾尾四周的間隙值都相等。（2）推進油缸伸長量：使拼裝的管片前平面與盾構(gòu)軸線垂直，或者

5、說使推進油缸的伸長量對等；（3）管片偏差使管片中心跟DTA的偏差盡可能小。本項內(nèi)容一般是在保證滿足前兩個目的的基礎(chǔ)上，再做要求。6.1.4.2管片選型要素程序進行管片選型，需要知道幾項相關(guān)的已知數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源如下：（1）DTA工程開工前，人工輸入電腦；（2）盾構(gòu)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，即水平及垂直方向上相對于DTA 的偏差及趨勢導向系統(tǒng)測量結(jié)果；（3）推進油缸行程電腦自動讀取推進油缸行程傳感器數(shù)據(jù)；（4）當前的盾尾間隙人工現(xiàn)場量取；部分導向系統(tǒng)配備有自動獲取盾尾間隙的傳感器，但應用效果不良；（5）鉸接油缸行程在有鉸接油缸的盾構(gòu)機上，電腦讀取鉸接油缸的行程數(shù)據(jù)。圖6.15 管片選型要素6.1.4.3管片選型

6、應用情況管片選型涉及到的測量數(shù)據(jù)較多，來源不一，任何一個數(shù)據(jù)缺失或誤差較大，都會造成不理想或錯誤的選型結(jié)果，而且部分導向系統(tǒng)沒有配備管片選型功能。所以，目前大部分工地現(xiàn)在都是憑經(jīng)驗并根據(jù)現(xiàn)場觀察的實際情況，對后續(xù)管環(huán)的類型進行選型。6.2 掘進過程中的測量工作6.2.1盾構(gòu)姿態(tài)的人工測量（人工導向）所有盾構(gòu)(TBM)都必須建立人工導向系統(tǒng)，做為機器自身導向系統(tǒng)的檢查和備份。出現(xiàn)以下情況時，需要進行人工導向： (a) 導向系統(tǒng)故障不能工作，需要繼續(xù)掘進時； (b) 導向系統(tǒng)測量部件位置變形或移動； (c) 激光靶、傾斜儀等需要設(shè)置初始參數(shù)的關(guān)鍵部件損壞，修理后更換或使用備件時； (d) 掘進方向

7、或高程偏離設(shè)計軸線較大時； (e) 懷疑導向系統(tǒng)測量結(jié)果有問題時； (f) 區(qū)間隧道貫通前； (g) 平時，也應按照一定的頻率對導向系統(tǒng)進行檢核校正。6.2.2 導向系統(tǒng)初始設(shè)置數(shù)據(jù)導向系統(tǒng)各部件安裝位置數(shù)據(jù)、角度偏差數(shù)據(jù)、全站儀和導向系統(tǒng)軟件上的主要設(shè)置等初始數(shù)據(jù)均應進行復核確認，并備份。6.2.3 搬站、托架檢查6.2.3.1 搬站掘進一段距離后，全站儀和后視棱鏡需要進行前移安裝和測量，這個過程稱為搬站。一般情況下，搬站測量方法有兩種：一種方法是從控制點上測量。這種測量方法精度高，但工作量大、測量時間長，對于后配套較長的盾構(gòu)以及盾構(gòu)位于小半徑曲線的情況，搬站測量有時需要幾個小時；第二種方法

8、是利用后面現(xiàn)有的坐標已知的托架直接向前引申。這種方法工作量小，一般需半小時左右。條件允許時，應該采用第一種方法。從關(guān)閉導向系統(tǒng)開始搬站，到搬站結(jié)束后再開機，整個過程中，盾構(gòu)位置不能變化。這樣，才能對搬站前后姿態(tài)數(shù)據(jù)進行對比，這是盾構(gòu)測量最重要、也是最容易出現(xiàn)問題的一項復核工作。它可以及時發(fā)現(xiàn)搬站過程中發(fā)生的錯誤，也能夠發(fā)現(xiàn)導向系統(tǒng)較大的硬件誤差和管片位移影響。姿態(tài)較差超出限差時，應及時查找原因，并改正，必要時重測。6.2.3.2 托架坐標測量有些工地受現(xiàn)場測量條件所限，連續(xù)采用第二種方法進行搬站；由于存在管片位移（圍巖變形），使系統(tǒng)的方向誤差連續(xù)累積并向前放大，以至于最終大到不可接受的地步。因

9、此，對于后配套長度較短的盾構(gòu)，最好每次都從控制點開始引測，盡量不用上次的托架向前引測。對于后配套較長的盾構(gòu)，可以在托架上向前傳遞坐標，但傳遞次數(shù)應該不超過一次，尤其是在管片位移（圍巖變形）較大和搬站距離較遠時。施工現(xiàn)場應注意提供必要的測量時間和測量窗口。從控制點上測量托架，可以發(fā)現(xiàn)搬站過程中發(fā)生的錯誤和累積起來的誤差，但時間滯后。這項工作是現(xiàn)場測量另一項重要的復核工作；許多盾構(gòu)工地出現(xiàn)過的較大的測量偏差，都可以通過這種辦法盡早發(fā)現(xiàn)。6.2.4 管片測量 測量管片姿態(tài)，然后與盾構(gòu)姿態(tài)歷史記錄進行對比，可以完全撇開導向系統(tǒng)和盾構(gòu)機，發(fā)現(xiàn)導向系統(tǒng)可能出現(xiàn)的錯誤或較大的誤差，而且測量和計算過程也很方便

10、，是一種簡單有效的檢查方法。 測量未拖出盾尾的管片與導向系統(tǒng)顯示的盾尾姿態(tài)比較，可比性較高；測量拖出后配套后的管片，因管片會發(fā)生位移，可比性稍低，但卻反映了隧道建成后的最終結(jié)果。 對于敞開式TBM，可以直接測量開挖輪廓，效果與測量管片相同。 對管片姿態(tài)進行連續(xù)監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)管片可能存在的上浮、下沉以及位移現(xiàn)象。6.3 盾構(gòu)姿態(tài)控制6.3.1 職責分工 測量組負責導向系統(tǒng)測量結(jié)果的正確性和精確度，保證導向系統(tǒng)工作的連續(xù)性； 值班工程師協(xié)助測量組，保證導向系統(tǒng)能夠連續(xù)工作，協(xié)助主司機進行盾構(gòu)姿態(tài)控制工作； 主司機負責調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。6.3.2 掘進偏差控制 TBM偏差小于50mm時，正常掘進。

11、偏差50mm ，應立即停機，通知測量組，檢查導向系統(tǒng)的正確性，查找其他可能的偏差原因。 掘進偏差接近設(shè)計預留的測量與施工誤差時，及時與業(yè)主、監(jiān)理及設(shè)計院聯(lián)系，確定偏差調(diào)整方案，然后按照工程部技術(shù)交底繼續(xù)掘進。不可急于回調(diào)，從而引起盾構(gòu)蛇行、機器變形、管片不易安裝、錯臺、掉塊后配套通過困難、影響測量窗口、以及改線困難的情況。 導向系統(tǒng)故障時，通知測量組，在測量組或值班工程師指導下盲推不得超過1環(huán)。6.3.3 姿態(tài)預調(diào)整 正常情況下，調(diào)整TBM姿態(tài)，使刀盤與盾尾姿態(tài)數(shù)據(jù)靠近DTA（隧道設(shè)計軸線），平面和高程趨勢盡量為0mm/m。 有些情況下需要對TBM進行姿態(tài)預調(diào)整： 管片上浮經(jīng)對管片姿態(tài)進行連續(xù)

12、監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)存在管片上浮現(xiàn)象時，應將盾構(gòu)姿態(tài)進行預先壓低； 盾構(gòu)下沉經(jīng)對管片姿態(tài)進行連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)管片安裝后，存在下沉現(xiàn)象時，可將盾構(gòu)姿態(tài)預先抬高； 小半徑曲線掘進盾構(gòu)在小半徑曲線上掘進時，容易偏向曲線外側(cè)，因此進入小半徑曲線以前，建議有意識地將盾構(gòu)姿態(tài)提前向曲線內(nèi)側(cè)調(diào)整2030mm； 區(qū)間貫通前，應對接收洞門進行測量復核，如果存在偏差，應調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)對準洞門，保證隧道精確貫通。6.4 注意事項6.4.1 曲線掘進盾構(gòu)在小半徑曲線上掘進時，容易偏向曲線外側(cè)，因此進入小半徑曲線以前，建議有意識地將盾構(gòu)姿態(tài)提前向曲線內(nèi)側(cè)調(diào)整2030mm；6.4.2 管片的位移、旋轉(zhuǎn)和震動在掘進過程中，靠近盾構(gòu)前方的

13、管片，由于漿液不能及時凝固的原因，會產(chǎn)生位移、旋轉(zhuǎn)和振動現(xiàn)象；尤其是在硬巖、小半徑曲線、快速掘進時，對導向系統(tǒng)影響更大。6.4.2.1 管片位移全站儀安裝位置比較靠前時，全站儀會隨著管片出現(xiàn)位移現(xiàn)象。一般來說，都是向曲線外側(cè)移動；在一段時間內(nèi)，位移方向也基本相同。這樣，此項誤差就不能抵消，會連續(xù)累積并呈數(shù)量級般地放大，以至于有時候達到不可接受的程度。由于盾構(gòu)本身處在掘進狀態(tài)下，管片位移的影響一般不能及時發(fā)現(xiàn)。6.4.2.2 管片旋轉(zhuǎn)管片旋轉(zhuǎn)對全站儀的影響，一是隨著管片的旋轉(zhuǎn)，儀器平面位置和高程隨著管片變化，這點與位移影響相同；二是造成儀器整平失靈；徠卡全站儀的自動補償范圍是4，就是說，半徑2.8米的管片，如果存在3.2mm的旋轉(zhuǎn)，全站儀就會停止工作，從而使整個導向系統(tǒng)停止工作。而據(jù)我們在某工地的現(xiàn)場監(jiān)測，掘進一個循環(huán)后，前面第二環(huán)管片即旋轉(zhuǎn)了16.0mm，第八環(huán)也產(chǎn)生了5.2mm的旋轉(zhuǎn)。6.4.2.3 管片振動管片振動對全站儀的影響，就是全站儀始終瞄不準測量目標，測不出結(jié)果。據(jù)現(xiàn)場觀察，管片振動劇烈時，全站儀視野里的測量目標劇烈跳動，儀器顯示的水平角跳動幅度達40