關(guān)于盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量和計(jì)算方法的研究

李洪哲

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市建設(shè)的加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口不斷增多，交通越來越來?yè)頂D。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(duì)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(shì)，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(cè)量的原理和方法，探究盾構(gòu)姿態(tài)的測(cè)量的精度分析。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量；計(jì)算方法；研究

1.盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)簡(jiǎn)介

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

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制對(duì)整個(gè)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(jī)液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的核心部分，盾構(gòu)機(jī)的工作機(jī)構(gòu)主要是由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)完成，對(duì)盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行起著很大的作用。盾構(gòu)機(jī)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(dòng)鉸接系統(tǒng)。

2.1.推進(jìn)系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)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(shí)現(xiàn)盾構(gòu)前進(jìn)。推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力單元是一臺(tái)80L/min旋轉(zhuǎn)柱塞泵，執(zhí)行元件是24個(gè)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(jī)工作時(shí)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(jì)算

盾構(gòu)機(jī)共有推進(jìn)油缸24個(gè)，總推力是這24個(gè)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(qiáng)，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(jì)算

盾構(gòu)機(jī)的最大推進(jìn)速度就是油缸的最大伸長(zhǎng)速度，S-1/T，T-V/S1，在這個(gè)公式中，S表示最大推進(jìn)速度，T表示伸長(zhǎng)1mm所需要的時(shí)間，V表示伸長(zhǎng)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(jī)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(jì)完全符合要求。

2.2.鉸接系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)的調(diào)向主要使用鉸接系統(tǒng)，通過調(diào)向，使得盾構(gòu)機(jī)形成一定角度，便于控制。鉸接系統(tǒng)的動(dòng)力單元是一臺(tái)25L/min的高壓泵，執(zhí)行元件是16個(gè)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(qiáng)，S是活塞面積，盾構(gòu)機(jī)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(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)的計(jì)算方法

3.1.測(cè)量原理和方法

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

3.2.分析姿態(tài)測(cè)量的精度

盾構(gòu)體的姿態(tài)測(cè)量的觀測(cè)值是由兩棱鏡的坐標(biāo)和滾動(dòng)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(dòng)角、俯仰角是通過雙軸傾斜儀進(jìn)行測(cè)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(cè)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?yàn)樵诎惭b時(shí)沒有參照物，很難求得偏航角。因此，在安裝兩棱鏡的時(shí)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(duì)位置。盾構(gòu)機(jī)的測(cè)量過程以及計(jì)算過程必然會(huì)產(chǎn)生誤差，因此，需要對(duì)誤差進(jìn)行評(píng)估。

3.3.提高精度測(cè)量的辦法

3.3.1.使用高精度測(cè)量?jī)x器

如果使用測(cè)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(huì)達(dá)到5.8mm，這個(gè)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(huì)達(dá)到34mm。所以，如果能夠使用高精度測(cè)量?jī)x器，將會(huì)有效的減少盾構(gòu)機(jī)的測(cè)量誤差。

3.3.2.采用多點(diǎn)復(fù)核測(cè)量

采用多點(diǎn)符合測(cè)量就需要在盾構(gòu)機(jī)上的控制點(diǎn)至少要在5個(gè)以上，這樣既可以為符合測(cè)量做準(zhǔn)備，也可以防止施工的時(shí)候被意外損壞的現(xiàn)象。

3.3.3.測(cè)量控制點(diǎn)的布置要合理

測(cè)量結(jié)果在很大程度上受控制點(diǎn)的位置影響，因此，在一般情況下，控制點(diǎn)應(yīng)當(dāng)布置在盾構(gòu)機(jī)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(jī)在施工過程中不會(huì)被意外碰到，并且能夠保證和盾尾相通視。除此之外，三個(gè)控制點(diǎn)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(zhǎng)。

結(jié)語：

由于盾構(gòu)技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、施工速度快、對(duì)周圍的環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)，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(duì)整個(gè)施工過程影響非常大，它控制著整個(gè)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(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷運(yùn)行，以降低設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

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