一种大直径拼装式盾构预埋钢环安装定位的测量方法与流程

1.本发明是一种盾构法隧道中的施工技术，涉及一种大直径拼装式盾构预埋钢环安装定位的测量方法。


背景技术：

2.盾构法隧道施工，往往是预先施工两端端头井，在两端端头井内预先安装门洞圈钢环，因此在盾构机掘进过程中需要严格按照设计轴线进行推进，以确保盾构机最终能够顺利通过门洞圈，进入接收井。如果门洞圈钢环安装精度不够，不仅在始发井端导致盾构机的出洞困难磨损盾构机，还会在接收井端导致盾构机无法按照设计轴线进洞，给工程带来巨大风险和损失。
3.大型盾构的端头井往往较深，因此无论是顺做或逆做施工，门洞圈钢环的安装都是随着施工进度分块拼装。现有测量技术是用全站仪对每块钢环的特征点测设至地面，再在吊装时用水准仪控制钢环中心标高，反复调整至设计精度。
4.但是常规方法由于安装调整误差及纠偏数据的不直观，效率低下，同时反复调整的次数增加，导致安装过程钢环的变形，从而影响最终精度。无法满足大直径预制拼装式门洞圈钢环的定位安装。


技术实现要素：

5.本发明主要目的是提供一种高效率、高精度，适用于大直径预制拼装式门洞圈钢环定位安装的测量方法
6.为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种大直径拼装式盾构预埋钢环安装定位的测量方法，包括以下步骤：
7.步骤一：建立独立坐标系
8.该坐标系以隧道端头井侧的门洞圈钢环中心为坐标原点，以隧道设计轴线为x轴正方向，垂直x轴向上为正为旋转轴z，根据左手系原则建立独立坐标系；
9.步骤二：测控点的布设及坐标转换
10.以地面首级控制点为基准，按设计等级测量技术要求，在井下布设2个便于直接测设的控制点，坐标为测点1(x1,y1)，测点2(x2,y2),再利用坐标转换公式将各控制点分别转化至独立坐标系下坐标(x
p1
,y
p1
),(x
p2
,y
p2
)，
11.x
p1
＝(x
1-x0)*cos(a)+(y
1-y0)*sin(a)
12.y
p1
＝-(x
1-x0)*sin(a)+(y
1-y0)*cos(a)
13.x
p2
＝(x
2-x0)*cos(a)+(y
2-y0)*sin(a)
14.y
p2
＝-(x
2-x0)*sin(a)+(y
2-y0)*cos(a)
15.其中x0，y0为独立坐标系坐标原点的坐标，即门洞圈钢环中心的坐标，a为独立坐标系x轴的坐标方位角，采用编程计算器将转换程序编入，实现观测现场快速计算；
16.步骤三：全站仪架设
17.将全站仪架设在步骤二所述的用于直接测设的控制点上，严格对中，整平；
18.步骤四：测量粗定位的隧道端头井一侧的三维坐标；在步骤三所述的已架设的全站仪中输入转换后的坐标，利用已知高程点计算得出仪器视线高度作为目标高输入仪器，通过仪器能直接测量门洞圈钢环内圈上任意一点处的高程值，以及该高程下独立坐标系的坐标值，该坐标为实测坐标；
19.步骤五：利用公式计算出步骤四所述门洞圈钢环上任意一点的高程值h1下独立系的理论坐标(x
理
，y
理
)：
20.x
理
＝(h
1-h0)
×
tanα
[0021][0022]
其中r为钢环半径，h0为钢环中心标高，α为钢环平面与独立坐标系z轴夹角，采用编程计算器将转换程序编入，实现观测现场快速计算；
[0023]
步骤六：将步骤四的实测坐标和步骤五的理论坐标进行差运算；
[0024]
步骤七：根据步骤六的差运算所得值正负号为纠偏方向，差值绝对值为纠偏量的规则，指导安装部件的纠正；
[0025]
步骤八：重复步骤三～七直至步骤六的差运算所得值满足设计要求即门洞圈钢环到达设计位置。
[0026]
进一步，步骤六中的差运算所得值中：测点x方向差值即为设计轴线方向的纵向偏差，y则为钢环弦长方向的横向偏差。
[0027]
本发明的有益效果是：
[0028]
本发明提供的一种大直径拼装式盾构预埋钢环安装定位的测量方法，到达了精确安装门洞圈钢环的设计要求，在施工过程中能够节约超过一半的时间，提高施工效率。因而本发明具有效率高、精度高、效果好及适用范围广的优点，能够确保门洞圈钢环的精确安装。
附图说明
[0029]
图1是盾构预埋钢环示意图；
[0030]
图2是本发明的方法操作示意图；
[0031]
图3是本发明的方法流程图；
[0032]
图4是独立坐标系建立示意图；
[0033]
图中：1-墙体，2-门洞圈钢环，3-端头井，4-盾构段，5-门洞圈钢环分块。
具体实施方式
[0034]
本实施例采用了本发明的技术方法进行施工，给出了详细的实施过程和具体方法，但本发明不局限于下述实施例。
[0035]
本发明的一种大直径拼装式盾构预埋钢环安装定位的测量方法，包括以下步骤：
[0036]
步骤一：建立独立坐标系。该坐标系以隧道端头井3侧的门洞圈钢环2中心为坐标原点，以隧道设计轴线为x轴正方向，垂直x轴向上为正为旋转轴z，根据左手系原则建立独
立坐标系。如图4所示。
[0037]
步骤二：测控点的布设及坐标转换：以地面首级控制点为基准，按设计等级测量技术要求，在井下布设2个便于直接测设的控制点，坐标为测点1(x1,y1)，测点2(x2,y2),再利用坐标转换公式将各控制点分别转化至独立坐标系下坐标(x
p1
,y
p1
),(x
p2
,y
p2
)
[0038]
x
p1
＝(x
1-x0)*cos(a)+(y
1-y0)*sin(a)
[0039]yp1
＝-(x
1-x0)*sin(a)+(y
1-y0)*cos(a)
[0040]
x
p2
＝(x
2-x0)*cos(a)+(y
2-y0)*sin(a)
[0041]yp2
＝-(x
2-x0)*sin(a)+(y
2-y0)*cos(a)
[0042]
其中x0，y0为独立坐标系坐标原点的坐标，即门洞圈钢环中心的坐标，a为独立坐标系x轴的坐标方位角。采用编程计算器将转换程序编入，可以实现观测现场快速计算。
[0043]
步骤三：全站仪架设：将全站仪架设在步骤二所述的用于直接测设的控制点上，严格对中，整平；
[0044]
步骤四：测量粗定位的隧道端头井一侧的三维坐标；在步骤三所述的已架设的全站仪中输入转换后的坐标，利用已知高程点计算得出仪器视线高度作为目标高输入仪器。这时通过仪器可以直接测量门洞圈钢环2内圈上任意一点处的高程值，以及该高程下独立坐标系的坐标值，所述坐标下称实测坐标；
[0045]
步骤五：利用公式计算出步骤四所述门洞圈钢环上任意一点的高程值h1下独立系的理论坐标(x
理
，y
理
)：
[0046]
x
理
＝(h
1-h0)
×
tanα
[0047][0048]
其中r为钢环半径，h0为钢环中心标高，α为钢环平面与独立坐标系z轴夹角。采用编程计算器将转换程序编入，可以实现观测现场快速计算；
[0049]
步骤六：将步骤四所述实测坐标和步骤五所述理论坐标进行差运算；
[0050]
步骤七：根据步骤六所述差运算所得值正负号为纠偏方向，差值绝对值为纠偏量的规则，指导安装部件的纠正。步骤六所述差运算所得值中：测点x方向差值即为设计轴线方向的纵向偏差，y则为钢环弦长方向的横向偏差。
[0051]
步骤八：重复步骤三～七直至步骤六所述差运算所得值满足设计要求即门洞圈钢环到达设计位置。
[0052]
实施例：以某采用盾构法施工的隧道中东侧门洞圈钢环安装为例，该工程设计为双向四车道，东、西两个端头井门洞圈直径均为12.1m，分6块a～f拼装，如图1所示。
[0053]
步骤一、如图4所示，建立独立坐标系；该坐标系以隧道端头井3侧门洞圈钢环2中心为坐标原点，以隧道设计轴线为x轴正方向，垂直x轴向上为正为旋转轴z，根据左手系原则建立独立坐标系。
[0054]
步骤二、如图2所示，测控点的布设首先在井下布设测点1(2098.1794,5967.7652)、测点2(2084.3754,5951.5982)两个直接测设点。
[0055]
步骤三、如图3所示，坐标转换；根据已知坐标原点o(2093.0817，5968.9680)、x轴正方向上一点(2079.156，5980.0092)。通过预先在可编程计算器中编入的坐标转换【程序
1】，计算出在独立坐标系下的转点坐标测点1(-4.7418,-2.2246)、测点2(-3.9694,19.0198)。
[0056]
【程序1】：
[0057]“x0＝”？a:”y0＝”b:”x1＝”？c:”y1”？d:
[0058]
pol(c-a,d-b)
[0059]
if j《0:then j+360
→
f:else j
→
f:ifend
[0060]“s＝”:
[0061]”α＝”:
[0062]
lbl 0
[0063]”xp”？g:”yp”？h:(g-a)
×
cos(f)
→
k:(h-b)
×
sin(f)
→
l:-(g-a)
×
sin(f)
→
m:(h-b)
×
cos(f)
→n[0064]“xp＝”:
[0065]“yp＝”:
[0066]
goto 0
[0067]
步骤四、如图2、图3所示，将仪器架设至测点2，严格对中，整平。
[0068]
步骤五、如图2、图3所示，对东侧门洞圈钢环进行实测。同时根据已知高程点测得仪器视线高度作为目标高输入仪器，直接测出高程。这时通过仪器可以直接测量钢环上任意一点处的高程值，以及该高程下独立坐标系的坐标值。
[0069]
步骤六、如图3所示，利用预先在可编程计算器中编入的【程序2】计算出测设点高程下在独立坐标系中的理论坐标。
[0070]
【程序2】：
[0071]“r＝”？a:”h0＝”？b:”h1＝”？c:”α＝”？e
[0072]
(c-b)
÷
cos(e)
→d[0073]“x＝”:
[0074]
if a-d《0.001 and a-d》-0.001
[0075]
then“y＝”:
[0076]
else“y＝”:
[0077]
步骤七、如图3所示，根据独立坐标系的几何关系，实测x数据-理论x数据》0，则该位置偏向x正方向，实测y数据绝对值-理论y数据绝对值》0，则该位置偏向y正方向，反之则反向调整。步骤八、重复步骤五～七直至钢环到达设计位置。
[0078]
最终计划一个小时的纠偏过程，实际只用了25分钟，反复纠偏次数大大缩减。安装过程中纠偏数据位数小且正负号直接反应到纠偏的方向，数据绝对值就是纠偏量，直观高效，大大提高了安装的效率。最终成型钢环变形小、精度高，顺利完成安装工作。
[0079]
盾构钢圈现场实测数据对比
[0080][0081]
综上所述，本发明提供的一种大直径拼装式盾构预埋钢环安装定位的测量方法，到达了精确安装门洞圈钢环的设计要求，在施工过程中能够节约超过一半的时间，提高施工效率。

技术特征：
1.一种大直径拼装式盾构预埋钢环安装定位的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立独立坐标系该坐标系以隧道端头井侧的门洞圈钢环中心为坐标原点，以隧道设计轴线为x轴正方向，垂直x轴向上为正为旋转轴z，根据左手系原则建立独立坐标系；步骤二：测控点的布设及坐标转换以地面首级控制点为基准，按设计等级测量技术要求，在井下布设2个便于直接测设的控制点，坐标为测点1(x1,y1)，测点2(x2,y2),再利用坐标转换公式将各控制点分别转化至独立坐标系下坐标(x
p1
,y
p1
),(x
p2
,y
p2
)，x
p1
＝(x
1-x0)*cos(a)+(y
1-y0)*sin(a)y
p1
＝-(x
1-x0)*sin(a)+(y
1-y0)*cos(a)x
p2
＝(x
2-x0)*cos(a)+(y
2-y0)*sin(a)y
p2
＝-(x
2-x0)*sin(a)+(y
2-y0)*cos(a)其中x0，y0为独立坐标系坐标原点的坐标，即门洞圈钢环中心的坐标，a为独立坐标系x轴的坐标方位角，采用编程计算器将转换程序编入，实现观测现场快速计算；步骤三：全站仪架设将全站仪架设在步骤二所述的用于直接测设的控制点上，严格对中，整平；步骤四：测量粗定位的隧道端头井一侧的三维坐标；在步骤三所述的已架设的全站仪中输入转换后的坐标，利用已知高程点计算得出仪器视线高度作为目标高输入仪器，通过仪器能直接测量门洞圈钢环内圈上任意一点处的高程值，以及该高程下独立坐标系的坐标值，该坐标为实测坐标；步骤五：利用公式计算出步骤四所述门洞圈钢环上任意一点的高程值h1下独立系的理论坐标(x
理
，y
理
)：x
理
＝(h
1-h0)
×
tanα其中r为钢环半径，h0为钢环中心标高，α为钢环平面与独立坐标系z轴夹角，采用编程计算器将转换程序编入，实现观测现场快速计算；步骤六：将步骤四中的实测坐标和步骤五中的理论坐标进行差运算；步骤七：根据步骤六中差运算所得值正负号为纠偏方向，差值绝对值为纠偏量的规则，指导安装部件的纠正；步骤八：重复步骤三～七直至步骤六的差运算所得值满足设计要求即门洞圈钢环到达设计位置。2.根据权利要求1所述的大直径拼装式盾构预埋钢环安装定位的测量方法，其特征在于：步骤六中的差运算所得值中：测点x方向差值即为设计轴线方向的纵向偏差，y则为钢环弦长方向的横向偏差。

技术总结
本发明涉及一种大直径拼装式盾构预埋钢环安装定位的测量方法，其步骤为：1、建立独立坐标系；2、测控点的布设及使用可编程计算器转换独立坐标；3、全站仪架设；4、测设粗定位的拼装式门洞圈钢环三维坐标；5、使用可编程计算器计算出测设点高程下的理论坐标；6、将理论坐标与实测钢环坐标进行差运算，7、根据差值(正负为方向，差值绝对值为纠偏量)进行纠偏；8、重复步骤4～7直至钢环到达设计位置。本发明具有安装精度高、操作简单、安装效率高、效果好等特点，能够实时给出纠偏数据，快速指导安装定位，使得钢环精准快速到达设计位置，提高工作效率、保证工程质量。适用于大直径拼装式门洞圈钢环安装定位工程。钢环安装定位工程。钢环安装定位工程。


技术研发人员：徐海徽 徐伟 金仁兴 钱美刚 丁东强 李呈旸 吕磊 唐庆 汪家来 张微尚 孟庆雷
受保护的技术使用者：上海市基础工程集团有限公司
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/9/20