盾构隧道管片超前量测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于盾构掘进施工技术领域，具体涉及一种盾构隧道管片超前量测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]盾构隧道曲线部分是通过管片楔形量控制拟合出来的，而且从整个盾构掘进过程来看，盾构机是一个蛇形前进的过程，以隧道中心线为基准，考虑盾尾间隙的影响等因素，利用管片的楔形量不断调整盾构机姿态，确保成型隧道偏差在允许偏差范围内。
[0003]管片选型时，点位选择不同，则对应的纠偏方向就不同，对于管片选型而言，在考虑盾尾间隙及盾构机趋向之外，更重要的是要考虑当前管片端面的法线方向，也就是管片超前量，只有快速、准确的测量获取当前管片端面的超前量，才能正确地选型，才能正确地纠偏。
[0004]目前盾构施工管片选型考虑因素主要是:①盾构机姿态与隧道中心线关系；②油缸的行程差(推进油缸+铰接油缸)；③盾尾间隙。在三个因素中，油缸的行程差能间接反映管片的超前量，但是二者存在一个相互抵消的关系，尤其是在盾构机姿态偏差较大，需要纠偏时，单纯看油缸行程差很难发现问题。例如:某项目盾构机姿态水平方向左偏约70_，需要向右纠偏，通过分区推力控制，改变油缸形成差，当左侧油缸行程比右侧油缸行程长15mm左右时，后部管片出现了较大的错台和开裂情况，且通过分区油缸的开启和关闭及油压控制，推力达到正常推力1.2倍以上仍然难以形成左右行程差。后来通过管片超前量测量发现，管片右超前60mm，即管片有非常明显的向左的趋向，管片选型不合理，导致纠偏困难，出现管片开裂。
[0005]目前，管片选型还是属于一种较为粗放的计算和管理方式，实际施工中考虑:①盾构机姿态与隧道中心线关系；?油缸的行程差(推进油缸+铰接油缸)；③盾尾间隙三个因素，大概判断一个趋向，用于推定管片拼装点位选择，并没有进行严格的计算，尤其是当前管片端面的超前量没有一个好的测量方法，为准确的管片选型也造成了技术上的瓶颈，进而影响成型隧道质量。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计合理、实现方便且成本低、使用操作方便的盾构隧道管片超前量测量装置。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种盾构隧道管片超前量测量装置，其特征在于:包括长方体形状的基体和嵌入安装在基体前端的激光指示器，所述基体内部设置有为激光指示器供电的供电电源，所述基体的侧壁上设置有电源开关和管水准器，所述电源开关串联在所述供电电源为激光指示器供电的供电回路中，所述基体顶部设置有测量手柄，所述基体前端底部设置有管片内弧面对齐线和与全站仪配套使用的棱镜。
[0008]上述的盾构隧道管片超前量测量装置，其特征在于:所述棱镜为徕卡Mini小棱镜。
[0009]上述的盾构隧道管片超前量测量装置，其特征在于:所述供电电源为电池。
[0010]本发明还提供了一种能够准确、方便、快捷地测量盾构隧道管片超前量，为准确进行管片选型提供了数据支持的盾构隧道管片超前量测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤:
[0011]步骤一、盾构隧道管片上测量点三维坐标的测量，具体过程为:
[0012]步骤101、利用盾构隧道管片超前量测量装置中的管水准器和激光指示器在盾构隧道管片端面左右两侧水平直径位置处或弦处找到左测点和右测点，作为两个测量点并在左测点和右测点位置处作测量标志；所述左测点和右测点均与全站仪通视；
[0013]步骤102、在盾构隧道管片端面顶部找到盾构隧道管片端面的顶点，作为第三个测量点并在盾构隧道管片端面的顶点处作测量标志；
[0014]步骤103、手持盾构隧道管片超前量测量装置，使基体的底部紧贴盾构隧道管片的端面，并使盾构隧道管片内弧面对齐管片内弧面对齐线，采用全站仪测量棱镜，获取左测点、右测点和盾构隧道管片端面的顶点的三维坐标；
[0015]步骤二、对盾构隧道管片上测量点的三维坐标进行分析处理，得到盾构隧道管片的超前量，具体过程为:
[0016]步骤201、利用CAD软件对左测点、右测点和盾构隧道管片端面的顶点的三维坐标进行空间圆拟合，具体过程为:
[0017]步骤2011、根据左测点、右测点和盾构隧道管片端面的顶点的三维坐标，以左测点、右测点和盾构隧道管片端面的顶点为三角形的三个顶点，使用CAD软件中的三维多段线命令在CAD三维空间中建立一个三角形；
[0018]步骤2012、使用CAD软件中的拉伸命令，将步骤2011中建立的三角形拉伸Im?5m，形成一个实体；
[0019]步骤2013、使用CAD软件中的UCS坐标变换命令，选择面选项，以步骤2011中建立的三角形面为XOY平面建立XOY平面坐标系；
[0020]步骤2014、使用CAD软件中的画圆命令，在步骤2013中建立的XOY平面坐标系中，以左测点、右测点和盾构隧道管片端面的顶点为基点画圆；
[0021]步骤2015、使用CAD软件的对象捕捉功能，找到步骤2014中所画的圆的顶点、底点、左点和右点，并使用CAD软件中的画线命令，连接步骤2014中所画的圆的顶点和底点，并连接步骤2014中所画的圆的左点和右点；
[0022]步骤2016、选择CAD软件中的三维视图的仰视命令，将XOY平面坐标系变换为工程坐标系，并采用CAD软件中的点坐标标注命令，获得步骤2014中所画的圆的顶点、底点、左点和右点的工程坐标；
[0023]步骤202、在盾构隧道的CAD平面设计图中，量取盾构隧道管片的超前量，具体过程为:
[0024]步骤2021、打开盾构隧道的CAD平面设计图，所述盾构隧道的CAD平面设计图中绘制有盾构隧道中心线；
[0025]步骤2022、在盾构隧道的CAD平面设计图中，找到与步骤2016中获得的圆的左点和右点的工程坐标对应的盾构隧道的左点和右点的位置；
[0026]步骤2023、分别从盾构隧道的左点和右点向盾构隧道中心线(9)做垂线，得到盾构隧道的左点垂足A和盾构隧道的右点垂足B，使用CAD软件中的测量距离命令，量取盾构隧道的左点垂足A和盾构隧道的右点垂足B之间的距离L，当盾构隧道的左点垂足A与盾构隧道的右点垂足B相比在盾构机掘进方向的前方时，量取到的距离L为盾构隧道管片端面的左超前量；当盾构隧道的右点垂足B与盾构隧道的左点垂足A相比在盾构机掘进方向的前方时，量取到的距离L为盾构隧道管片端面的右超前量；
[0027]步骤2024、在盾构隧道的CAD平面设计图中，找到与步骤2016中获得的圆的顶点对应的盾构隧道中心线上的点C和与步骤2016中获得的圆的底点对应的盾构隧道中心线上的点D，并连接点C和点D，构成线段CD，使用CAD软件中的测量距离命令，量取线段CD的长度S，当点C与点D相比在盾构机掘进方向的前方时，量取到的线段CD的长度S为盾构隧道管片端面的上超前量；当点D与点C相比在盾构机掘进方向的前方时，量取到的线段CD的长度S为盾构隧道管片端面的下超前量。
[0028]上述的方法，其特征在于:步骤101中在左测点和右测点位置处作测量标志以及步骤102中在顶点处作测量标志均采用记号笔作测量标志。
[0029]上述的方法，其特征在于:步骤2012中将步骤2011中建立的三角形拉伸3m。
[0030]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0031]1、本发明盾构隧道管片超前量测量装置的结构简单，设计合理，实现方便且成本低。
[0032]2、本发明测量盾构隧道管片超前量时的外业工作量小，不用搭设辅助测量脚手架，在盾尾操作平台上即可放置管片超前量测量仪，然后直接利用盾构机导向系统全站仪进行测量，准确、方便、快捷，大大节省了人力、物力，缩短了测量时间，也减少了测量过程中的安全风险。
[0033]3、本发明利用CAD相关功能，直接对测量的三个空间点进行空间圆拟合，获取当前管片端面的法截面，进而获取顶点、底点、左点、圆心和右点坐标，通过与该里程位置的隧道中心线进行比对，获取管片在水平方向和垂直方向的超前量，方法简单，计算快捷，精度高，为准确进行管片选型提供数据支持，从而提升纠偏效率，提高成型隧道质量，在盾构施工中，尤其是采用通用环的盾构隧道施工及盾构隧道较大偏差纠偏中有很好的社会效益和经济效益。
[0034]4、本发明解决了准确的管片选型技术上的难题，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
[0035]综上所述，本发明能够准确、方便、快捷地测量盾构隧道管片超前量，大大节省了人力、物力，为准确进行管片选型提供了数据支持，有助于提高成型隧道质量，实用性强，便于推广使用。
[0036]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0037]图1为本发明盾构隧道管片超前量测量装置的立体图。
[0038]图2为图1的后视图。
[0039]图3为本发明对左测点、右测点和盾构隧道管片端面的顶点的三维坐标进行空间圆拟合的示意图。
[0040]图4为本发明在盾构隧道的CAD平面设计图中量取盾构隧道管片的左超前量或右超前量的结构示意图。
[0041]图5为本发明在盾构隧道的CAD平面设计图中量取盾构隧道管片的上超前量或下超前量的结构示意图。
[0042]附图标记说明:
[0043]I一基体；2—激光指不器；3 —电源开关；
[0044]4 一管水准器；5—管片内弧面对齐线；6—棱镜；
[0045]7一测量手柄；8—实体；9一盾构隧道中心线。
【具体实施方式】
[0046]如图1和图2所示，本发明的盾构隧道管片超前量测量装置，包括长方体形状的基体I和嵌入安装在基体I前端的激光指示器2，所述基体I内部设置有为激光指示器2供电的供电电源，所述基体I的侧壁上设置有电源开关3和管水准器4，所述电源开关3串联在所述供电电源为激光指示器2供电的供电回路中，所述基体I顶部设置有测量手柄7，所述基体前端底部设置有管片内弧面对齐线5和与全站仪配套使用的棱镜6。打开电源开关3后，激光指不器2发射激光。
[0047]本实施例中，所述棱镜6为徕卡Mini小棱镜。所述供电电源为电池。
[0048]本发明的盾构隧道管片超前量测量方法，包括以下步骤:
[0049]步骤一、盾构隧道管片上测量点三维坐标的测量，具体过程为:
[0050]步骤101、利用盾构隧道管片超前量测量装置中的管水准器4和激光指示器2在盾构隧道管片端面左右两侧水平直径位置处或弦处找到左测点和右测点，作为两个