1、盾构初始姿态测量目的

盾构机（英文Tunnel Boring Machine，以下简称“TBM”）掘进前，也即施工现场的始发调试阶段，必须对激光靶与TBM轴线的几何关系进行精确定位，才能确保TBM掘进时计算出准确的当前位置姿态。

因此，TBM在工厂建造过程中，通常通过一套准确的测量方法精确地测定设置在TBM结构上的多个参考点与TBM轴线的几何关系（正因为此，盾构初始姿态测量也经常被大家称为“工厂测量”），使得项目现场的测量工程师能更便捷、快速地测定当前TBM的位置姿态；同时，当TBM在掘进隧道过程中，一旦发生异常情况，可通过设置在TBM上的多个参考点进行人工检测TBM位置姿态，以指导TBM掘进，使隧道顺利实现贯通。

因此，TBM是初始姿态测量（工厂测量）的目的，可以用一句话概括：

确定参考点与TBM在同一个钢体内的相对空间位置关系。

测量原理

通过确定TBM两个断面与参考点的位置关系，也就是两个断面的中心坐标与参考点的关系。并且TBM是个筒体，就可以用这两个断面的中心坐标来定义出TBM的中心轴线，也就获取了参考点与TBM中心轴线的位置关系。

2、盾构坐标系定义

盾构机局部坐标系的定义：

坐标系原点设在TBM前筒切口断面的中心，向刀盘方向为X轴正方向，反之向盾尾方向为X轴负方向；向刀盘方向右侧为Y轴正方向，反之向刀盘左侧为Y轴负方向；向刀盘方向上方为Z轴正方向，反之向下为Z轴负方向，如图1、图2所示。

图1 TBM坐标系视图

图2 TBM坐标系视

通过这样的局部坐标系获得的坐标，习惯称为“盾构小坐标”。

以这样的盾构小坐标定义方式，用户根据特征点盾构小坐标可以直接了解特征点与盾体的位置关系。可以指导用户判断现场点位是否测量正确。

另外，不同厂家导向系统的坐标系定义不同，这一点使用时需要注意：

国内导向系统的小坐标通常是（X,Y,Z），其中 X 为里程方向（向刀盘方向为正，向盾尾为负），Y代表左右方向（顺着刀盘方向，左边为负，右边为正）；

德系导向系统的小坐标是（Y,X,Z），而且不论哪种铰接类型，都是以切口和激光靶所在位置建立坐标系；

日系导向测量系统不论哪种铰接类型，自身系统计算的小坐标都是以切口和棱镜所在位置建立的坐标系。

3、盾构参考点布设

参考点一般都布设在中盾支撑环，尽可能多地布设，以覆盖整个支撑环。‍

参考点布设要求

测量通视
在现场使用的测量通道方向多布设
参考点间最大横向距离要尽可能拉大
不宜均布设在同一横断面，纵向距离要拉开
参考点位置适宜以尽可能多的满足后期现场使用
点位分布不易被破坏

4、盾构初始姿态数据测量

以被动铰接为例，需测量切口和铰接中心轴断面(主动铰接则需测量铰接和盾尾中心轴断面)：

在TBM主体四周建立一个坐标控制网，通过控制网的多个控制点，选择测量切口环的中心轴圆形断面和铰接处的圆形断面，分别在圆形断面的圆周上选择若干点并测量，通过最小二乘法拟合空间圆，分别计算出切口断面中心、铰接断面中心，该两点的连线即为TBM中心轴线，同时采集布设参考点的三维坐标。

TBM中心轴线断面测量也是确定TBM初始姿态时需用关键步骤，通常用“分中法”、“侧边法”和“空间圆法”三种测量方法确立TBM中心轴线。

空间圆法，通常在工厂里做初始姿态测量常用。测量空间大，整个断面四周都能观测到，精度高；如果用分中法和侧边法，还需要爬高至盾构机顶部去找安置反射贴片或小棱镜的测量位置，不仅不够安全，也没有太大必要。
分中法，常用于在项目现场做初始姿态测量，偶有采用圆拟合法做辅助检核。由于项目现场测量空间有限，一个测站能测得的断面覆盖范围较小，通常需要多次架站才能完成测量，转站测量的精度与单个测站精度相较会略有降低，所以精度有效性不能很好保证，这也是项目现场不建议用空间圆法而采用分中法的原因。
侧边法，因为用时长、要求高、与筒体椭圆度也有关、且还需要单独测高程等多种原因，此方法使用更少。

TBM中心轴断面测量方法

分中法

分中法是测量盾构机外壳盾首、铰接圆周上两个高程相同点之间的弧长，然后取弧长的中心，从而得到盾构中心的坐标。测量流程见图3-1所示。

通过分中法分别找到盾首和铰接外壳的中点；
然后利用全站仪测量盾首、铰接两个点顶部的三维坐标，同时根据点位所在机器外壳的直径，高程减去半径即得中心高程，从而得到盾构机轴线的盾首和铰接中心的三维坐标；
盾构机的初始滚动角是测量盾构机内与盾构机竖直轴线对称的两个点的高差和水平距离，从而计算出盾构机的滚动角（顺时针滚动为正，逆时针滚动为负）。

图3-1 分中法测量

侧边法

侧边法是测量盾构机外壳直径处的平面坐标，盾首、铰接各测一个点，同时测量盾首、铰接外壳顶的高程，测量流程见图3-2、图3-3、图3-4。

根据实际情况，先在盾构机外壳顶部的盾首、铰接用钢丝各向下悬挂一个重锤，保持钢丝的铅直，并在钢丝上贴反射片，用全站仪测量两个贴片中心的平面坐标，然后量取钢丝各自到盾首、铰接的距离并记录；
同时测量盾壳顶部首尾两点的高程；
盾构机的初始滚动角是测量盾构机内与盾构机竖直轴线对称的两个点的高差和水平距离，从而计算出盾构机的滚动角（顺时针滚动为正，逆时针滚动为负）。

图3-2 侧边法测量

图3-3 侧边法计算

图3-4 侧边法高程测量

空间圆法

空间圆法，也称支撑环法，是测量盾构机主体内的圆形结构支撑环圆周上多个点的三维坐标，采用空间多点拟合圆心的方法，计算出圆心坐标和法向量，从而计算出盾首、盾铰接中心的三维坐标的方法。此方法是测量支撑环得到该中心断面的三维坐标和盾构机轴向的方位角、俯仰角，再结合该断面至盾首和铰接的距离，利用直线延长即得所需切口和铰接中心轴断面的三维坐标。

（若条件允许，可分别独立测量切口和铰接中心轴断面。）