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摘 要：顶管法施工由于具有施工简便、精度高、速度快、成本低、安全、质量好、对周围环境影响小等优点，已经广泛应用于城市地下隧道工程施工，而矩形顶管相对于圆形顶管而言更具有提高截面空间使用率、减少对地层净空要求、美观舒适等特点，但是矩形顶管姿态测量较为繁琐，本文以深圳地铁7号线华～华区间矩形顶管项目为案例，结合目前常用测量方法并且借助Excel中简单计算公式提出一种简单的矩形顶管姿态测量方法。
关键词：矩形顶管；姿态；测量
1目前常用矩形顶管机姿态测量方法
矩形顶管姿态测量常用方法有两种，第一种为参考圆形顶管的传统测量方法，第二种为参考盾构施工的三点测量法。
1.1传统测量方法
1.1.1测量原理及特点
传统测量方法是使用激光经纬仪配合顶管机自带的倾角仪推算顶管机姿态。这种方法的优点：成本低，操作简单，对操作人员专业技能要求低，实时反馈测量结果，直观易懂，顶进前可根据现场实际情况调整靶心位置；缺点：不能用于曲线顶管，无法测量顶进里程和绝对坐标，测量精度低，顶管机自带倾角仪因长期在震动、潮湿等恶劣环境中工作容易损坏或失灵。
1.1.2姿态计算方法
使用激光经纬仪发射出一条平行于顶管设计轴线的激光束，顶进过程中，通过观察、记录靶心上激光点偏移量推算顶管机当前状态，激光束在靶心上的偏移量即为顶管机靶心断面的偏移量。
靶心距刀盘中心点距离记为A，靶心距刀机尾心点距离记为B，读取激光点在靶心上的偏移量，水平偏移量记为X1，垂直偏移量记为Y1，读取顶管机倾角仪度数，仰/俯角（也叫竖向偏角、竖向摆角等）记为α，水平偏角（也叫水平摆角、横摆角，横偏角、偏角等）记为β，扭转角（也叫滚动角、偏转角）记为θ。
刀盘中心垂直偏移量为：Y1+Asinα
刀盘中心水平偏移量为：X1+Asinβ
机尾中心垂直偏移量为：Y1-Bsinα
机尾中心水平偏移量为：X1-Bsinβ
扭转角为：θ
1.2三点测量法
1.2.1测量原理及特点
三点测量法是通过测量顶管机上任意三个已知点（不在同一直线上）的三维坐标，结合这三个点与刀盘、机尾中心点的相对位置关系，根据空间解析几何的原理，推算出刀盘、机尾中心点的三维坐标以及仰/俯角、水平偏角、扭转角的方法，这种方法的优点：可用于曲线顶管，测量精度高，可以准确测量顶管机的绝对坐标，由于测量系统独立所以不受頂管机振动和噪音影响，可根据实际情况布置测点，测量时可有选择性的进行测量，可借助电脑提高数据处理速度；缺点：间断性测量，在测量过程中不能顶进，测量数据处理复杂，虽可借助电脑计算，但计算公式需专业人员编制，对人员专业技能要求较高。
1.2.2姿态计算方法
首先在顶管机机头上布置测点（三个以上，并且不再同一直线上），测点应选择在通视条件良好且不容易被破坏的地方，为了提高测量精度，各测点之间的距离应尽量加大，一般情况下顶管机上、下、左、右都应该被测点覆盖。
在顶进之前，先分别测出各测点距离刀盘中心、机尾中心的距离，分别记为L首1 、L首2、 L首3 、L未1、 L未2 、 L未3 ，在顶管机顶进过程中，这些距离是保持不变的，根据这一特性，可以通过测点的当前三维坐标推算出刀盘中心和机尾中心的当前三维坐标，将这两点连接为一条直线即为顶管机当前物理轴线，通过与顶管设计轴线对比，即可得到顶管机当前姿态及偏移数据。
设刀盘中心坐标为（X首，Y首，Z首）
机尾中心坐标为（X末，Y末，Z末）
计算顶管机姿态之前，需先测量至少三个测点的三维坐标，测点实测坐标记录如下：
1号测点实测坐标（X1，Y1，Z1）
2号测点实测坐标（X2，Y2，Z2）
3号测点实测坐标（X3，Y3，Z3）
列方程组如下：
解以上方程组可以得出两组解，根据施工需求进行取舍。
根据设计图纸计算出当前里程顶管机设计坐标，表示如下：
刀盘中心设计坐标为（X首‘，Y首‘，Z首‘）
机尾中心设计坐标为（X末‘，Y末‘，Z末‘）
顶管机姿态计算如下：
刀盘中心垂直偏移量为：Z首 -Z首‘
刀盘中心水平偏移量为：Y首 -Y首‘
机尾中心垂直偏移量为：Z末 -Z末‘
机尾中心水平偏移量为：Y末 -Y末‘
2.矩形顶管姿态测量简化方法
2.1测量原理及特点
此方法结合了以上两种测量方法的特点，可以准确测出顶管机的绝对位置，并且可以借助Excel中简单的公式在电脑或手机上自动计算结果，提高测量效率、降低计算错误率。
测量原理：先任意选定顶管机某一横截面为测量断面，测出此断面距刀盘中心的距离（L首）、机尾的距离（L末）作为姿态计算的常数，然后利用全站仪测出此横截面中心点（参考点O）的三维坐标（XO、YO、ZO），然后再分别测出顶管机的仰/俯角（α）、水平偏角（β）、扭转角（θ），根据以上数据分别计算出刀盘中心点的三维坐标（X首，Y首，Z首）、机尾中心点的三维坐标（X末，Y末，Z末），即可准确得知顶管机当前姿态和绝对位置。
2.2姿态计算方法
2.2.1里程计算
先用全站仪测出O点的三维坐标（XO、YO、ZO），根据实测坐标计算计算出O点的当前里程，分别加上L首、L末在顶进方向的坐标增量，即可算出当前顶管机刀盘的里程和机尾的里程。
2.2.2姿态计算
在测量断面上下左右布置四个测点，测点1、2需平行于顶管机竖向轴线布置，测点3、4需平行于顶管机水平轴线布置，为了提高计算精度，各测点间距离应尽量加大。
根据设计图纸和实测里程计算出顶管机当前里程的刀盘中心、机尾中心设计坐标：
刀盘中心设计坐标为（X首，Y首，Z首）
机尾中心设计坐标为（X末，Y末，Z末）
用全站仪分别测出各测点的实际坐标，记录如下
O号测点实测坐标（XO，YO，ZO）
1号测点实测坐标（X1，Y1，Z1）
2号测点实测坐标（X2，Y2，Z2）
3号测点实测坐标（X3，Y3，Z3）
4号测点实测坐标（X4，Y4，Z4）
仰/俯角α计算：
水平偏角β计算：
扭转角θ计算：
刀盘中心实测坐标为：（XO+L首，YO+ βL首，ZO+αL首）
机尾中心实测坐标为：（XO-L末，YO- βL末，ZO-αL末）
刀盘中心垂直偏移量为：ZO+αL首 -Z首
刀盘中心水平偏移量为：YO+βL首 -Y首
机尾中心垂直偏移量为：ZO-αL末 -Z末
机尾中心水平偏移量为：YO-βL末 -Y末
注：本文是以深圳地铁7号线华～华区间矩形顶管项目实际施工方法编写的，需注意的是此项目顶进方向平行于X轴，所以L首、L末在顶进方向（即X轴方向）的坐标增量在数值上就等于L首、L末本身；L首、L末在Y轴和Z轴上的坐标增量为L首和L末分别乘以α和β。当顶进方向于X轴不平行时，计算L首、L末在X轴、Y轴、Z轴上坐标增量时除了考虑仰/俯角α和水平偏角β之外，还需要考虑设计顶进方位角，刀盘中心和机尾中心的实测坐标为参考点O的三维坐标加上L首、L末在X轴、Y轴、Z轴上的坐标增量。
关键词：矩形顶管；姿态；测量
1目前常用矩形顶管机姿态测量方法
矩形顶管姿态测量常用方法有两种，第一种为参考圆形顶管的传统测量方法，第二种为参考盾构施工的三点测量法。
1.1传统测量方法
1.1.1测量原理及特点
传统测量方法是使用激光经纬仪配合顶管机自带的倾角仪推算顶管机姿态。这种方法的优点：成本低，操作简单，对操作人员专业技能要求低，实时反馈测量结果，直观易懂，顶进前可根据现场实际情况调整靶心位置；缺点：不能用于曲线顶管，无法测量顶进里程和绝对坐标，测量精度低，顶管机自带倾角仪因长期在震动、潮湿等恶劣环境中工作容易损坏或失灵。
1.1.2姿态计算方法
使用激光经纬仪发射出一条平行于顶管设计轴线的激光束，顶进过程中，通过观察、记录靶心上激光点偏移量推算顶管机当前状态，激光束在靶心上的偏移量即为顶管机靶心断面的偏移量。
靶心距刀盘中心点距离记为A，靶心距刀机尾心点距离记为B，读取激光点在靶心上的偏移量，水平偏移量记为X1，垂直偏移量记为Y1，读取顶管机倾角仪度数，仰/俯角（也叫竖向偏角、竖向摆角等）记为α，水平偏角（也叫水平摆角、横摆角，横偏角、偏角等）记为β，扭转角（也叫滚动角、偏转角）记为θ。
刀盘中心垂直偏移量为：Y1+Asinα
刀盘中心水平偏移量为：X1+Asinβ
机尾中心垂直偏移量为：Y1-Bsinα
机尾中心水平偏移量为：X1-Bsinβ
扭转角为：θ
1.2三点测量法
1.2.1测量原理及特点
三点测量法是通过测量顶管机上任意三个已知点（不在同一直线上）的三维坐标，结合这三个点与刀盘、机尾中心点的相对位置关系，根据空间解析几何的原理，推算出刀盘、机尾中心点的三维坐标以及仰/俯角、水平偏角、扭转角的方法，这种方法的优点：可用于曲线顶管，测量精度高，可以准确测量顶管机的绝对坐标，由于测量系统独立所以不受頂管机振动和噪音影响，可根据实际情况布置测点，测量时可有选择性的进行测量，可借助电脑提高数据处理速度；缺点：间断性测量，在测量过程中不能顶进，测量数据处理复杂，虽可借助电脑计算，但计算公式需专业人员编制，对人员专业技能要求较高。
1.2.2姿态计算方法
首先在顶管机机头上布置测点（三个以上，并且不再同一直线上），测点应选择在通视条件良好且不容易被破坏的地方，为了提高测量精度，各测点之间的距离应尽量加大，一般情况下顶管机上、下、左、右都应该被测点覆盖。
在顶进之前，先分别测出各测点距离刀盘中心、机尾中心的距离，分别记为L首1 、L首2、 L首3 、L未1、 L未2 、 L未3 ，在顶管机顶进过程中，这些距离是保持不变的，根据这一特性，可以通过测点的当前三维坐标推算出刀盘中心和机尾中心的当前三维坐标，将这两点连接为一条直线即为顶管机当前物理轴线，通过与顶管设计轴线对比，即可得到顶管机当前姿态及偏移数据。
设刀盘中心坐标为（X首，Y首，Z首）
机尾中心坐标为（X末，Y末，Z末）
计算顶管机姿态之前，需先测量至少三个测点的三维坐标，测点实测坐标记录如下：
1号测点实测坐标（X1，Y1，Z1）
2号测点实测坐标（X2，Y2，Z2）
3号测点实测坐标（X3，Y3，Z3）
列方程组如下：
解以上方程组可以得出两组解，根据施工需求进行取舍。
根据设计图纸计算出当前里程顶管机设计坐标，表示如下：
刀盘中心设计坐标为（X首‘，Y首‘，Z首‘）
机尾中心设计坐标为（X末‘，Y末‘，Z末‘）
顶管机姿态计算如下：
刀盘中心垂直偏移量为：Z首 -Z首‘
刀盘中心水平偏移量为：Y首 -Y首‘
机尾中心垂直偏移量为：Z末 -Z末‘
机尾中心水平偏移量为：Y末 -Y末‘
2.矩形顶管姿态测量简化方法
2.1测量原理及特点
此方法结合了以上两种测量方法的特点，可以准确测出顶管机的绝对位置，并且可以借助Excel中简单的公式在电脑或手机上自动计算结果，提高测量效率、降低计算错误率。
测量原理：先任意选定顶管机某一横截面为测量断面，测出此断面距刀盘中心的距离（L首）、机尾的距离（L末）作为姿态计算的常数，然后利用全站仪测出此横截面中心点（参考点O）的三维坐标（XO、YO、ZO），然后再分别测出顶管机的仰/俯角（α）、水平偏角（β）、扭转角（θ），根据以上数据分别计算出刀盘中心点的三维坐标（X首，Y首，Z首）、机尾中心点的三维坐标（X末，Y末，Z末），即可准确得知顶管机当前姿态和绝对位置。
2.2姿态计算方法
2.2.1里程计算
先用全站仪测出O点的三维坐标（XO、YO、ZO），根据实测坐标计算计算出O点的当前里程，分别加上L首、L末在顶进方向的坐标增量，即可算出当前顶管机刀盘的里程和机尾的里程。
2.2.2姿态计算
在测量断面上下左右布置四个测点，测点1、2需平行于顶管机竖向轴线布置，测点3、4需平行于顶管机水平轴线布置，为了提高计算精度，各测点间距离应尽量加大。
根据设计图纸和实测里程计算出顶管机当前里程的刀盘中心、机尾中心设计坐标：
刀盘中心设计坐标为（X首，Y首，Z首）
机尾中心设计坐标为（X末，Y末，Z末）
用全站仪分别测出各测点的实际坐标，记录如下
O号测点实测坐标（XO，YO，ZO）
1号测点实测坐标（X1，Y1，Z1）
2号测点实测坐标（X2，Y2，Z2）
3号测点实测坐标（X3，Y3，Z3）
4号测点实测坐标（X4，Y4，Z4）
仰/俯角α计算：
水平偏角β计算：
扭转角θ计算：
刀盘中心实测坐标为：（XO+L首，YO+ βL首，ZO+αL首）
机尾中心实测坐标为：（XO-L末，YO- βL末，ZO-αL末）
刀盘中心垂直偏移量为：ZO+αL首 -Z首
刀盘中心水平偏移量为：YO+βL首 -Y首
机尾中心垂直偏移量为：ZO-αL末 -Z末
机尾中心水平偏移量为：YO-βL末 -Y末
注：本文是以深圳地铁7号线华～华区间矩形顶管项目实际施工方法编写的，需注意的是此项目顶进方向平行于X轴，所以L首、L末在顶进方向（即X轴方向）的坐标增量在数值上就等于L首、L末本身；L首、L末在Y轴和Z轴上的坐标增量为L首和L末分别乘以α和β。当顶进方向于X轴不平行时，计算L首、L末在X轴、Y轴、Z轴上坐标增量时除了考虑仰/俯角α和水平偏角β之外，还需要考虑设计顶进方位角，刀盘中心和机尾中心的实测坐标为参考点O的三维坐标加上L首、L末在X轴、Y轴、Z轴上的坐标增量。