CN103323814A - 基于rfid标签的地中盾构相对位置测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RFID标签的地中盾构相对位置测量方法，包括如下步骤：在后发盾构的刀盘/面板和隔板上布设复数个RFID标签；将后发盾构始发至一预设对接测量位置；水平钻孔前端的探头与后发盾构刀盘/面板的距离达到预设值；建立空间坐标系；测量并计算探头与后发盾构机隔板中心的相对高程差Δh1和相对水平偏差Δy1；修正相对高程差Δh1和相对水平偏差Δy1；确定始发盾构隔板中心与水平钻孔前端探头的相对高程Δh2和相对水平偏差Δy2；计算获得始发盾构隔板中心和后发盾构隔板中心的相对高程Δh和相对平面偏差Δy。由于采用了本发明，具有精度高、工操作简便，工期短的优点。

Description

基于RFID标签的地中盾构相对位置测量方法

技术领域

本发明涉及一种建筑隧道工程施工技术领域的方法，尤指一种基于RFID标签的地中盾构相对位置测量方法。

背景技术

在我国近几年的城市轨道交通、越江隧道等地下工程建设中，采用了大量先进的施工方法和施工技术。盾构法施工技术由于对地面结构影响较小，对环境无不良影响，工作人员劳动强度低，机械化程度高，工程进度快，隧洞形状准确，质量高等优点，现已成为我国城市轨道交通建设中的重要施工技术。以往，对2条相向掘进的隧道进行接合的时候，是通过设置竖井，在竖井中使双方隧道得以在到达处继续施工。但在建筑密集的城市中，地面条件不允许竖井的施工时，必须采用不设置竖井的方法来进行隧道的接合，即盾构的地中对接。相较传统的竖井对接法，地中对接法可以减少对地面交通的影响并缩短工期。盾构的地中对接施工离不开对盾构相对位置的精确测量，目前国内的地中盾构相对位置确定主要采用传统的导线高程测量方法，通过盾构始发工作井将地面的平面坐标和高程体系引入隧道中，分别测量两盾构机的平面坐标和高程就可以计算出两者的相对位置。但是随着隧道掘进长度的不断增加，测量所引起的误差也不断累积最终使得测量精度无法满足盾构对接的技术要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，而提供一种满足地中盾构对接精度要求的基于RFID标签的地中盾构相对位置测量方法，具有精度高、操作简便，工期短的特点。

实现上述目的的技术方案是：

本发明的一种基于RFID标签的地中盾构相对位置测量方法，包括如下步骤：

在后发盾构的刀盘/面板和隔板上布设复数个RFID标签；

将所述后发盾构推进至一预设对接测量位置；

一始发盾构通过一水平钻杆向所述后发盾构方向打设水平钻孔，直至所述水平钻杆的钻头与后发盾构刀盘/面板的距离达到预设值，随后将钻头沿所述水平钻孔撤回所述始发盾构机，并在所述水平钻孔前端设置探头；

以所述后发盾构隔板中心为坐标原点建立空间坐标系；

测量并计算所述探头与所述后发盾构机隔板中心的相对高程差Δh1和相对水平偏差Δy1；

修正所述相对高程差Δh1和所述相对水平偏差Δy1，获得所述相对高程差Δh1的修正值Δh1'和所述相对水平偏差Δy1的修正值Δy1'；

确定所述始发盾构隔板中心与水平钻孔前端探头的相对高程Δh2和相对水平偏差Δy2；

通过Δh1'、Δy1'、Δh2、Δy2计算获得始发盾构隔板中心和后发盾构隔板中心的相对高程Δh和相对平面偏差Δy。

本发明的进一步改进在于，所述测量并计算所述探头与所述后发盾构机隔板中心的相对高程差Δh1'和相对水平偏差Δy1'步骤进一步包括步骤：

确定所述后发盾构的刀盘/面板的开口位置并将所述开口位置与所述水平钻孔对应；

将所述水平钻孔自所述开口位置钻进直至所述钻头抵靠所述后发盾构的隔板，所述钻头沿水平钻孔撤回并在水平钻孔前端设置探头；

通过所述探头发射信号并接收各所述RFID标签的反馈信号，并将反馈信号最强的一RFID标签坐标替代所述探头的坐标并计算所述探头与所述后发盾构机隔板中心的相对高程差Δh1'和相对水平偏差Δy1'。

本发明的进一步改进在于，所述确定所述后发盾构的刀盘/面板的开口位置并将所述开口位置与所述水平钻孔对应步骤进一步包括：

旋转所述后发盾构的刀盘/面板；

所述探头发射信号并接收各所述RFID标签的反馈信号，并得到各所述RFID标签的反馈信号强度随时间变化的波形图；

当所述刀盘/面板旋转至所述波形图中相邻波峰的中间时刻时停止刀盘/面板的旋转。

本发明的进一步改进在于，所述修正所述相对高程差Δh1和所述相对水平偏差Δy1，获得所述相对高程差Δh1的修正值Δh1'和所述相对水平偏差Δy1的修正值Δy1'步骤进一步包括：

测量所述后发盾构的姿态，包括所述后发盾构的旋转角α、俯仰角β和水平偏差角γ；

通过旋转角α和俯仰角β对所述相对高程差Δh1进行修正，获得所述相对高程差Δh1的修正值Δh1'；

通过旋转角α和水平偏差角γ对所述相对水平偏差Δy1进行修正，获得所述相对水平偏差Δy1的修正值Δy1'。

本发明的进一步改进在于，所述空间坐标系包括一第一右手直角坐标系OXYZ和一第二右手直角坐标系OX’Y’Z’;

其中所述第一右手直角坐标系OXYZ不考虑盾构姿态的偏差，以所述后发盾构隔板中心为原点O，以所述刀盘/面板外法线方向为X轴正向，以铅垂线在所述刀盘/面板的投影线为Z轴的正向建立；

所述第二右手直角坐标系OX’Y’Z’考虑盾构姿态偏差的影响，以所述后发盾构隔板中心为原点O，以考虑角度偏差后的所述刀盘/面板外法线方向为X’轴正向，以考虑角度偏差后的铅垂线在所述刀盘/面板的投影线为Z’轴的正向建立。

本发明的进一步改进在于，所述相对高程差Δh1的修正值Δh1'通过如下公式获得：

$\mathrm{\Δh}{1}^{\′}=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}*\cos (\mathrm{\α}+{\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}})*\cos \left(\mathrm{\β}\right)$

其中，y′_b为反馈信号最强的RFID标签坐标点在OX’Y’Z’坐标系下Y’方向的坐标值；z′_b为反馈信号最强的RFID标签坐标点在OX'Y'Z'坐标系下的Z'方向坐标值。

本发明的进一步改进在于，所述相对水平偏差Δy1的修正值Δy1'通过如下公式获得：

$\mathrm{\Δy}{1}^{\′}=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}*\sin (\mathrm{\α}+{\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}})*\cos \left(\mathrm{\γ}\right).$

本发明的进一步改进在于，所述始发盾构隔板中心和后发盾构隔板中心的相对高程Δh和相对平面偏差Δy通过如下公式计算获得：

$\mathrm{\Δh}=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}*\cos (\mathrm{\α}+{\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}})*\cos \left(\mathrm{\β}\right)+\mathrm{\Δh}2;$

$\mathrm{\Δy}=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}*\sin (\mathrm{\α}+{\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}})*\cos \left(\mathrm{\γ}\right)+\mathrm{\Δy}2.$

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果是：

有效避免了传统导线高程测量误差随隧道推进长度增加而增加的缺陷；测量时只需打设一次水平钻孔就可确定盾构的相对位置，施工操作简便，工期短。

附图说明

图1为本发明后发盾构刀盘/面板上RFID标签的布设示意图；

图2为本发明后发盾构隔板上RFID标签的布设形式；

图3为本发明两盾构地中相对位置测量示意图；

图4为本发明各RFID标签的反馈信号强度随时间变化的波形图；

图5为本发明盾构姿态测量示意图；

图6为本发明测量探杆与后发盾构隔板中心相对高程Δh1时的旋转角α修正示意图；

图7本发明测量探杆与后发盾构隔板中心相对高程Δh1时的俯仰角β修正示意图；

图8本发明测量探杆与后发盾构隔板中心相对水平偏差Δy1时的旋转角α修正示意图；

图9本发明测量探杆与后发盾构隔板中心相对水平偏差Δy1时的水平偏差角γ修正示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

RFID标签的定位原理主要如下：RFID标签接受到探头所发射出的无线电信号后随即会发射一反馈信号，该反馈信号随即被探头所捕获。由于无线电信号强度随传播距离增加而衰减，因此得知RFID标签反馈信号的强度后即可以确定标签与探头空间距离的远近，反馈信号越强，标签与探头的空间距离越近。

本发明的一种基于RFID标签的地中盾构相对位置测量方法，包括如下步骤：

（1）请参阅图1、2，在后发盾构的刀盘/面板1和隔板上布设复数个RFID标签2；

（2）请参阅图1、3，将后发盾构推进至一预设对接测量位置；

一始发盾构31通过一水平钻孔311向后发盾构32方向打设水平钻孔，直至水平钻孔311的钻头与后发盾构刀盘/面板1的距离达到预设值；

采用激光经纬仪进行水平钻孔的导向，确保钻探的精度满足工程要求，钻孔结束后撤回钻头并在水平钻孔311前端设置探头（信号发射装置）。

（3）以后发盾构隔板321中心为坐标原点建立空间坐标系；

空间坐标系包括一第一右手直角坐标系OXYZ和一第二右手直角坐标系OX’Y’Z’;

其中第一右手直角坐标系OXYZ不考虑盾构姿态的偏差，以后发盾构隔板中心为原点O，以刀盘/面板外法线方向为X轴正向，以铅垂线在刀盘/面板的投影线为Z轴的正向建立；

第二右手直角坐标系OX’Y’Z’考虑盾构姿态偏差的影响，以后发盾构隔板中心为原点O，以考虑角度偏差后的刀盘/面板外法线方向为X’轴正向，以考虑角度偏差后的铅垂线在刀盘/面板的投影线为Z’轴的正向建立。第二右手直角坐标系OX’Y’Z’可以通过旋转角α、俯仰角β和水平偏差角γ由第一右手直角坐标系OXYZ变换而来。具体是以后发盾构隔板321中心为原点O，以刀盘/面板1外法线方向为X轴正向，以铅垂线在刀盘/面板1的投影线为Z轴的正向建立右手直角坐标系。

（4）测量并计算探头与后发盾构机隔板321中心的相对高程差Δh1和相对水平偏差Δy1，包括步骤：

a.确定后发盾构的刀盘/面板1的开口位置并将开口位置与水平钻孔对应，即：

旋转后发盾构32的刀盘/面板1；

信号发射装置发射无线信号并接收各RFID标签2的反馈信号，并得到如图4所示的各RFID标签2的反馈信号强度随时间变化的波形图；

当刀盘/面板1旋转至波形图中相邻波峰的中间时刻时停止刀盘/面板1的旋转此时水平钻孔311所对应的位置即为刀盘/面板1的开口位置。

b.将钻头自开口位置钻进直至钻头抵靠后发盾构的隔板321，将钻头沿水平钻孔311撤回并在其前端安装探头；

c.通过探头（信号发射装置）发射无线信号并接收各RFID标签2的反馈信号，并将反馈信号最强的一RFID标签2坐标替代探头的坐标并计算探头与后发盾构机隔板321中心的相对高程差Δh1和相对水平偏差Δy1。

例如：标签B的反馈信号最强，则标签B与探杆的前端最为接近，此时可以用标签B的坐标（By，Bz）近似代替探杆前端的坐标。近似得到探杆前端与后发盾构隔板321中心的相对高差Δh1=Bz，相对水平偏差Δy1=By。

（5）请参阅图5，修正相对高程差Δh1和相对水平偏差Δy1，获得相对高程差Δh1的修正值Δh1'和相对水平偏差Δy1的修正值Δy1'，包括步骤：

a.测量后发盾构32的姿态，包括后发盾构32的旋转角α、俯仰角β和水平偏差角γ；

b.通过旋转角α和俯仰角β对相对高程差Δh1进行修正，获得相对高程差Δh1的修正值Δh1'；

盾构机在掘进过程中并不可能严格按照设计轴线进行推进，盾构机的轴线与设计轴线会产生一定的偏差角并对相对位置测量结果产生影响。

参照图6，针对盾构机旋转角α所引起的误差，有如下的几何关系:

Δh1α＝r*cos(α+θ)    (1)

$r=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}}---\left(3\right)$

其中，Δh1α为相对高程Δh1经俯仰角α修正后的值；r为隔板上反馈信号最强的标签B点在OYZ平面的投影点b1与坐标原点O的距离；θ为OX'Y'Z'坐标系下，B点和坐标原点O构成的直线与Z'轴的夹角在OYZ平面的投影角；y′_b为B点在OX'Y'Z'坐标系下的Y'方向坐标值；y′_b为B点在OX'Y'Z'坐标系下的Z'方向坐标值。

因此，经过旋转角α修正后的相对高程差Δh1α由式（4）计算：

$\mathrm{\Δh}1\mathrm{\α}=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}*\cos (\mathrm{\α}+{\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}})---\left(4\right)$

参照图7，针对盾构机俯仰角β所引起的误差，有如下的几何关系:

Δh1′＝Δh1α*cos(β)    (5)

最终探杆前端与隔板中心的相对高程差Δh1可以采用式（6）计算：

$\mathrm{\Δh}{1}^{\′}=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}*\cos (\mathrm{\α}+{\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}})*\cos \left(\mathrm{\β}\right)---\left(6\right)$

c.通过旋转角α和水平偏差角γ对相对水平偏差Δy1进行修正，获得相对水平偏差Δy1的修正值Δy1'。

参照图8，针对盾构机旋转角α所引起Δy1的误差，有如下的几何关系：

Δy1α＝r*sin(α+θ)  (7)

$r=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}---\left(8\right)$

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}}---\left(9\right)$

其中，Δy1α为相对水平偏差Δy1经俯仰角α修正后的值，r和θ的含义与式（1）相同

经旋转角α修正后的相对水平偏差Δy1α由式（10）计算：

$\mathrm{\Δy}1\mathrm{\α}=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}*\sin (\mathrm{\α}+{\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}})---\left(10\right)$

参照图9，针对盾构机水平偏差角γ所引起Δy1的误差，有如下的几何关系：

Δy1′＝Δy1α*cos(γ)    (11)

探头与后发盾构机隔板中心的相对水平偏差Δy1'经旋转角α和水平偏角γ修正后，采用式（12）计算：

$\mathrm{\Δy}{1}^{\′}=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}*\sin (\mathrm{\α}+{\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}})*\cos \left(\mathrm{\γ}\right)---\left(12\right)$

（6）确定始发盾构隔板中心与水平钻孔探头前端的相对高程Δh2和相对水平偏差Δy2；

参照图3，采用光学测量等传统手段，测量始发盾构机隔板中心与探头的相对高差Δh2和相对水平偏差Δy2：

（7）通过Δh1'、Δy1'、Δh2、Δy2计算获得始发盾构隔板中心和后发盾构隔板中心的相对高程Δh和相对平面偏差Δy。

参照图3，经过上述的测量分析可知，两盾构隔板中心的相对高差可采用式（13）计算，相对水平偏差可采用式（14）计算：

Δh＝Δh1′+Δh2  (13)

Δy＝Δy1′+Δy2  (14)

代入相关值后，式（13）转化为式（15），式（14）转化为式（16）。

$\mathrm{\Δh}=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}*\cos (\mathrm{\α}+{\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}})*\cos \left(\mathrm{\β}\right)+\mathrm{\Δh}2---\left(15\right)$

$\mathrm{\Δy}=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}*\sin (\mathrm{\α}+{\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}})*\cos \left(\mathrm{\γ}\right)+\mathrm{\Δy}2---\left(16\right)$

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于RFID标签的地中盾构相对位置测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

在后发盾构的刀盘/面板和隔板上布设复数个RFID标签；

将所述后发盾构始发至一预设对接测量位置；

一始发盾构通过一水平钻杆向所述后发盾构方向打设水平钻孔，直至所述水平钻孔的钻头与后发盾构刀盘/面板的距离达到预设值，撤回钻头并在所述水平钻孔前端设置探头；

以所述后发盾构隔板中心为坐标原点建立空间坐标系；

测量并计算所述探头与所述后发盾构机隔板中心的相对高程差Δh1和相对水平偏差Δy1；

修正所述相对高程差Δh1和所述相对水平偏差Δy1，获得所述相对高程差Δh1的修正值Δh1'和所述相对水平偏差Δy1的修正值Δy1'；

确定所述始发盾构隔板中心与所述探头的相对高程Δh2和相对水平偏差Δy2；

通过Δh1'、Δy1'、Δh2、Δy2计算获得始发盾构隔板中心和后发盾构隔板中心的相对高程Δh和相对平面偏差Δy。

2.根据权利要求1所述的基于RFID标签的地中盾构相对位置测量方法，其特征在于，所述测量并计算所述探头与所述后发盾构机隔板中心的相对高程差Δh1和相对水平偏差Δy1步骤进一步包括步骤：

确定所述后发盾构的刀盘/面板的开口位置并将所述开口位置与所述水平钻孔对应；

将所述钻头自所述开口位置钻进直至所述钻头抵靠所述后发盾构的隔板，随后撤回钻头并在水平钻孔前端设置探头；

通过所述探头发送信号并接收各所述RFID标签的反馈信号，并将反馈信号最强的一RFID标签坐标替代所述探头的坐标并计算所述探头与所述后发盾构机隔板中心的相对高程差Δh1和相对水平偏差Δy1。

3.根据权利要求2所述的基于RFID标签的地中盾构相对位置测量方法，其特征在于，所述确定所述后发盾构的刀盘/面板的开口位置并将所述开口位置与所述水平钻孔对应步骤进一步包括：

旋转所述后发盾构的刀盘/面板；

通过所述探头发送信号并接收各所述RFID标签的反馈信号，得到各所述RFID标签的反馈信号强度随时间变化的波形图；

当所述刀盘/面板旋转至所述波形图中相邻波峰的中间时刻时停止刀盘/面板的旋转。

4.根据权利要求1所述的基于RFID标签的地中盾构相对位置测量方法，其特征在于，所述修正所述相对高程差Δh1和所述相对水平偏差Δy1，获得所述相对高程差Δh1的修正值Δh1'和所述相对水平偏差Δy1的修正值Δy1'步骤进一步包括：

测量所述后发盾构的姿态，包括所述后发盾构的旋转角α、俯仰角β和水平偏差角γ；

通过旋转角α和俯仰角β对所述相对高程差Δh1进行修正，获得所述相对高程差Δh1的修正值Δh1'；

通过旋转角α和水平偏差角γ对所述相对水平偏差Δy1进行修正，获得所述相对水平偏差Δy1的修正值Δy1'。

5.根据权利要求4所述的基于RFID标签的地中盾构相对位置测量方法，其特征在于，所述空间坐标系包括一第一右手直角坐标系OXYZ和一第二右手直角坐标系OX’Y’Z’;

其中所述第一右手直角坐标系OXYZ不考虑盾构姿态的偏差，以所述后发盾构隔板中心为原点O，以所述刀盘/面板外法线方向为X轴正向，以铅垂线在所述刀盘/面板的投影线为Z轴的正向建立；

所述第二右手直角坐标系OX’Y’Z’考虑盾构姿态偏差的影响，以所述后发盾构隔板中心为原点O，以考虑角度偏差后的所述刀盘/面板外法线方向为X’轴正向，以考虑角度偏差后的铅垂线在所述刀盘/面板的投影线为Z’轴的正向建立。

6.根据权利要求5所述的基于RFID标签的地中盾构相对位置测量方法，其特征在于，所述相对高程差Δh1的修正值Δh1'通过如下公式获得：

$\mathrm{\Δh}{1}^{\′}=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}*\cos (\mathrm{\α}+{\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}})*\cos \left(\mathrm{\β}\right)$

其中，y′_b为反馈信号最强的RFID标签坐标点在OX’Y’Z’坐标系下Y’方向的坐标值；z′_b为反馈信号最强的RFID标签坐标点在OX'Y'Z'坐标系下的Z'方向坐标值。

7.根据权利要求6所述的基于RFID标签的地中盾构相对位置测量方法，其特征在于，所述相对水平偏差Δy1的修正值Δy1'通过如下公式获得：

$\mathrm{\Δy}{1}^{\′}=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}*\sin (\mathrm{\α}+{\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}})*\cos \left(\mathrm{\γ}\right).$

8.根据权利要求7所述的基于RFID标签的地中盾构相对位置测量方法，其特征在于，所述始发盾构隔板中心和后发盾构隔板中心的相对高程Δh和相对平面偏差Δy通过如下公式计算获得：

$\mathrm{\Δh}=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}*\cos (\mathrm{\α}+{\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}})*\cos \left(\mathrm{\β}\right)+\mathrm{\Δh}2;$

$\mathrm{\Δy}=\sqrt{y_b^{\′2}+z_b^{\′2}}*\sin (\mathrm{\α}+{\tan }^{-1}\frac{y_b^{\′}}{z_b^{\′}})*\cos \left(\mathrm{\γ}\right)+\mathrm{\Δy}2.$

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