CN104598673A - 一种盾构机姿态复核计算方法 - Google Patents

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商科军
程文锋
高冰
李林
吴文奇
何邦亮
夏云
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Urban Rail Transit Engineering Branch of Shanghai Civil Engineering Co Ltd of CREC
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Abstract

本发明公开了一种盾构机姿态复核计算方法，该计算方法根据TBM坐标系中盾首或盾尾坐标和三个特征点的坐标反算出盾首或盾尾与三个特征点之间的距离，即三条边的长度，根据三条边距离和实测三个特征点的施工坐标系坐标列出三个方程，根据空间方程中的点到平面的距离公式，对三个方程进行化简求解，最后得出盾首或盾尾特征点的施工坐标系坐标。本发明的优点是，可以在利用采集的三个特征点的施工坐标系坐标，快速反算出盾首或盾尾的施工坐标系坐标，降低了盾构机姿态复核的成本及时间。

Description

一种盾构机姿态复核计算方法
技术领域
本发明属于盾构机掘进技术领域，具体涉及一种盾构机姿态复核计算方法。
背景技术
随着城市的不断发展，城市地下空间利用率不断提高。为满足城市的发展速度，提高人员出行效率，各大城市均在大力发展地铁公共交通。
盾构法是使用盾构机在地面以下建造隧道的一种施工方法。盾构机在与隧道形状一致的盾构外壳内，装备着推进机构、挡土机构、出土运输机构、安装衬砌管片机构等部件，是隧道开挖施工专用机械。采用此法建造隧道，其埋设深度可以很深，而且不受地面建筑物和交通的限制。地铁盾构的精密定向技术是盾构施工进程中的一项重要内容，在盾构机掘进过程中，对其实现实时高精度姿态定位测量，对于地铁施工来说具有十分重要的意义。所谓的盾构机掘进过程中的姿态定位测量是指盾构轴线的测量，盾构的姿态和轴线的位置关系是否是一致，包括上下、左右偏差值的测量。
目前，盾构机掘进过程中的姿态复核一般都是由现场测量并发给导向系统厂家计算或用CAD三维画图求出，前一种复核方法复核费用较高，而后一种复核方法则工作量较大。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种盾构机姿态复核计算方法，该计算方法通过TBM坐标系中特征点坐标和施工坐标系中特征点坐标，求出盾首或盾尾中心在施工坐标系中的坐标，以达到盾构机姿态复核的目的。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种盾构机姿态复核计算方法，其特征在于所述计算方法包括如下步骤：
   （1）在所述盾构机的盾首中心选取特征点A，并在所述盾构机的尾盾内壁上选取三个特征点B、C、D，已知特征点A、B、C、D在所述盾构机TBM坐标系中的坐标，分别为ATBM（x1,y1,z1）、BTBM(x2,y2,z2)、CTBM(x3,y3,z3)、DTBM(x4,y4,z4)；此外已知A点与B、C、D三点的距离分别为：
    |AB|=d1=                                               
    |AC|=d2=
|AD|=d3=；
（2）利用全站仪测量出三个特征点B、C、D在施工坐标系中的坐标，分别为B施工（X2，Y2，Z2）,C施工（X3，Y3，Z3）,D施工（X4，Y4，Z4），在施工坐标系中未知坐标的特征点A用A施工（X1，Y1，Z1）来表示；组建方程组：
其中，d表示特征点A到平面BCD的距离；
A= y1-y3×z2-z4-z2-z3×y2-y4；
B=z2-z3×x2-x4-x2-x3-x3×z2-z4；
C=x2-x3×y2-y4-y2-y3×x2-x4；
D=-A×x1-B×y1-C×z1；
解算所述方程组时得出特征点A在施工坐标系中的两个坐标值，根据所述盾构机前进方向舍掉一个坐标值，剩余一个坐标值即为所求坐标A施工（X1，Y1，Z1）。
本发明的优点是，可以在利用采集的三个特征点的施工坐标系坐标，快速反算出盾首和盾尾特征点的施工坐标系坐标，降低了盾构机姿态复核的成本及时间。
附图说明
图1为本发明中盾构机内特征点示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1，图中标记A-D分别为：A为盾构机盾首或盾尾的中心点，B、C、D为位于盾构机内壁上的三个点。
实施例：本实施例具体涉及一种盾构机姿态复核计算方法，该计算方法可对盾构机掘进过程中的盾构机姿态进行复核，计算出盾首或盾尾的中心坐标，从而校核盾构机的掘进姿态。
如图1所示，特征点A为盾构机的盾首中心（掘进过程中此点不可见），特征点B、C、D位于盾构机的盾尾内壁位置（掘进过程中，此三特征点可见，并可用全站仪测出三点的施工坐标系坐标），本实施例中的盾构机姿态复核计算方法具体包括如下步骤：
（1）在盾构机的盾首中心选取特征点A，同时在盾构机的盾尾内壁上选取三个特征点B、C、D，已知特征点A、B、C、D在盾构机的TBM坐标系中的坐标分别为ATBM（x1,y1,z1）、BTBM(x2,y2,z2)、CTBM(x3,y3,z3)、DTBM(x4,y4,z4)；此外已知特征点A与B、C、D三点的距离分别为：
|AB|=d 1=
    |AC|=d 2=
|AD|=d 3=；
（2）施工坐标系中的坐标用A施工（X1，Y1，Z1）、B施工（X2，Y2，Z2）、C施工（X3，Y3，Z3）、D施工（X4，Y4，Z4）来表示；
在盾构机掘进过程中，利用全站仪测量出三个特征点B、C、D在施工坐标系中的坐标，即B施工（X2，Y2，Z2）,C施工（X3，Y3，Z3）,D施工（X4，Y4，Z4），之后根据特征点A到平面BCD的距离公式d以及点与点之间的距离公式d1、 d2 、d3组建方程组求解特征点A在施工坐标系中的坐标：
在式①中，字母A/B/C/D分别表示：
A= y1-y3×z2-z4-z2-z3×y2-y4；
B=z2-z3×x2-x4-x2-x3-x3×z2-z4；
C=x2-x3×y2-y4-y2-y3×x2-x4；
D=-A×x1-B×y1-C×z1；
对上述方程组进行求解，点的坐标（x1,y1,z1）、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)是已知的，对方程组进行简化求解，即：将②式与③式进行化简得到式⑤，并将②式与④式进行化简得到式⑥；化简之后得到的两个方程式⑤与⑥，组成方程组再次进行化简，消掉2次方后得到式⑦；将式⑦与式①组成方程组再次进行求解，解算出特征点A在施工坐标系中的坐标，共得到两个坐标值，根据盾构机前进方向舍掉一个坐标值，剩余一个坐标值即为所求，即A施工（X1，Y1，Z1）；
（3）在获得特征点A在施工坐标系中的坐标后，将其与隧道设计轴线中心坐标进行对比，从而校核盾构机的掘进姿态。
需要说明的是，本实施例中的特征点A也可以选取盾构机盾尾的中心点，而特征点B、C、D则相应地选取在盾构机盾首内壁上。
本实施例的有益效果在于，可以在利用采集的三个特征点的施工坐标系坐标，快速反算出盾首和盾尾的施工坐标系坐标，降低了盾构机姿态复核的成本及时间。

Claims (1)

1.一种盾构机姿态复核计算方法，其特征在于所述计算方法包括如下步骤：
   （1）在所述盾构机的盾首中心选取特征点A，并在所述盾构机的尾盾内壁上选取三个特征点B、C、D，已知特征点A、B、C、D在所述盾构机TBM坐标系中的坐标，分别为ATBM（x1,y1,z1）、BTBM(x2,y2,z2)、CTBM(x3,y3,z3)、DTBM(x4,y4,z4)；此外已知A点与B、C、D三点的距离分别为：
    |AB|=d 1=                                               
    |AC|=d 2=
|AD|=d 3=；
（2）利用全站仪测量出三个特征点B、C、D在施工坐标系中的坐标，分别为B施工（X2，Y2，Z2）,C施工（X3，Y3，Z3）,D施工（X4，Y4，Z4），在施工坐标系中未知坐标的特征点A用A施工（X1，Y1，Z1）来表示；组建方程组：
其中，d表示特征点A到平面BCD的距离；
A= y1-y3×z2-z4-z2-z3×y2-y4；
B=z2-z3×x2-x4-x2-x3-x3×z2-z4；
C=x2-x3×y2-y4-y2-y3×x2-x4；
D=-A×x1-B×y1-C×z1；
解算所述方程组时得出特征点A在施工坐标系中的两个坐标值，根据所述盾构机前进方向舍掉一个坐标值，剩余一个坐标值即为所求坐标A施工（X1，Y1，Z1）。
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