CN106066177A - 盾构自动导向系统测量人工复核方法 - Google Patents

Abstract

一种盾构自动导向系统测量人工复核方法，包括如下步骤：①建立盾构坐标系：以盾构机刀头中心前端切点为原点，以盾构机中心纵轴为x轴，由盾尾指向刀头为正向，以竖直向上的方向线为z轴，y轴沿水平方向与x、z轴构成左手系，该盾构坐标系是连同盾构机一起运动的独立直角坐标系；②从盾体上已经布置的25个盾构姿态测量参考点中选择出人工观测点；③在三维空间中利用采集的人工观测点大地坐标系中的坐标数据和人工观测点在盾构坐标系中的坐标数据，利用坐标系转换的原理，推算得出盾首和盾尾的实时姿态，从而验证自动导向系统数据的准确性。本发明可验证自动导向系统的准确性，保证了推进的准确性和精度，确保了安全施工。

Description

盾构自动导向系统测量人工复核方法

技术领域

本发明涉及一种盾构自动导向系统测量人工复核方法。

背景技术

盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构机集光、机、电、液、传感和信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道、衬砌和测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制和测量等多门学科技术。并且，按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。

盾构法施工中盾构机的掘进方向的准确性是由自动导向系统的精度决定的，研究盾构机自动导向系统姿态定位测量的原理和方法，以及如何使用人工测量的方法来检核自动导向系统的准确性，对于盾构法施工具有决定性的意义。

以德国VMT公司生产的导向系统为例介绍导向系统：VMT是专为隧道开发掘进导向系统和提供测量服务的测量技术公司，成立于1994年，现在主要的产品是SLS-T导向系统。

SLS-T导向系统构成比较复杂，由激光测站、后视棱镜、目标靶等组成，测定精度受激光发射接收、倾斜仪的传感精度的影响。该系统优点是稳定、可靠、实时、连续、精度高，缺点是构成复杂、维护量大、对人员要求高、进口价格相对昂贵。SLS-T导向系统和隧道掘进软件可以全天侯提供盾构机的三维坐标和定向的连续的动态信息。自动导向系统的工作原理：由全站仪发射出一束可见红色激光束，激光束照射到ELS靶，光束相对于ELS靶的位置已精确测定，水平角是由激光经纬仪照射到ELS靶的入射角决定的。在ELS靶内部安装有一个监测ELS靶倾角和转角的双轴传感器，可以分别测ELS靶的上下倾角(yaw angle)、左右倾角(pitch)和入射点相对于ELS靶的中心线的旋转角(roll)。激光照射到ELS靶的间距由TCA全站仪的EMD测定。这样，当测站坐标和后视坐标确定后，ELS靶的方位和坐标就确定下来了。根据ELS靶的中心和盾构机的主机轴线平面几何关系，就可以确定盾构机的轴线。再把隧道设计中心线(DTA)的坐标(米/个)输入隧道掘进软件，就可以全天候的动态显示盾构机主机和隧道设计中心线(DTA)的关系。

在盾构施工的过程中，为了保证导向系统的正确性和可靠性，在盾构机掘进一定的长度或时间之后，应通过洞内的独立导线独立的检测盾构机的姿态，即进行盾构姿态的人工检测。

发明内容：

本发明的目的是提供一种盾构自动导向系统测量人工复核方法，该方法利用坐标系转换的原理，在三维空间中利用采集的坐标数据测得盾构实时姿态，从而验证自动导向系统的准确性，保证了推进的准确性和精度，确保了安全施工。

如上构思，本发明的技术方案是：一种盾构自动导向系统测量人工复核方法，其特征在于：包括如下步骤：

①建立盾构坐标系：盾构坐标系在盾构机水平放置且未发生旋转的情况下，以盾构机刀头中心前端切点为原点，以盾构机中心纵轴为x轴，由盾尾指向刀头为正向，以竖直向上的方向线为z轴，y轴沿水平方向与x、z轴构成左手系，该盾构坐标系是连同盾构机一起运动的独立直角坐标系；

②确定人工观测点：从盾体上已经布置的25个盾构姿态测量参考点中选择出人工观测点；

③在三维空间中利用采集的人工观测点大地坐标系中的坐标数据和人工观测点在盾构坐标系中的坐标数据，利用坐标系转换的原理，推算得出盾首和盾尾的实时姿态，从而验证自动导向系统数据的准确性。

本发明的工作原理是：通过人工测量盾构机体上具有精确盾构机坐标的若干个观测点的地面坐标系坐标，以闻名的“Bursa-wolf模型”为基础，建立盾构机姿态解算改进模型，按最小二乘原理平差解算两坐标系的转换参数，即得盾构机姿态参数。

本发明在三维空间中利用采集的人工观测点大地坐标系中的坐标数据和人工观测点在盾构坐标系中的坐标数据，利用坐标系转换的原理，推算得出盾首和盾尾的实时姿态，从而验证自动导向系统数据的准确性。

附图说明

图1是盾构坐标系示意图；

图2是人工观测点示意图；

图3是盾构机立体图。

具体实施方式

一种盾构自动导向系统测量人工复核方法，包括如下步骤：

一、盾构坐标系

盾构坐标系：盾构上所装ELS靶、控制测点和基准点导向元件尺寸的测量都在本坐标系内计算。盾构坐标系在盾构机水平放置且未发生旋转的情况下，以盾构机刀头中心前端切点为原点，以盾构机中心纵轴为x轴，由盾尾指向刀头为正向，以竖直向上的方向线为z轴，y轴沿水平方向与x、z轴构成左手系。盾构坐标系是连同盾构机一起运动的独立直角坐标系(见图1)。盾构机尾部中心参考点、盾构机棱镜等相对盾构机的位置都以此系坐标表示，这些坐标在盾构机出厂时就测定给出了。

二、人工测量方法

在进行盾构机组装时，VMT公司的测量工程师就已经在盾体上布置了盾构姿态测量的参考点(共25个)。并精确测定了各参考点在盾构坐标系中的三维坐标。我们在进行盾构姿态的人工检测时，可以直接利用VMT公司提供的相关数据来进行计算。测量时，应根据现场条件尽量使所选参考点之间连线距离大一些，以保证计算时的精度，最好保证左、中、右各测量一个点。例如在我们在选择S282盾构机的参考点时，即是选择的B、C、D三点作为盾构姿态人工检测的参考点。原理如下：A点是盾构机刀盘中心，E是盾构机盾尾中心，即AE连线为盾构机的中心轴线(距离为3.8567米)，由A、B、C、D、四点构成一个四面体，测量出B、C、D三个点的三维坐标(xi，yi，zi)，根据三个点的三维坐标(xi，yi，zi)分别计算出LAB、LAC、LAD、LBC、LBD、LCD，四面体中的六条边长，作为以后计算的初始值，在盾构机掘进过程中Li是不变的常量，通过对B、C、D三点的三维坐标来计算出A点的三维坐标。同理，B、C、D、E四点也构成一个四面体，相应地求得E点的三维坐标。由A、E两点的三维坐标就能计算出盾构机刀盘中心和盾尾中心的水平偏差、垂直偏差；由B、C、D三点的三维坐标就能确定盾构机的仰俯角和滚动角，从而达到检测盾构机姿态的目的(见图2、3)。

下面介绍一种通过AutoCAD作图求解盾构姿态的方法：

通过几何解算盾构姿态方法的缺点是在内业计算时，如果用人工手算，其工作量相当大，而且难免出错，因此我们在进行解算时，是利用AutoCAD进行作图求解，相对于用几何方法解算，速度要快很多。操作过程如下：

(1)把隧道中心线(三维坐标)通过建立CAD脚本文件输入CAD中。

(2)把所测参考点B、C、D的坐标(三维)输入到CAD里面。

(3)分别以B、C、D为球心，以B、C、D到A点的距离为半径画球，求三个球的交集。用鼠标左键点击交集后的体，就可以找到两个端点，这两个端点到B、C、D的距离就分别等于B、C、D到前点的距离。然后根据盾构掘进的方向，舍去其中一个点。测量的点数越多，进行平差的精度就越高，圆心坐标数据就越准确。

(4)同样方法把后点在CAD里画出来。由于后点通过求交集的方法求出的两个端点距离很近，通过盾构机的掘进方向很难判断，于是通过前点到后点的距离来判断。

(5)画出前后点的位置后，通过前后点向隧道中线做垂线，通过测量垂线在水平和垂直方向上偏离值来求解盾构机前后点的姿态。

(6)盾构机的坡度＝(Z_前-Z_后)/L×100％(为盾体前后参考点连线长度)。

根据测量平差理论可知，实际测量时，需要观测至少4个点位以上，观测的参考点越多，多余观测就越多，因此计算的精度就越高。比较VMT导向系统测得的盾构姿态值和人工检测的盾构姿态值，其精度基本上能达到±5mm之内。

Claims (1)

1.一种盾构自动导向系统测量人工复核方法，其特征在于：包括如下步骤：

①建立盾构坐标系：盾构坐标系在盾构机水平放置且未发生旋转的情况下，以盾构机刀头中心前端切点为原点，以盾构机中心纵轴为x轴，由盾尾指向刀头为正向，以竖直向上的方向线为z轴，y轴沿水平方向与x、z轴构成左手系，该盾构坐标系是连同盾构机一起运动的独立直角坐标系；

②确定人工观测点：从盾体上已经布置的25个盾构姿态测量参考点中选择出人工观测点；

③在三维空间中利用采集的人工观测点大地坐标系中的坐标数据和人工观测点在盾构坐标系中的坐标数据，利用坐标系转换的原理，推算得出盾首和盾尾的实时姿态，从而验证自动导向系统数据的准确性。