CN106522984A - 一种盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法，包括：根据隧道的设计轴线，以拼装衬砌环几何中心点到设计轴线的距离最小为原则，得起始里程范围内管片类型信息和拼装点位信息的组合；存储步骤S1得到的管片类型信息和拼装点位信息；拼装点位信息包括管片中心坐标；根据步骤S1得到的管片类型信息，对每种管片类型建立一种管片元件；根据步骤S1得到的拼装点位信息，利用三维建模平台建立一系列以管片中心坐标为原点的局部坐标系；依据管片类型信息及拼装点位信息，将每个管片元件放置在对应的局部坐标系中。本发明拼装结果能直观地表现管片的设计效果和线路拟合情况,为施工人员确定管片的最佳拼装位置提供依据，提高施工效率，改善施工质量。

Description

一种盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道拼装技术领域，特别涉及一种盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法。

背景技术

与其他隧道施工方法相比，盾构法施工的一个显著的特点就是拼装成环的管片直接成为隧道的最终衬砌。管片的防水质量和外观质量是影响隧道质量的直接因素。管片拼装质量不佳将产生管片的超限，管片的超限基本上无法纠正，这将对工程质量产生很坏的影响。所以，盾构施工时，必须要慎重控制盾构掘进、选择管片类型。施工过程中更要采取各种措施,严防管片出现大的错台、破裂和渗漏,更不能出现偏差超限的情况。

国内关于盾构隧道管片三维拼装的实现方法仍显欠缺，大多只针对具体的工程或者只适用于普通管片环，缺乏通用性，在实际施工过程中，往往是根据还是依靠施工人员的现场测量计算和经验选取管片。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足，提供一种盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法，包括以下步骤：

S1：根据隧道的设计轴线，以拼装衬砌环几何中心点到设计轴线的距离最小为原则，得到起始里程范围内管片类型信息和拼装点位信息的组合；

S2：存储步骤S1得到的管片类型信息和拼装点位信息；所述拼装点位信息包括管片中心坐标；

S3：根据步骤S1得到的管片类型信息，对每种管片类型建立一种管片元件；

S4：根据步骤S1得到的拼装点位信息，利用三维建模平台建立一系列以管片中心坐标为原点的局部坐标系；

S5：依据管片类型信息及拼装点位信息，将每个管片元件放置在对应的局部坐标系中。

作为优选，步骤S3中，在管片元件中建立至少以下一种信息：衬砌环类型，楔面形式，外径、内径、管片宽度、管片环楔形量、衬砌环分块数量、各管片分块角度、纵向螺栓组数等、管片环号、高程、里程、设计单位、使用单位、混凝土等级、钢筋保护层厚度、钢筋强度、主筋规格、螺栓厂家、螺栓规格、封堵帽规格、止水带规格。

作为优选，所述拼装点位信息还包括以管片中心坐标为原点的坐标系、下一环相对于前一环的轴转角、相对于封顶块在正上方的全局轴转角、拼装点位与线路的偏差。

作为优选，在步骤S4中，通过已存储的管片类型信息和拼装点位信息与所述三维建模平台交互建立一系列以管片中心坐标为原点的局部坐标系。

作为优选，步骤S4中，

当管片类型属于标准环和左转弯环的管片类型时，所述局部坐标系的三轴分别为：管片中心线方向为x轴、z轴正向指向封顶块中心、以右手坐标系法则建立y轴；

当管片类型属于右转弯环的管片类型时，所述局部坐标系的三轴分别为：管片中心线方向为x轴、z轴负向指向封顶块中心、以右手坐标系法则建立y轴。

作为优选，对于所述轴转角规定沿线路方向以逆时针为正。

作为优选，对于所述全局轴转角沿线路方向以逆时针为正。

作为优选，最优组合的管片类型信息和拼装点位信息存储在excel中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明可根据隧道设计轴线给出最优拟合的管片排版方案，实现盾构隧道管片三维精细化拼装，不仅能体现衬砌环类型(直线+转弯环或通用环)，楔面形式(单面楔形、双面楔形)，外径、内径、管片宽度、管片环楔形量、衬砌环分块数量、各管片分块角度、纵向螺栓组数等几何信息的三维精细化，还能根据需要实现管片环号、高程、里程、设计单位、使用单位、混凝土等级、钢筋保护层厚度、钢筋强度、主筋规格、螺栓厂家、螺栓规格、封堵帽规格、止水带规格等非几何信息。拼装结果能直观地表现管片的设计效果和线路拟合情况,为施工人员确定管片的最佳拼装位置提供依据，提高施工效率，改善施工质量，也可与轨道、线路、疏散平台等专业配合，组装为区间整体模型，为施工现场安装提供较为精细的、直观的参考。

附图说明

图1是本发明实施例1步骤S4建立的局部坐标系；

图2是本发明实施例1步骤S5管片拼装。

具体实施方式

现结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1及图2所示，本发明所述的一种盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法，其 特征在于，包括以下步骤：

S1：根据隧道的设计轴线，以拼装衬砌环几何中心点和设计轴线的距离最小为原则，得到的起始里程范围内的管片类型信息和拼装点位信息为最优组合。

具体的方式可如下：

S11、获取管片参数；包括获取管片类型、楔面形式、衬砌环的外径、衬砌环的内径、管片宽度、管片环楔形量、衬砌环分块数量、管片分块角度、纵向螺栓组数。

S12、获取隧道设计轴线信息；包括获取平曲线要素，纵曲线要素。

S13、确定隧道管道拼装方式；包括错缝拼装或通缝拼装；衬砌环分块确定后，各接缝在衬砌环局部柱坐标系的角度即确定，若某拼装点位下衬砌环某条接缝与相邻环接缝角度一致，则判断该拼装点位为通缝拼装，否则为错缝拼装。

S14、限制封顶块的位置；所述封顶块中心对称轴与竖直向上方向夹角为锐角，使得所述封顶块位置拼装水平面以上。

S15、在步骤S11中纵向螺栓组数N决定管片环可能的拼装点位数，对于同一形式的管片不同拼装点位的几何意义是不同的，即拼装完成面的中心坐标和法向量、管片的位置是不同的。拼装完成面即当前待拼装环的末端面，在某一拼装点位，隧道设计轴线与拼装完成面的交点为A、拼装完成面的几何中心为B，A、B两点的距离为d_i，在i＝1～n的各拼装点位中选取d_i最小的拼装点位；

上环拼装完成面的几何中心点为O点，待拼装环拼装完成面的几何中心为O₁点，其在上环拼装完成面法向量上的投影为O₂点，待拼装环拼装起始面上环宽最小处为O₃点，已拼装环拼装起始面上环宽最小处为O₄点，若已拼装环为标准环，则O₄点为拼装起始面上封顶块外缘中心点，环宽为B，楔形角为α，不同的拼装点位时，O₁点可能的位置轨迹在空间上是圆曲线，在拼装点位为N，转动角度为β时，O₁点的空间位置可根据以下数学模型计算：

通过以下方法评估待拼装环拼装完成面中心点O₁与隧道轴线的偏差大小：

S151、将已拼装完成面的里程L₀向前推进环宽B，即L＝L_o+B，选择隧道轴线上里程为L的点P₀作为初始迭代点；

S152、目标平面为O₁点可能轨迹所在面，在空间中的法向量为OO₂(l，m，n)，任意点P₀的坐标为(x_p，y_p，z_p)到平面的距离为

其中，D＝-(lx₀+my₀+nz₀)，(x₀，y₀，z₀)为平面上任意点；

S153、当d≤10^-6时，目标平面为O₁的点在平面上，反之，以L-d代替L，返回步骤S152重新求解P₀，此处d具有矢量性，当d大于0时，P₀位于平面前方，反之，P₀位于平面后方。

S16、对于不同类型的管片重复步骤S15，最终确定以拼装衬砌环几何中心点到设计轴线的距离最小为原则，起始里程范围内的每一衬砌环的管片类型信息和拼装点位信息。

S2：存储最优组合的管片类型信息和拼装点位信息；所述拼装点位信息包括管片中心坐标、以管片中心坐标为原点的坐标系、下一环相对于前一环的轴转角(沿线路方向以逆时针为正)、相对于封顶块在正上方的全局轴转角(沿线路方向以逆时针为正)、拼装点位与线路的偏差。

S3：根据步骤S1中的最优组合的管片类型信息，对每种管片类型建立一种管片元件。在管片元件中建立三维精细化信息，建立的三维精细化信息至少包括以下一种：衬砌环类型，楔面形式，外径、内径、管片宽度、管片环楔形量、衬砌环分块数量、各管片分块角度、纵向螺栓组数等、管片环号、高程、里程、设计单位、使用单位、混凝土等级、钢筋保护层厚度、钢筋强度、主筋规格、螺栓厂家、螺栓规格、封堵帽规格、止水带规格。

S4：根据步骤S1中的最优组合的拼装点位信息，利用三维建模平台建立一系列以管片中心坐标为原点的局部坐标系。局部坐标系的建立的方式包括但不局限于通过已存储的最优组合的管片类型信息和拼装点位信息与三维建模平台交互建立。

当管片类型属于标准环和左转弯环的管片类型时，局部坐标系的三轴分别为：管片中心线方向为x轴、z轴正向指向封顶块中心、以右手坐标系法则建立y轴；

当管片类型属于右转弯环的管片类型时，局部坐标系的三轴分别为：管片中心线方向为x轴、z轴负向指向封顶块中心、以右手坐标系法则建立y轴。

S5：依据管片类型信息及拼装点位信息，将每个管片元件放置在对应的局部坐标系中。

实施例1

以某地铁隧道为例，管片排版起点里程为41904.68m，终点里程为42480.68m，隧道管片外径为6m，内径为5.4m，管片宽度为1.5m。管片类型为单面楔型，最大楔形量为38mm，管片分块为6块，环面螺栓数为10个。

步骤1：根据设计轴线，以拼装衬砌环几何中心点和设计轴线的距离最小为原则，得到起始里程范围内管片类型和拼装点位的最优组合。

步骤2：将最优组合的管片类型信息和拼装点位信息存储在excel中。

步骤3：根据步骤S2中的最优组合的管片类型信息，每种管片类型建立一种管片元件；在管片元件中建立三维精细化信息，三维精细化信息可包括：衬砌环类型(直线+转弯环或通用环)，楔面形式(单面楔形、双面楔形)，外径、内径、管片宽度、管片环楔形量、衬砌环分块数量、各管片分块角度、纵向螺栓组数等。

步骤4：参阅图1所示，实现excel数据和三维建模平台数据交互，根据拼装点位信息，在三维建模平台建立一系列以管片中心坐标为原点的局部坐标系。

步骤5：参阅图2所示，在三维建模平台中，依据管片类型及拼装点位信息，将每个管片元件放置在对应的局部坐标系中，实现管片三维精细化拼装。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变动。

Claims (8)

1.一种盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据隧道的设计轴线，以拼装衬砌环几何中心点到设计轴线的距离最小为原则，得到起始里程范围内管片类型信息和拼装点位信息的组合；

S2：存储步骤S1得到的管片类型信息和拼装点位信息；所述拼装点位信息包括管片中心坐标；

S3：根据步骤S1得到的管片类型信息，对每种管片类型建立一种管片元件；

S4：根据步骤S1得到的拼装点位信息，利用三维建模平台建立一系列以管片中心坐标为原点的局部坐标系；

S5：依据管片类型信息及拼装点位信息，将每个管片元件放置在对应的局部坐标系中。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法，其特征在于，

步骤S3中，在管片元件中建立至少以下一种信息：衬砌环类型，楔面形式，外径、内径、管片宽度、管片环楔形量、衬砌环分块数量、各管片分块角度、纵向螺栓组数等、管片环号、高程、里程、设计单位、使用单位、混凝土等级、钢筋保护层厚度、钢筋强度、主筋规格、螺栓厂家、螺栓规格、封堵帽规格、止水带规格。

3.根据权利要求1所述的盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法，其特征在于，所述拼装点位信息还包括以管片中心坐标为原点的坐标系、下一环相对于前一环的轴转角、相对于封顶块在正上方的全局轴转角、拼装点位与线路的偏差。

4.根据权利要求1所述的盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法，其特征在于，在步骤S4中，通过已存储的管片类型信息和拼装点位信息与所述三维建模平台交互建立一系列以管片中心坐标为原点的局部坐标系。

5.根据权利要求1所述的盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法，其特征在于，

步骤S4中，

当管片类型属于标准环和左转弯环的管片类型时，所述局部坐标系的三轴分别为：管片中心线方向为x轴、z轴正向指向封顶块中心、以右手坐标系法则建立y轴；

当管片类型属于右转弯环的管片类型时，所述局部坐标系的三轴分别为：管片中心线方向为x轴、z轴负向指向封顶块中心、以右手坐标系法则建立y轴。

6.根据权利要求3所述的盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法，其特征在于，

对于所述轴转角规定沿线路方向以逆时针为正。

7.根据权利要求3所述的盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法，其特征在于，

对于所述全局轴转角沿线路方向以逆时针为正。

8.根据权利要求3所述的盾构隧道管片三维精细化拼装的建模方法，其特征在于，最优组合的管片类型信息和拼装点位信息存储在excel中。