CN106640092A - 一种用于隧道施工的盾构机姿态复核方法 - Google Patents

一种用于隧道施工的盾构机姿态复核方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于隧道施工的盾构机姿态复核方法，涉及隧道施工技术领域，基于空间三角形的稳定性，借助制图软件AutoCAD；首先，将盾构机盾尾环切面和盾构机纵轴切面绘制到AutoCAD中，并制作成块；其次，将现场测绘的对应于盾构机盾尾环切面的特征点坐标绘制到AutoCAD中；再次，通过三维对齐的方式将盾构机所在坐标系切换到隧道曲线所在的城市三维坐标系中；最后，通过对比盾构机轴线和隧道轴线的偏差得出盾构机复核后的姿态。本发明提供了一种能够快速进行盾构机姿态复核的方法，对导向系统进行校核，为调试导向系统提供基础参数包括盾构始发导向参数，便于随时随地掌控盾构机的姿态且大大节约了成本。

Description

一种用于隧道施工的盾构机姿态复核方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，尤其是一种用于隧道施工的盾构机姿态复核方法。
背景技术
盾构法是暗挖法输隧道施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地下推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，再通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法，具有速度快，安全性高，施工质量好，对周围环境影响小等优点，并且越来越多地应用于城市地铁隧道施工中。
在利用盾构机进行隧道掘进施工过程中，为了将掘进线路与隧道设计曲线之间的误差控制在一定范围内，需要及时测量盾构机的位置和掘进的方位角。盾构机的姿态和位置测量方法可分为人工测量和自动测量两类，目前自动导向测量系统主要有英国的ZED、德国的VMT和日本的GYRO等系统，前两者为激光导向，后者为陀螺仪导向。依靠国外的自动导向测量系统进行盾构机姿态复核，费用高昂，成本高，现有的人工测量方法存在精度低、测量计算占用时间长等缺点。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种用于隧道施工的盾构机姿态复核方法。
一种用于隧道施工的盾构机姿态复核方法，基于空间三角形的稳定性，借助制图软件AutoCAD；首先，将盾构机盾尾环切面和盾构机纵轴切面绘制到AutoCAD中，并制作成块；其次，将现场测绘的对应于盾构机盾尾环切面的特征点坐标绘制到AutoCAD中；再次，通过三维对齐的方式将盾构机所在坐标系切换到隧道曲线所在的城市三维坐标系中；最后，通过对比盾构机轴线和隧道轴线的偏差得出盾构机复核后的姿态。
进一步的，包括如下步骤，
步骤1：以盾构机盾头中心点为坐标原点，盾构机环切面方向为X轴，盾构机轴线方向为Y轴，盾构机竖直方向为Z轴，构建盾构机参考坐标系，盾构机长L，盾构机盾头中心坐标(0，0，0)，盾头顶部坐标(0，0，2)盾尾中心坐标(0，-L，0)，盾尾顶部坐标(0，-L，2)，四点构成盾构机纵轴平面；实际运用中，盾头顶部和盾尾顶部在Z轴上的坐标值可以取任意正值，此处以取值2为例；
步骤2：将步骤1中的构成盾构机纵轴平面的四点绘制到AutoCAD中，并连接成面；
步骤3：选取三个盾构机盾尾环切面特征点，构成盾构机盾尾环切面；
步骤4：将步骤3中的构成盾构机盾尾环切面的三点绘制到AutoCAD中，并连接成面；
步骤5：将步骤2与步骤4绘制的图形制作成块；
步骤6：现场测量当前里程的隧道对应于步骤3中的三个特征点的坐标值；
步骤7：将步骤6中的三个特征点坐标值绘制到AutoCAD中，并连接成面；
步骤8：将步骤5中制作成块的图形通过三维对齐转换到步骤7中的城市三维坐标系中，盾构机盾尾环切面上三个特征点构成的三角形与现场测量所得的三个对应特征点的测量值构成的三角形形状近似，选取两个近似三角形中的任意两个角进行对齐，同时将隧道轴线三维坐标绘制到一起。
步骤9：盾头中心点记为点O，盾尾中心点记为点O1、盾尾顶点记为点O2，盾头顶点记为点O3，获取转换后点O、点O1、点O2、点O3的坐标；
步骤10：点O到隧道轴线做垂线，获取第一垂点M，点M到点O的水平距离R即为盾头的水平姿态，面向掘进方向，点O在隧道轴线左侧R值为负，相反为正，在城市三维坐标系Z轴方向上的差值S即为盾头的垂直姿态，点O的高程比点M的高程高则S值为正，相反为负；将点0的坐标转换成施工坐标里程和偏距的格式(KO，JO，ZO)待用，KO为盾头里程；
步骤11：点O1到隧道轴线做垂线，获取第二垂点N，点N点到点O1的水平距离R'即为盾尾的水平姿态，面向掘进方向，点O1在隧道轴线左侧R'值为负，相反为正，在城市三维坐标系Z轴方向上的差值S'即为盾尾的垂直姿态，点O1的高程比点N的高程高则S'值为正，相反为负；将点01的坐标转换成施工坐标里程和偏距的格式(KO1，JO1，ZO1)待用，KO1为盾尾里程；
步骤12：盾头中心点O和盾尾中心点O1在城市三维坐标系Z轴方向上的差值，除以盾构机长L，即(ZO-ZO1)*1000/L得出盾构机俯仰角，1000为米与毫米之间的单位转换比例；
步骤13：将点O2的坐标转换成施工坐标里程和偏距的格式(KO2，JO2，ZO2)，然后通过公式(JO2-JO1)*1000/(ZO2-ZO1)计算得出盾构机滚动角；或者，从点O1做Z轴上的直线，长度为盾构机半高h/2或所述步骤1中给定的任意值，另一端点记为点O4，从点O4向点O2到点O3连线做垂线，该垂线的长度D除以所做直线的长度即得盾构机滚动角；其中，第二种方法更加简便易行；
步骤14：盾头的水平姿态与盾尾的水平姿态的差值，除以盾构机长L，(R-R')/L，即可得盾构机的水平趋向；
步骤15：盾头的垂直姿态与盾尾的垂直姿态的差值，除以盾构机长L，(S-S')/L，即可得盾构机的垂直趋向。
进一步的，所述步骤3中三个盾构机盾尾环切面特征点，选取连线最接近等边三角形的三个特征点。
本发明的有益效果：提供了一种能够快速进行盾构机姿态复核的方法，对导向系统进行校核，为调试导向系统提供基础参数包括盾构始发导向参数，便于随时随地掌控盾构机的姿态且大大节约了成本。
附图说明
图1为盾构机纵轴平面和盾构机盾尾环切面的AutoCAD绘图；
图2为现场对应特征点的测量值的AutoCAD绘图；
图3为盾构机纵轴平面坐标转换到城市三维坐标系中的AutoCAD示意图；
图4为求解盾构机滚动角的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
隧道轴线是设计院在城市三维坐标系(绝对坐标系)中设计的，要得到盾构机掘进过程中的误差，就必须通过测量计算得到盾构机在绝对坐标系中的坐标位置和方位角。具体来说，就是要得到盾构机切口中心以及切口中心在隧道三维坐标系中的坐标位置以及盾构机轴线的方位角，通过与隧道设计曲线上的对应点坐标以及对应点所在位置的曲线方向相比较，得到位置偏差值以及角度偏差值。本发明就是基于空间三角形的稳定性，以及AutoCAD制图及空间变换功能，实现坐标系的切换，并进行盾构机的姿态复核，以下以一组实际数据为例，进行阐述。
盾构机出厂后，其原始各项参数就已既定，本实施例中盾构机墩盾头到盾尾的距离4.7081m，高6.45m，以盾构机盾头中心点为坐标原点，盾构机轴线方向为Y轴，盾构机竖直方向为Z轴，构建盾构机参考坐标系，盾构机盾头中心坐标(0，0，0)，盾尾中心坐标(0，-4.7081，0)，盾尾顶部坐标(0，-4.7081，2),盾头顶点坐标(0，0，2)，四点构成盾构机纵轴平面。
一般盾构机盾尾环切面有25个特征点，选取3号、13号、22号三个盾构机盾尾环切面特征点，构成盾构机盾尾环切面，其中盾尾环切面3号特征点坐标(-1.4271，-4.1773，2.2919)，盾尾环切面13号特征点坐标(1.9506，-3.9167，1.0904)，盾尾环切面22号特征点坐标(-0.6457，-4.0425，-2.0113)。
将构成盾构机纵轴平面的三点绘制到AutoCAD中，并连接成面；将构成盾构机盾尾环切面的三点绘制到AutoCAD中，并连接成面；并将绘制的图形制作成块，如图1所示。
使用全站仪现场测量当前里程的隧道对应3号、13号、22号特征点的测量值，隧道3号测量值(552710.5887，374718.6276，19.9271)，隧道13号测量值(552710.5629，374715.2322，18.7472)，隧道22号测量值(552710.6733，374717.8087，15.6252)，并将三个测量值绘制到AutoCAD中，并连接成面，如图2所示。
将制作成块的盾构机坐标系图形通过三维对齐转换到隧道曲线的城市三维坐标系中，盾构机盾尾环切面上三个特征点构成的三角形与现场测量所得的三个对应特征点的测量值构成的三角形形状近似，稍微有些许偏差，选取两个近似三角形中的任意两个角进行对齐，从而将盾构机纵轴平面变换到隧道曲线的城市三维坐标系中，便于与隧道轴线进行偏差比对。
盾头中心点记为点O，盾尾中心点记为点O1、盾尾顶点记为点O2，如图3所示，获取转换后点O、点O1、点O2的坐标，其中点O坐标(552714.6371，374716.8322，17.6630)，点O1坐标(552709.9465，374717.2367，17.6415),点O2的坐标(552709.9384，374717.2495，19.6414)。
隧道轴线坐标从蓝图信息中获取如下表1。
点O和点O1分别转化为施工里程为DK52+935.317和DK52+930.608。点O到隧道轴线做垂线，获取第一垂点M(552714.6338,374716.7961,17.6609)，O点到M点的水平距离36mm，即为盾头的水平姿态，面向掘进方向，点O在隧道轴线左侧R值为负，相反为正，在城市三维坐标系O点的高程减去M点的高程值，即17.6630-17.6609，得盾头的垂直姿态为2.1mm，点O的高程比点M的高程高则S值为正，相反为负。
点O1到隧道轴线做垂线，获取第二垂点N(552709.9443，374717.2115，17.6397)，O1点到N点的水平距离25mm，即为盾尾的水平姿态，面向掘进方向，点O1在隧道轴线左侧R'值为负，相反为正，在城市三维坐标系Z轴方向上的差值，即17.6415-17.6397，得盾尾的垂直姿态为1.8mm，点O1的高程比点N的高程高则S'值为正，相反为负。
盾头中心点O和盾尾中心点O1在城市三维坐标系Z轴方向上的差值21.6mm(17.6630-17.6415)，除以盾构机长4.7081m，即可得出盾构机俯仰角+4.6mm/m。
从点O1做Z轴上的直线，直线长2m，另一端点记为点O4(552709.9465,374717.2367,19.6415)，从点O4向点O2到点O3连线做垂线，如图4所示，垂足Q坐标为(552709.9475,374717.2487，19.6415)，点O4到垂点的平面距离D＝12mm，除以取值2m＝-6mm/m(左侧取负值)，即为盾构机的滚动角。
盾头的水平姿态与盾尾的水平姿态的差值-11mm(-36+25)，除以盾构机长4.7081m，即可得盾构机的水平趋向-2.3mm/m；盾头的垂直姿态与盾尾的垂直姿态的差值0.3mm(2.1-1.8)，除以盾构机长4.7081m，即可得盾构机的垂直趋向+0.1mm/m，自此得出复核后的盾构机全部姿态，汇总于下表2中。
盾头 盾尾 水平趋向mm/m 垂直趋向mm/m
水平姿态(mm) -36 -25 -2.3 +0.1
垂直姿态(mm) 2.1 1.8 滚动角mm/m 俯仰角mm/m
里程 DK52+935.317 DK52+930.608 -6 +4.6
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种用于隧道施工的盾构机姿态复核方法，其特征在于：基于空间三角形的稳定性，借助制图软件AutoCAD；
首先，将盾构机盾尾环切面和盾构机纵轴切面绘制到AutoCAD中，并制作成块；其次，将现场测绘的对应于盾构机盾尾环切面的特征点坐标绘制到AutoCAD中；再次，通过三维对齐的方式将盾构机所在坐标系切换到隧道曲线所在的城市三维坐标系中；最后，通过对比盾构机轴线和隧道轴线的偏差得出盾构机复核后的姿态。
2.根据权力要求1所述的用于隧道施工的盾构机姿态复核方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1：以盾构机盾头中心点为坐标原点，盾构机环切面方向为X轴，盾构机轴线方向为Y轴，盾构机竖直方向为Z轴，构建盾构机参考坐标系，盾构机长L，高h，盾构机盾头中心坐标（0，0，0），盾头顶部坐标（0，0，h/2）,盾尾中心坐标（0，-L，0），盾尾顶部坐标（0，-L，h/2），四点构成盾构机纵轴平面；实际运用中，盾头顶部和盾尾顶部在Z轴上的坐标值可以取任意正值，不限定于h/2；
步骤2：将步骤1中的构成盾构机纵轴平面的四点绘制到AutoCAD中，并连接成面；
步骤3：选取三个盾构机盾尾环切面特征点，构成盾构机盾尾环切面；
步骤4：将步骤3中的构成盾构机盾尾环切面的三点绘制到AutoCAD中，并连接成面；
步骤5：将步骤2与步骤4绘制的图形制作成块；
步骤6：现场测量当前里程的隧道对应于步骤3中的三个特征点的测量值；
步骤7：将步骤6中的三个特征点测量值绘制到AutoCAD中，并连接成面；
步骤8：将步骤5中制作成块的图形通过三维对齐转换到步骤7中的城市三维坐标系中，盾构机盾尾环切面上三个特征点构成的三角形与现场测量所得的三个对应特征点的测量值构成的三角形形状近似，选取两个近似三角形中的任意两个角进行对齐，同时将隧道轴线绘入；
步骤9：盾头中心点记为点O，盾尾中心点记为点O1、盾尾顶点记为点O2，盾头顶点记为点O3，获取转换后点O、点O1、点O2、点O3的坐标；
步骤10：点O到隧道轴线做垂线，获取第一垂点M，点M到点O的水平距离R即为盾头的水平姿态，面向掘进方向，点O在隧道轴线左侧R值为负，相反为正，在城市三维坐标系Z轴方向上的差值S即为盾头的垂直姿态，点O的高程比点M的高程高则S值为正，相反为负；将点0的坐标转换成施工坐标里程和偏距的格式(KO，JO，ZO）待用，KO为盾头里程；
步骤11：点O1到隧道轴线做垂线，获取第二垂点N，点N点到点O1的水平距离R'即为盾尾的水平姿态，面向掘进方向，点O1在隧道轴线左侧R'值为负，相反为正，在城市三维坐标系Z轴方向上的差值S'即为盾尾的垂直姿态，点O1的高程比点N的高程高则S'值为正，相反为负；将点01的坐标转换成施工坐标里程和偏距的格式(KO1，JO1，ZO1）待用，KO1为盾尾里程；
步骤12：盾头中心点O和盾尾中心点O1在城市三维坐标系Z轴方向上的差值，除以盾构机长L，即可得出盾构机俯仰角；
步骤13：将点O2的坐标转换成施工坐标里程和偏距的格式(KO2，JO2，ZO2)，然后通过公式(JO2-JO1)*1000/(ZO2-ZO1)计算得出盾构机滚动角；或者，从点O1 做Z轴上的直线，长度为盾构机半高h/2或所述步骤1中给定的任意值，另一端点记为点O4，从点O4向点O2到点O3连线做垂线，该垂线的长度D除以所做直线的长度即得盾构机滚动角；
步骤14：盾头的水平姿态与盾尾的水平姿态的差值，除以盾构机长L，（R-R'）/L，即可得盾构机的水平趋向；
步骤15：盾头的垂直姿态与盾尾的垂直姿态的差值，除以盾构机长L，（S-S'）/L，即可得盾构机的垂直趋向。
3.根据权力要求2所述的用于隧道施工的盾构机姿态复核方法，其特征在于：所述步骤3中三个盾构机盾尾环切面特征点，选取连线最接近等边三角形的三个特征点。
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