CN111521139A - 盾构初始状态的高精度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构初始状态的高精度测量方法，旨在解决现有技术中测量方法不易操作、安全系数低、外业工作量大、测量精度低、适用范围小、受盾构本身加工或组装精度影响大的技术问题。本发明使用自由设站法建立盾构测量控制网；利用高精度测量机器人及配套免棱镜采集盾构前、中、后三个横断面上均匀分布的各点的三维坐标；使用采集的断面点计算三个圆心，由其中两个圆心计算盾构姿态，第三个圆心用于检核，保证数据可靠。本发明的测量方法能够快速测量出盾构始发前的初始姿态，计算出导向系统零位参数，易于操作、安全系数高、外业工作量小、测量精度高、结果可靠、适用范围广、受盾构本身加工或组装精度影响小的优点。

Description

盾构初始状态的高精度测量方法

技术领域

本发明涉及盾构施工测量技术领域，具体涉及一种盾构初始状态的高精度测量方法。

背景技术

目前城市地铁和市政工程隧道施工方法主要是盾构法。盾构法中，在盾构组装完成后需要对其初始的姿态进行测量，以获取导向系统调试需要的零位参数。

现有技术中，对盾构初始的姿态进行测量的方法主要有：

（1）水平标尺法，该方法原理为：测量水平放置在盾尾内壳的铝合金尺上贴片的三维坐标，通过铝合金尺与盾构首尾的距离关系来计算盾构首尾的三维坐标。但该方法测量精度较低、受盾构内部构建的影响较大、不适用于大半径的盾构。

（2）侧边法，测量原理为：在靠近盾首和盾尾处分别悬挂钢丝，钢丝下面系重锤并置于油桶中，通过测量贴在钢丝上的反射片坐标来计算盾构首尾的平面坐标。高程测量根据盾构首尾的平面坐标，利用全站仪在盾壳上直接放样处盾构的轴线，然后用水准仪直接测量出盾构首尾的高程，通过反算得到盾构首尾中心的高程。但该方法不易操作，外业数据采集困难，且存在一定的危险性，同样存在测量精度不高的问题。

（3）测支撑环法，其原理为：测量支撑环上多个点的三维坐标，通过最小二乘法拟合空间圆，根据图纸计算出支撑环到盾构盾首盾尾的距离，通过坐标正算得到盾构首尾的三维坐标。该方法操作简单，但是测量精度较低，受盾构组装和加工精度影响较大（特别是半径小的盾构），对于主动铰接盾构也不适用。

此外，还有其它的一些原理相似的方法，但都存在测量精度低、不易操作、不适用于大盾构或小盾构、外业工作量大，而且外业工作存在一定的危险性等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种盾构初始状态的高精度测量方法，以期解决现有技术中不易操作、安全系数低、外业工作量大、测量精度低、适用范围小、受盾构本身加工或组装精度影响大等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

提供一种盾构初始状态的高精度测量方法，包括以下步骤：

（1）盾构组装前，在盾构井下、中层埋设棱镜插杆作为测量的控制点；

（2）盾构始发联系测量完成后，使用高精度测量机器人和配套棱镜，采用自由设站法测量出所述控制点的三维坐标；

（3）组装盾构，使用高精度测量机器人和配套棱镜分别在盾构井的下、中层的位置使用所述控制点的三维坐标进行自由设站；测量出所述盾构外壳前、中、后三个横断面上随机选取均匀分布的各点三维坐标；测量出盾构内部结构对称的两个点三维坐标；

（4）通过最小二乘原理拟合出盾构前、中、后三个断面的圆心；

所述空间圆可由方程组表示为：

A ₁ x+B ₁ y+C ₁ z-1=0，A ₁，B ₁，C ₁不同时为0 ——式（I）

(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²=R ²，R>0 —— 式（II）

式中：a，b，c 为球心坐标；x，y，z为实测圆周上n个点的三维坐标；A ₁，B ₁，C ₁为空间平面3个未知参数；R为测点到球心的距离；

（5）根据前、中两个圆心计算出盾构轴线的方位角、坡度和轴线位置；

（6）根据测量的盾构内部对称的两点计算出盾构的滚动角ρ，即得盾构的初始姿态；

滚动角ρ= h/ d；

式中，h为对称的两点的高差；d为对称的两点的距离。

优选的，在所述步骤（1）中，所述中层高于盾构顶部。

优选的，在所述步骤（1）中，所述控制点埋设在易于观测，设站时能够同时观测到三个以上控制点的地方。

优选的，在所述步骤（1）中，所述控制点埋设8～10个。

优选的，在所述步骤（2）中，测量所述控制点三维坐标的过程中，多次设站，每次设站搭接三个以上的盾构控制点。

优选的，在所述步骤（3）中，所述盾构内部结构为左右对称的油缸或米字梁。

优选的，在所述步骤（3）中，所述均匀分布的各点的个数为10～20。

优选的，在所述步骤（4）中，根据最小二乘法则进行平面拟合，计算平面3个参数A ₁，B ₁，C ₁，得到空间平面方程：

将测量的n个点三维坐标代入式（I）得：

——式（III）

式中：x _i ，y _i ，z _i 测点i的三维坐标，i=1，2，…，n；

可采用带约束条件的间接平差求解，空间球面方程如式（II）所示；

按式（IV）计算空间圆相关参数初始值：

，Rˊ=该空间圆所在部位的设计半径——式（IV）

式中：aˊ，bˊ，cˊ为空间圆心坐标初始值，Rˊ为空间圆半径初始值；

将各测点观测值代入式（II）得到误差方程为：

——式（V）

式中：

；

；

式中：d _a ，d _b ，d _c 为圆心坐标，d _R 为空间圆半径改正数；

条件方程

即为平面拟合方程（I），按拉格朗日乘数法组成函数：

——式（VI）

式中：P为观测数据协因数阵逆矩阵，一般可取单位矩阵；k _s 为拉格朗日乘子；

；

根据附有条件的间接平差，得到法方程：

——式（VII）

解算法方程得到待解参数的改正数，经迭代计算得出拟合的圆心坐标（a，b，c）以及半径R。

优选的，在所述步骤（5）中，选择不同的圆心坐标进行计算以检核外业测量精度和内业计算的正确性；具体计算公式如下：

其中，A、B为任意两个空间圆的圆心；ɑ为盾构轴线方位角；h为高差；d为平面距离；p为盾构的坡度。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

1. 本发明方法利用高精度测量机器人自由设站法建立盾构测量控制网；再利用高精度测量机器人和配套免棱镜采集盾构前、中、后三个横断面上均匀分布的各点的三维坐标；最后使用采集的断面点计算三个圆心的三维坐标，由其中两个圆心计算盾构姿态，第三个圆心用于检核，保证数据可靠。

2. 本发明测量方法能够快速测量出盾构始发前的初始姿态，计算出导向系统零位参数，具备易于操作、安全系数高、外业工作量小、测量精度高、结果可靠、适用范围广、受盾构本身加工或组装精度影响小等优点。

附图说明

图1为始发井自由设站控制点布置图；

图中，1为始发井负一层，2为始发井负二层，3为洞门，4为盾构。

图2为盾构外业数据采集各点分布图（三维示意图）。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。

实施例：盾构初始状态的高精度测量方法

该方法具体步骤如下：

1. 准备阶段：

（1）盾构组装前，在盾构井下、中层（高于盾构顶部）选择易于观测，设站时能够同时观测到三个以上控制点的地方，埋设棱镜插杆（适用于徕卡圆棱镜或其它与测量机器人配套的精密棱镜插杆，例如天宝精密小棱镜插杆）作为测量的控制点，埋设8～10个；

（2）盾构始发联系测量完成后，使用徕卡TS30高精度测量机器人及配套的徕卡精密圆棱镜，采用自由设站法测量出各控制点三维坐标。测量过程中可以多次设站，但每次设站需搭接三个以上控制点。

2.数据采集阶段：

（1）盾构组装完成后，仍使用高精度测量机器人和配套棱镜，根据需要分别在盾构井的下、中层不同的位置使用准备阶段的盾构控制点坐标进行自由设站，使用免棱镜功能测量出盾构前、中、后三个横断面上随机均匀分布的各点三维坐标；地铁盾构测量10～15个点，对于较大盾构可测量20个点；

（2）仍采用相同的方法测量出盾构内部结构左右对称的两个点三维坐标，一般测量对称的油缸或米字梁。

3. 数据处理阶段：

通过空间平面拟合和最小二乘原理拟合计算出盾构前、中、后三个断面的圆心，根据前、中两个圆心计算出盾构轴线的方位角、坡度和轴线位置，根据测量的盾构内部对称的两点计算出盾构的滚动角，即得盾构的初始姿态参数。

空间圆可由方程组表示为：

A ₁ x+B ₁ y+C ₁ z-1=0，A ₁，B ₁，C ₁不同时为0 （1）

(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²=R ²， R>0 （2）

式中：x，y，z为实测圆周上n个点的三维坐标。A ₁，B ₁，C ₁为空间平面3个未知参数；R为测点到球心（a，b，c）的距离。

将测量的n个点三维坐标代入式（1）得：

（3）

式中：x _i ，y _i ，z _i 测点i的三维坐标，i=1，2，…，n。

根据最小二乘法则，进行平面拟合，计算平面3个参数A ₁，B ₁，C ₁，得到空间平面方程。

空间圆是空间球面与空间平面的交点所形成的圆，可采用带约束条件的间接平差求解，空间球面方程如式（2）所示。

按式（4）计算空间圆相关参数初始值：

Rˊ=该空间圆所在部位的设计半径 （4）

式中：aˊ，bˊ，cˊ为空间圆心坐标初始值，Rˊ为空间圆半径初始值。

将各测点观测值代入式（2）得到误差方程为：

（5）

式中：

；

；

式中，d _a ，d _b ，d _c 为圆心坐标，d _R 为空间圆半径改正数。

条件方程

即为平面拟合方程（1），按拉格朗日乘数法组成函数

（6）

式中：P为观测数据协因数阵逆矩阵，一般可取单位矩阵；k _s 为拉格朗日乘子；

。

根据附有条件的间接平差，得到法方程：

（7）

解算法方程得到待解参数的改正数，经迭代计算得出拟合的圆心坐标（a，b，c）以及半径R。

由以上方法计算出三个空间圆的圆心三维坐标即得到了盾构的空间位置，圆心连线即为盾构轴线。任选择两个圆心平面坐标反算方位角即为盾构轴线方位角ɑ，根据反算出的高差h/平面距离d即为盾构的坡度p。

选择不同的圆心坐标进行计算以检核外业测量精度和内业计算的正确性，具体计算公式如下：

其中，A、B为任意两个空间圆的圆心。

由外业采集的盾构内部结构左右对称两点的空间坐标，反算出两点的平面距离d和高差h，高差h/距离d即为滚动角，一般以mm/m为单位。

总之，该方法以第三断面作为检核，保证内外业数据的可靠性。充分利用了高精度测量机器人的免棱镜测距和自动照准测量棱镜功能，多次自由设站无接触测量盾构外壳的方法获得盾构初始姿态。

具有以下优点：

①不需要在盾构上焊接、安装任何部件；

②自由设站测设盾构控制网以减小测量误差；

③免棱镜测量，不用攀爬盾构，减小了外业工作量和危险性；

④不受盾构大小的限制均能高精度计算出盾构姿态；

⑤受始发井空间限制小，可完整的测量出盾首、盾尾两圆上分布均匀的各点空间坐标，多余观测多，成果更可靠。

试验例：

2017年10月在郑州地铁R4线元通大道-铁炉站区间，进行地铁盾构施工。该项目使用盾构为中铁1号，设备老旧，原来内部设置的人工测量特征点基本无法使用。

为了给导向系统提供初始参数，并且建立盾构的人工测量系统，采用实施例的测量方法重新精确地测量盾构的初始姿态，具体如下：

（1）准备阶段

在始发井施工完成后，盾构组装前，如图1所示，在始发井负一层1和始发井负二层2选择易于观测，设站时能够同时观测到三个以上控制点的地方埋设棱镜插杆（适用于徕卡圆棱镜）作为测量的控制点，共埋设8个分别命名为A1～A8；

按照规范要求，以两井定向形式将控制点三维坐标引测至井下测量盾构始发联系，盾构始发联系测量完成后，使用高精度测量机器人及配套的徕卡精密圆棱镜，采用自由设站法测量出各控制点三维坐标。

（2）数据采集阶段：

如图2所示，盾构组装完成后，使用高精度测量机器人和配套棱镜，在井下盾构左侧设站，使用控制点A1、A2、A4、A6设站，使用免棱镜测距功能测量盾构切口处断面（命名为断面1）上1001～1006各点三维坐标，盾构中部断面（命名为断面2）上2001～2006各点三维坐标，盾尾断面（命名为断面3）上3001～3006各点三维坐标。然后将高精度测量机器人搬至始发井结构的二层，使用控制点A4、A5、A6、A7、A8控制点自由设站，测量出三个断面1007～1013、2007～2012、3007～3012各点三维坐标，最后将高精度测量机器人搬至盾构右侧，使用A3、A5、A8、A1设站，测量出断面1014～1019、2013～2018、3013～3019各点三维坐标。

最后将高精度测量机器人搬至盾构后面，使用A1、A2设站测量出盾构结构梁的对称两点三维坐标，计算盾构的滚动角。

（2）数据处理阶段：

使用外业采集测量的各点三维坐标通过空间平面拟合和最小二乘原理拟合计算出盾构断面1、断面2、断面3三个断面的圆心三维坐标。

盾构切口处断面1圆心计算如表1所示。

表1 切口处断面1圆心计算

。

盾构中部断面2圆心计算如表2所示。

表2 盾构中部断面2圆心计算

。

盾构尾部断面3圆心计算如表3所示。

表3 盾构尾部断面3圆心计算

。

由以上三个计算表可见，各测量点精度均较高，此方法完成的数据采集精度完全满足施工要求。

选取圆心1和圆心3计算方位角和坡度，选取圆心1和圆心2计算数据作为检核，如表4所示。

表4 盾构轴线计算表

。

上表中具体计算过程如下：

圆心1到圆心2的方位角及距离：

圆心1到圆心3的方位角及距离：

可知，计算结果较差很小，证明本次测量数据可靠。

滚动角计算，有外业采集的盾构内部结构左右对称的两点三维坐标计算如表5所示。

表5 盾构内部结构对称的两点三维坐标计算表

。

滚动角ρ=高差h/距离d=9.8mm/3.9414m=2.49mm/m。

采用实施例的测量方法进行自由设站法测量，减小了测量过程中的系统误差，操作过程可根据现场情况灵活变换。可根据不同工程和不同的盾构型号做出适当的调整，灵活应用。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明；但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是基于本发明构思所做的变形，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (9)

1.一种盾构初始状态的高精度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）盾构组装前，在盾构井下、中层埋设棱镜插杆作为测量的控制点；

（2）盾构始发联系测量完成后，使用高精度测量机器人和配套棱镜，采用自由设站法测量出所述控制点的三维坐标；

（3）组装盾构，使用高精度测量机器人和配套棱镜分别在盾构井的下、中层的位置处使用所述控制点的三维坐标进行自由设站；测量出所述盾构外壳前、中、后三个横断面上随机选取均匀分布的各点三维坐标；测量出盾构内部结构对称的两个点三维坐标；

（4）通过最小二乘原理拟合出盾构前、中、后三个断面的圆心位置；

所述空间圆可由方程组表示为：

A ₁ x+B ₁ y+C ₁ z-1=0 ，A ₁，B ₁，C ₁不同时为0 ——式（I）；

(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²=R ²，R>0 —— 式（II）；

式中：a，b，c 为球心坐标；x，y，z为实测圆周上n个点的三维坐标；A ₁，B ₁，C ₁为空间平面3个未知参数；R为测点到球心的距离；

（5）根据前、中两个圆心计算出盾构轴线的方位角、坡度和轴线位置；

（6）根据测量的盾构内部对称的两点计算出盾构的滚动角ρ，即得盾构的初始姿态；

滚动角ρ= h/ d；

式中，h为对称的两点的高差；d为对称的两点的距离。

2.根据权利要求1所述的盾构初始状态的高精度测量方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，所述中层高于盾构顶部。

3.根据权利要求1所述的盾构初始状态的高精度测量方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，所述控制点埋设在易于观测，设站时能够同时观测到三个以上控制点的地方。

4.根据权利要求1所述的盾构初始状态的高精度测量方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，所述控制点埋设8～10个。

5.根据权利要求1所述的盾构初始状态的高精度测量方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，测量所述控制点三维坐标的过程中，多次设站，每次设站搭接三个以上的盾构控制点。

6.根据权利要求1所述的盾构初始状态的高精度测量方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，所述盾构内部结构为左右对称的油缸或米字梁。

7.根据权利要求1所述的盾构初始状态的高精度测量方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，所述均匀分布的各点的个数为10～20。

8.根据权利要求1所述的盾构初始状态的高精度测量方法，其特征在于，在所述步骤（4）中，根据最小二乘法则进行平面拟合，计算得到平面3个参数A ₁，B ₁，C ₁，得到空间平面方程：

将测量的n个点三维坐标代入式（I）得：

——式（III）；

式中：x _i ，y _i ，z _i 为测点i的三维坐标，i=1，2，…，n；

采用带约束条件的间接平差求解，空间球面方程如式（II）所示；

按式（IV）计算空间圆相关参数初始值：

，Rˊ=该空间圆所在部位的设计半径——式（IV）；

式中：aˊ，bˊ，cˊ为空间圆心坐标初始值，Rˊ为空间圆半径初始值；

将各测点观测值代入式（II）得到误差方程为：

——式（V）；

式中：

；

；

式中：d _a ，d _b ，d _c 为圆心坐标，d _R 为空间圆半径改正数；

条件方程

即为平面拟合方程（I），按拉格朗日乘数法组成函数：

——式（VI）；

式中：P为观测数据协因数阵逆矩阵，一般可取单位矩阵；k _s 为拉格朗日乘子；

；

根据附有条件的间接平差，得到法方程：

——式（VII）；

解算法方程得到待解参数的改正数，经迭代计算得出拟合的圆心坐标（a，b，c）以及半径R。

9.根据权利要求1所述的盾构初始状态的高精度测量方法，其特征在于，在所述步骤（5）中，具体计算公式如下：

；

其中，A、B为任意两个空间圆的圆心；ɑ为盾构轴线方位角；h为高差；d为平面距离；p为盾构的坡度。

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