CN114034274B - 一种基于推进油缸伸长量测量隧道管片横断面平整度的计算方法 - Google Patents

Abstract

一种基于推进油缸伸长量测量隧道管片横断面平整度的计算方法，管片具备一定楔形量，其截面为一与盾尾横截圆面呈一定角度的空间椭圆，其特征在于，计算各个管片测量点与校准平面的距离偏差值来实现；应用时将盾构机尾部各推进油缸行程视为各个管片测量点与推进油缸安装平面的距离。各测量点P_i与基准曲线L₀距离用Δd_i表示，各测量点P_i与校准曲线距离用d_i表示，d_i表征了管片各个测点的平整度，数值越大，该管片测点的平整度越差，d_i最小为0；利用式d_i＝l_i‑f₁(θ_i)计算所有测量点至校准曲线的距离，即可得出管片前沿横断面各测量点与校准曲线L₁的距离偏差值。

Description

一种基于推进油缸伸长量测量隧道管片横断面平整度的计算 方法

技术领域

本发明涉及自动测量及隧道施工领域。

背景技术

随着中国城镇化水平的提升，城市迅速增长的人口对交通网络的建设需求也在日益攀升，作为交通网络的重要构成部分，地铁隧道的建设量也随之不断增长。鉴于盾构法施工具备安全、高效、经济等特性，盾构机己经成为隧道施工中的主要施工装备，被广泛应用于地铁、隧道等工程领域。

为保证隧道结构安全稳固，盾构施工采用多环连接的通用型楔形管片作为隧道的最内层支护结构。同一环管片由多块预制管片拼接而成，根据施工要求合理选择拼装点位调整管片楔形量位置实现对隧道设计轴线的拟合。盾构机后盾体圆周均匀装配有推进油缸，推进油缸撑靴以管片前沿横断面作为支撑点，通过缓慢伸出活塞杆为盾构机提供向前掘进的推力。盾构机施工过程中每掘进一环距离后进行管片拼装，完成该环拼装工序后开始下一环掘进，依此循环直至贯通隧道。

在当前环拼装过程中，因拼装点位选择、管片拼装状态、盾构机姿态等多因素影响，很容易发生同环管片前沿横断面不平整的情况，进而造成在下一环掘进时，油缸施加压力导致两环之间接触面局部压强过大，导致混凝土管片破裂，降低工程质量和施工安全性。为避免因拼装管片平整度较差造成的一系列不良影响，需要测量各测量点与校准平面偏差间距即所述管片平整度，为人工补偿提供参考依据。

最接近现有技术：

现今测量管片平整度常由人工利用全站仪测量当前环预定测量点坐标后，依靠人工经验选定其中三点计算目标平面，进而计算各测量点至该平面的距离作为测量点至目标平面的偏差值。该人工测量方法存在较大弊端：①人工选定的三点任意性较大，无法保证基于该三点计算的目标平面为最佳目标平面，造成最终解算偏差值精度欠佳。②该方法需要人利用全站仪测量横断面各点坐标，鉴于盾构施工场景空间限制，人工测量难度较大，操作不方便且测量效率和实时性很差，难以适应盾构施工时效性要求。

发明内容

针对以上问题，本发明首次公开一种基于推进油缸伸长量测量隧道管片横断面平整度的计算方法，可实现管片平整度的精确测量，在隧道管片横断面平整度自动测量方法或者测量系统具有潜在的应用价值。

需要保护的技术方案：

一种基于推进油缸伸长量测量隧道管片横断面平整度的计算方法，管片具备一定楔形量，其截面为一与盾尾横截圆面呈一定角度的空间椭圆，其特征在于，计算各个管片测量点与校准平面的距离偏差值来实现；

应用时将盾构机尾部各推进油缸行程视为各个管片测量点与推进油缸安装平面的距离；

设：

设理想状态下三维空间中管片端面的各测量点同处于一个空间椭曲线上，转化为二维空间下曲线为L₀；

各测量点在推进油缸装配平面上的投影点为基点A_i，A_i在圆面上对应的圆周角度用θ_i表示，对应匹配组成n组测量点在平面直角坐标系θOl中的坐标P_i(θ_i,l_i)；

各推进油缸的活塞杆行程对应的测量点P_i距离用l_i表示；

初次拟合获取的曲线称为基准曲线，用L₀表示；

通过平移校正得到的曲线称为校准曲线，用L₁表示，所述校准曲线L₁波谷最值为测量点P_i中的活塞杆行程最小值；

各测量点P_i与基准曲线L₀距离用Δd_i表示，各测量点P_i与校准曲线距离用d_i表示，d_i表征了管片各个测点的平整度，数值越大，该管片测点的平整度越差，d_i最小为0；

利用式d_i＝l_i-f₁(θ_i)计算所有测量点至校准曲线的距离，即可得出管片前沿横断面各测量点与校准曲线L₁的距离偏差值；其中：

L₁＝f₁(θ)＝f₀(θ)+Δd_min；

L为测量点分布特征符合三角函数模型：L＝k₁ sin(k₂θ+k₃)+k₄，k₁、k₂、k₃、k₄为待定参数。

本发明方法将三维空间点面距离偏差求解问题，转换为二维空间点与曲线的距离偏差解算问题，需测量数据少且可实现自动测量，解决方案思路精巧，易于将来系统开发实现。另外，相对于人工获取测量数据后任意选取三点计算校准平面的方式，所提出方法通过数据拟合获取校准曲线，该曲线与各测量点数据更贴合，使得所测量管片平整度结果具备更高精度和可信度。

附图说明

图1应用场景及测量基点与测量点间距示意图

图2各参数与盾构机对应关系示意图

图3：由图2中取出的斜截圆筒展开示意图

图4测量点对应圆周角示意图

图5展开后的理想曲线示意图

图6基准平面、校准平面解算示意图

具体实施方式

一种基于推进油缸伸长量测量隧道管片横断面平整度的计算方法，管片具备一定楔形量，其截面为一与盾尾横截圆面呈一定角度的空间椭圆，其特征在于，计算各个管片测量点与校准平面的距离偏差值来实现；

应用时将盾构机尾部各推进油缸行程视为各个管片测量点与推进油缸安装平面的距离；

由于管片具备一定楔形量，其截面为一与盾尾横截圆面呈一定角度的空间椭圆，如此各基点A_i与对应测量点P_i连线位于同一斜截圆筒表面；

为此，给出策略和算法原理：

将三维空间内各基点、间距、测量点所在虚拟斜截圆筒沿某条母线展开至二维平面；

利用基点的圆周角度及基点与测量点距离描述测量点在二维平面内位置；

将三维空间各个测点与基准面距离偏差求解问题转换为二维空间点与曲线的距离偏差解算问题：

设：

设理想状态下三维空间中管片端面的各测量点同处于一个空间椭曲线上，转化为二维空间下曲线为L₀；

各测量点在推进油缸装配平面上的投影点为基点A_i，A_i在圆面上对应的圆周角度用θ_i表示，对应匹配组成n组测量点在平面直角坐标系θOl中的坐标P_i(θ_i,l_i)；

各推进油缸的活塞杆行程对应的测量点P_i距离用l_i表示；

如此，采用距离偏差以表征平整度的计算过程为：

初次拟合获取的曲线称为基准曲线，用L₀表示；

通过平移校正得到的曲线称为校准曲线，用L₁表示，所述校准曲线L₁波谷最值为测量点P_i中的活塞杆行程最小值；

各测量点P_i与基准曲线L₀距离用Δd_i表示，各测量点P_i与校准曲线距离用d_i表示，d_i表征了管片各个测点的平整度，数值越大，该管片测点的平整度越差，d_i最小为0。

具体的，

步骤1，将斜截圆筒沿盾构机12点方位(0π/2π)母线展开至平面，则测量点分布特征符合三角函数模型：L＝k₁ sin(k₂θ+k₃)+k₄，其中k₁、k₂、k₃、k₄为待定参数；通过数据拟合确定k₁、k₂、k₃、k₄后即可获取测量点所在曲线即基准曲线：L₀＝f₀(θ)。

步骤2，通过Δd_i＝l_i-f₀(θ_i)计算油缸行程实际间距与拟合间距的差值，并筛选出Δd_i≤0且距离基准曲线l₀最远的测量点P'(θ',l')及对应的偏差量Δd_min＝l'-f₀(θ')。

步骤3，向l减小方向平移曲线至经过偏差最大点P'(θ',l')，此时得到的曲线为校准曲线L₁:L₁＝f₁(θ)＝f₀(θ)+Δd_min。

步骤4，利用式d_i＝l_i-f₁(θ_i)计算所有测量点至校准曲线的距离，即可得出管片前沿横断面各测量点与校准曲线L₁的距离偏差值。

Claims (1)

1.一种基于推进油缸伸长量测量隧道管片横断面平整度的计算方法，管片具备一定楔形量，其截面为一与盾尾横截圆面呈一定角度的空间椭圆，其特征在于，计算各个管片测量点与校准平面的距离偏差值来实现；

应用时将盾构机尾部各推进油缸行程视为各个管片测量点与推进油缸安装平面的距离；

设：

设理想状态下三维空间中管片端面的各测量点同处于一个空间椭曲线上，转化为二维空间下曲线为L₀；

各测量点在推进油缸装配平面上的投影点为基点A_i，A_i在圆面上对应的圆周角度用θ_i表示，对应匹配组成n组测量点在平面直角坐标系θOl中的坐标P_i(θ_i,l_i)；

各推进油缸的活塞杆行程对应的测量点P_i距离用l_i表示；

初次拟合获取的曲线称为基准曲线，用L₀表示；

通过平移校正得到的曲线称为校准曲线，用L₁表示，所述校准曲线L₁波谷最值为测量点P_i中的活塞杆行程最小值；

各测量点P_i与基准曲线L₀距离用Δd_i表示，各测量点P_i与校准曲线距离用d_i表示，d_i表征了管片各个测点的平整度，数值越大，该管片测点的平整度越差，d_i最小为0；

利用式d_i＝l_i-f₁(θ_i)计算所有测量点至校准曲线的距离，即可得出管片前沿横断面各测量点与校准曲线L₁的距离偏差值；其中：

L₁＝f₁(θ)＝f₀(θ)+Δd_min；

L为测量点分布特征符合三角函数模型：L＝k₁ sin(k₂θ+k₃)+k₄，k₁、k₂、k₃、k₄为待定参数。