《一種用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法》是中國水利水電第四工程局有限公司於2016年12月19日申請的專利，該專利的公布號為CN106640092A，授權公布日為2017年5月10日，發明人是任斌、安健、鞏平福、張亞喜、潘立志、牛永勝、張甲平、張生褔、雒建壽。
《一種用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法》涉及隧道施工技術領域，基於空間三角形的穩定性，藉助製圖軟體AutoCAD；首先，將盾構機盾尾環切面和盾構機縱軸切面繪製到AutoCAD中，並製作成塊；其次，將現場測繪的對應於盾構機盾尾環切面的特徵點坐標繪製到AutoCAD中；再次，通過三維對齊的方式將盾構機所在坐標系切換到隧道曲線所在的城市三維坐標系中；最後，通過對比盾構機軸線和隧道軸線的偏差得出盾構機覆核後的姿態。該發明提供了一種能夠快速進行盾構機姿態覆核的方法，對導向系統進行校核，為調試導向系統提供基礎參數包括盾構始發導向參數，便於隨時隨地掌控盾構機的姿態且大大節約了成本。
2020年7月14日，《一種用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法
- 申請人：中國水利水電第四工程局有限公司
- 申請日：2016年12月19日
- 申請號：2016111746113
- 公布號：CN106640092A
- 公布日：2017年5月10日
- 發明人：任斌、安健、鞏平福、張亞喜、潘立志、牛永勝、張甲平、張生褔、雒建壽
- 地址：青海省西寧市東川工業區金橋路38號
- Int.Cl.：E21D9/00(2006.01)I、G06F17/50(2006.01)I
- 代理機構：北京匯眾通達智慧財產權代理事務所
- 代理人：梁明升
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
盾構法是暗挖法輸隧道施工中的一種全機械化施工方法，它是將盾構機械在地下推進，通過盾構外殼和管片支承四周圍岩防止發生往隧道內的坍塌，同時在開挖面前方用切削裝置進行土體開挖，再通過出土機械運出洞外，靠千斤頂在後部加壓頂進，並拼裝預製混凝土管片，形成隧道結構的一種機械化施工方法，具有速度快，安全性高，施工質量好，對周圍環境影響小等優點，並且越來越多地套用於城市捷運隧道施工中。
在利用盾構機進行隧道掘進施工過程中，為了將掘進線路與隧道設計曲線之間的誤差控制在一定範圍內，需要及時測量盾構機的位置和掘進的方位角。盾構機的姿態和位置測量方法可分為人工測量和自動測量兩類，2016年前自動導向測量系統主要有英國的ZED、德國的VMT和日本的GYRO等系統，前兩者為雷射導向，後者為陀螺儀導向。依靠中國國外的自動導向測量系統進行盾構機姿態覆核，費用高昂，成本高，2016年12月之前的人工測量方法存在精度低、測量計算占用時間長等缺點。
發明內容
專利目的
《一種用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法》提供一種用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法。
技術方案
《一種用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法》基於空間三角形的穩定性，藉助製圖軟體AutoCAD；首先，將盾構機盾尾環切面和盾構機縱軸切面繪製到AutoCAD中，並製作成塊；其次，將現場測繪的對應於盾構機盾尾環切面的特徵點坐標繪製到AutoCAD中；再次，通過三維對齊的方式將盾構機所在坐標系切換到隧道曲線所在的城市三維坐標系中；最後，通過對比盾構機軸線和隧道軸線的偏差得出盾構機覆核後的姿態。
進一步的，包括如下步驟，
步驟1：以盾構機盾頭中心點為坐標原點，盾構機環切面方向為X軸，盾構機軸線方向為Y軸，盾構機豎直方向為Z軸，構建盾構機參考坐標系，盾構機長L，盾構機盾頭中心坐標（0，0，0），盾頭頂部坐標（0，0，2）盾尾中心坐標（0，-L，0），盾尾頂部坐標（0，-L，2），四點構成盾構機縱軸平面；實際運用中，盾頭頂部和盾尾頂部在Z軸上的坐標值可以取任意正值，此處以取值2為例；
步驟2：將步驟1中的構成盾構機縱軸平面的四點繪製到AutoCAD中，並連線成面；
步驟3：選取三個盾構機盾尾環切面特徵點，構成盾構機盾尾環切面；
步驟4：將步驟3中的構成盾構機盾尾環切面的三點繪製到AutoCAD中，並連線成面；
步驟5：將步驟2與步驟4繪製的圖形製作成塊；
步驟6：現場測量當前里程的隧道對應於步驟3中的三個特徵點的坐標值；
步驟7：將步驟6中的三個特徵點坐標值繪製到AutoCAD中，並連線成面；
步驟8：將步驟5中製作成塊的圖形通過三維對齊轉換到步驟7中的城市三維坐標系中，盾構機盾尾環切面上三個特徵點構成的三角形與現場測量所得的三個對應特徵點的測量值構成的三角形形狀近似，選取兩個近似三角形中的任意兩個角進行對齊，同時將隧道軸線三維坐標繪製到一起。
步驟9：盾頭中心點記為點O，盾尾中心點記為點O1、盾尾頂點記為點O2，盾頭頂點記為點O3，獲取轉換後點O、點O1、點O2、點O3的坐標；
步驟10：點O到隧道軸線做垂線，獲取第一垂點M，點M到點O的水平距離R即為盾頭的水平姿態，面向掘進方向，點O在隧道軸線左側R值為負，相反為正，在城市三維坐標系Z軸方向上的差值S即為盾頭的垂直姿態，點O的高程比點M的高程高則S值為正，相反為負；將點0的坐標轉換成施工坐標里程和偏距的格式（KO，JO，ZO）待用，KO為盾頭裡程；
步驟11：點O1到隧道軸線做垂線，獲取第二垂點N，點N點到點O1的水平距離R'即為盾尾的水平姿態，面向掘進方向，點O1在隧道軸線左側R'值為負，相反為正，在城市三維坐標系Z軸方向上的差值S'即為盾尾的垂直姿態，點O1的高程比點N的高程高則S'值為正，相反為負；將點01的坐標轉換成施工坐標里程和偏距的格式（KO1，JO1，ZO1）待用，KO1為盾尾里程；
步驟12：盾頭中心點O和盾尾中心點O1在城市三維坐標系Z軸方向上的差值，除以盾構機長L，即（ZO-ZO1）*1000/L得出盾構機俯仰角，1000為米與毫米之間的單位轉換比例；
步驟13：將點O2的坐標轉換成施工坐標里程和偏距的格式（KO2，JO2，ZO2），然後通過公式（JO2-JO1）*1000/（ZO2-ZO1）計算得出盾構機滾動角；或者，從點O1做Z軸上的直線，長度為盾構機半高h/2或所述步驟1中給定的任意值，另一端點記為點O4，從點O4向點O2到點O3連線做垂線，該垂線的長度D除以所做直線的長度即得盾構機滾動角；其中，第二種方法更加簡便易行；
步驟14：盾頭的水平姿態與盾尾的水平姿態的差值，除以盾構機長L，（R-R'）/L，即可得盾構機的水平趨向；
步驟15：盾頭的垂直姿態與盾尾的垂直姿態的差值，除以盾構機長L，（S-S'）/L，即可得盾構機的垂直趨向。
進一步的，所述步驟3中三個盾構機盾尾環切面特徵點，選取連線最接近等邊三角形的三個特徵點。
有益效果
《一種用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法》的有益效果：提供了一種能夠快速進行盾構機姿態覆核的方法，對導向系統進行校核，為調試導向系統提供基礎參數包括盾構始發導向參數，便於隨時隨地掌控盾構機的姿態且大大節約了成本。
附圖說明
圖1為盾構機縱軸平面和盾構機盾尾環切面的AutoCAD繪圖；
圖2為現場對應特徵點的測量值的AutoCAD繪圖；
圖3為盾構機縱軸平面坐標轉換到城市三維坐標系中的AutoCAD示意圖；
圖4為求解盾構機滾動角的示意圖。
技術領域
《一種用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法》涉及隧道施工技術領域，尤其是一種用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法。
權利要求
1.《一種用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法》其特徵在於：基於空間三角形的穩定性，藉助製圖軟體AutoCAD；
首先，將盾構機盾尾環切面和盾構機縱軸切面繪製到AutoCAD中，並製作成塊；其次，將現場測繪的對應於盾構機盾尾環切面的特徵點坐標繪製到AutoCAD中；再次，通過三維對齊的方式將盾構機所在坐標系切換到隧道曲線所在的城市三維坐標系中；最後，通過對比盾構機軸線和隧道軸線的偏差得出盾構機覆核後的姿態。
2.根據權力要求1所述的用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法，其特徵在於：包括如下步驟，
步驟1：以盾構機盾頭中心點為坐標原點，盾構機環切面方向為X軸，盾構機軸線方向為Y軸，盾構機豎直方向為Z軸，構建盾構機參考坐標系，盾構機長L，高h，盾構機盾頭中心坐標（0，0，0），盾頭頂部坐標（0，0，h/2），盾尾中心坐標（0，-L，0），盾尾頂部坐標（0，-L，h/2），四點構成盾構機縱軸平面；實際運用中，盾頭頂部和盾尾頂部在Z軸上的坐標值可以取任意正值，不限定於h/2；
步驟2：將步驟1中的構成盾構機縱軸平面的四點繪製到AutoCAD中，並連線成面；
步驟3：選取三個盾構機盾尾環切面特徵點，構成盾構機盾尾環切面；
步驟4：將步驟3中的構成盾構機盾尾環切面的三點繪製到AutoCAD中，並連線成面；
步驟5：將步驟2與步驟4繪製的圖形製作成塊；
步驟6：現場測量當前里程的隧道對應於步驟3中的三個特徵點的測量值；
步驟7：將步驟6中的三個特徵點測量值繪製到AutoCAD中，並連線成面；
步驟8：將步驟5中製作成塊的圖形通過三維對齊轉換到步驟7中的城市三維坐標系中，盾構機盾尾環切面上三個特徵點構成的三角形與現場測量所得的三個對應特徵點的測量值構成的三角形形狀近似，選取兩個近似三角形中的任意兩個角進行對齊，同時將隧道軸線繪入；
步驟9：盾頭中心點記為點O，盾尾中心點記為點O1、盾尾頂點記為點O2，盾頭頂點記為點O3，獲取轉換後點O、點O1、點O2、點O3的坐標；
步驟10：點O到隧道軸線做垂線，獲取第一垂點M，點M到點O的水平距離R即為盾頭的水平姿態，面向掘進方向，點O在隧道軸線左側R值為負，相反為正，在城市三維坐標系Z軸方向上的差值S即為盾頭的垂直姿態，點O的高程比點M的高程高則S值為正，相反為負；將點0的坐標轉換成施工坐標里程和偏距的格式（KO，JO，ZO）待用，KO為盾頭裡程；
步驟11：點O1到隧道軸線做垂線，獲取第二垂點N，點N點到點O1的水平距離R'即為盾尾的水平姿態，面向掘進方向，點O1在隧道軸線左側R'值為負，相反為正，在城市三維坐標系Z軸方向上的差值S'即為盾尾的垂直姿態，點O1的高程比點N的高程高則S'值為正，相反為負；將點01的坐標轉換成施工坐標里程和偏距的格式（KO1，JO1，ZO1）待用，KO1為盾尾里程；
步驟12：盾頭中心點O和盾尾中心點O1在城市三維坐標系Z軸方向上的差值，除以盾構機長L，即可得出盾構機俯仰角；
步驟13：將點O2的坐標轉換成施工坐標里程和偏距的格式（KO2，JO2，ZO2），然後通過公式（JO2-JO1）*1000/（ZO2-ZO1）計算得出盾構機滾動角；或者，從點O1 做Z軸上的直線，長度為盾構機半高h/2或所述步驟1中給定的任意值，另一端點記為點O4，從點O4向點O2到點O3連線做垂線，該垂線的長度D除以所做直線的長度即得盾構機滾動角；
步驟14：盾頭的水平姿態與盾尾的水平姿態的差值，除以盾構機長L，（R-R'）/L，即可得盾構機的水平趨向；
步驟15：盾頭的垂直姿態與盾尾的垂直姿態的差值，除以盾構機長L，（S-S'）/L，即可得盾構機的垂直趨向。
3.根據權力要求2所述的用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法，其特徵在於：所述步驟3中三個盾構機盾尾環切面特徵點，選取連線最接近等邊三角形的三個特徵點。
實施方式
- 實施例1
隧道軸線是設計院在城市三維坐標系（絕對坐標系）中設計的，要得到盾構機掘進過程中的誤差，就必須通過測量計算得到盾構機在絕對坐標系中的坐標位置和方位角。具體來說，就是要得到盾構機切口中心以及切口中心在隧道三維坐標系中的坐標位置以及盾構機軸線的方位角，通過與隧道設計曲線上的對應點坐標以及對應點所在位置的曲線方向相比較，得到位置偏差值以及角度偏差值。該發明就是基於空間三角形的穩定性，以及AutoCAD製圖及空間變換功能，實現坐標系的切換，並進行盾構機的姿態覆核，以下以一組實際數據為例，進行闡述。
盾構機出廠後，其原始各項參數就已既定，該實施例中盾構機墩盾頭到盾尾的距離4.7081米，高6.45米，以盾構機盾頭中心點為坐標原點，盾構機軸線方向為Y軸，盾構機豎直方向為Z軸，構建盾構機參考坐標系，盾構機盾頭中心坐標（0，0，0），盾尾中心坐標（0，-4.7081，0），盾尾頂部坐標（0，-4.7081，2），盾頭頂點坐標（0，0，2），四點構成盾構機縱軸平面。
一般盾構機盾尾環切面有25個特徵點，選取3號、13號、22號三個盾構機盾尾環切面特徵點，構成盾構機盾尾環切面，其中盾尾環切面3號特徵點坐標（-1.4271，-4.1773，2.2919），盾尾環切面13號特徵點坐標（1.9506，-3.9167，1.0904），盾尾環切面22號特徵點坐標（-0.6457，-4.0425，-2.0113）。
將構成盾構機縱軸平面的三點繪製到AutoCAD中，並連線成面；將構成盾構機盾尾環切面的三點繪製到AutoCAD中，並連線成面；並將繪製的圖形製作成塊，如圖1所示。
使用全站儀現場測量當前里程的隧道對應3號、13號、22號特徵點的測量值，隧道3號測量值（552710.5887，374718.6276，19.9271），隧道13號測量值（552710.5629，374715.2322，18.7472），隧道22號測量值（552710.6733，374717.8087，15.6252），並將三個測量值繪製到AutoCAD中，並連線成面，如圖2所示。
將製作成塊的盾構機坐標系圖形通過三維對齊轉換到隧道曲線的城市三維坐標系中，盾構機盾尾環切面上三個特徵點構成的三角形與現場測量所得的三個對應特徵點的測量值構成的三角形形狀近似，稍微有些許偏差，選取兩個近似三角形中的任意兩個角進行對齊，從而將盾構機縱軸平面變換到隧道曲線的城市三維坐標系中，便於與隧道軸線進行偏差比對。
盾頭中心點記為點O，盾尾中心點記為點O1、盾尾頂點記為點O2，如圖3所示，獲取轉換後點O、點O1、點O2的坐標，其中點O坐標（552714.6371，374716.8322，17.6630），點O1坐標（552709.9465，374717.2367，17.6415），點O2的坐標（552709.9384，374717.2495，19.6414）。
隧道軸線坐標從藍圖信息中獲取如下表1。
點號 | 里程 | Y | X | H |
1 | DK52+929.00 | 552708.3433 | 374717.3462 | 17.6325 |
2 | DK52+930.00 | 552709.3396 | 374717.2629 | 17.6370 |
3 | DK52+931.00 | 552710.3358 | 374717.1782 | 17.6415 |
4 | DK52+932.00 | 552711.3319 | 374717.0921 | 17.646 |
5 | DK52+933.00 | 552712.3278 | 374717.0045 | 17.6505 |
6 | DK52+934.00 | 552713.3237 | 374716.9155 | 17.655 |
7 | DK52+935.00 | 552714.3194 | 374716.8251 | 17.6595 |
8 | DK52+936.00 | 552715.3149 | 374716.7332 | 17.664 |
9 | DK52+937.00 | 552716.3104 | 374716.64 | 17.6685 |
點O和點O1分別轉化為施工里程為DK52+935.317和DK52+930.608。點O到隧道軸線做垂線，獲取第一垂點M（552714.6338，374716.7961，17.6609），O點到M點的水平距離36毫米，即為盾頭的水平姿態，面向掘進方向，點O在隧道軸線左側R值為負，相反為正，在城市三維坐標系O點的高程減去M點的高程值，即17.6630-17.6609，得盾頭的垂直姿態為2.1毫米，點O的高程比點M的高程高則S值為正，相反為負。
點O1到隧道軸線做垂線，獲取第二垂點N（552709.9443，374717.2115，17.6397），O1點到N點的水平距離25毫米，即為盾尾的水平姿態，面向掘進方向，點O1在隧道軸線左側R'值為負，相反為正，在城市三維坐標系Z軸方向上的差值，即17.6415-17.6397，得盾尾的垂直姿態為1.8毫米，點O1的高程比點N的高程高則S'值為正，相反為負。
盾頭中心點O和盾尾中心點O1在城市三維坐標系Z軸方向上的差值21.6毫米（17.6630-17.6415），除以盾構機長4.7081米，即可得出盾構機俯仰角+4.6毫米/米。
從點O1做Z軸上的直線，直線長2米，另一端點記為點O4（552709.9465，374717.2367，19.6415），從點O4向點O2到點O3連線做垂線，如圖4所示，垂足Q坐標為（552709.9475，374717.2487，19.6415），點O4到垂點的平面距離D＝12毫米，除以取值2米＝-6毫米/米（左側取負值），即為盾構機的滾動角。
盾頭的水平姿態與盾尾的水平姿態的差值-11毫米（-36+25），除以盾構機長4.7081米，即可得盾構機的水平趨向-2.3毫米/米；盾頭的垂直姿態與盾尾的垂直姿態的差值0.3毫米（2.1-1.8），除以盾構機長4.7081米，即可得盾構機的垂直趨向+0.1毫米/米，自此得出覆核後的盾構機全部姿態，匯總於下表2中。
盾頭 | 盾尾 | 水平趨向毫米/米 | 垂直趨向毫米/米 | |
水平姿態（毫米） | -36 | -25 | -2.3 | +0.1 |
垂直姿態（毫米） | 2.1 | 1.8 | 滾動角毫米/米 | 俯仰角毫米/米 |
里程 | DK52+935.317 | DK52+930.608 | -6 | +4.6 |
榮譽表彰
2020年7月14日，《一種用於隧道施工的盾構機姿態覆核方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
