CN107957241A - 地铁隧道截面圆心确定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于地铁盾构隧道施工工程技术领域，提供了一种地铁隧道截面圆心确定装置及方法，包括带有齿轮的电机、面板、截面确定装置、第一齿轮、第二齿轮、激光测距传感器、角度传感器、显示装置和处理器，面板和截面确定装置固定连接，带有齿轮的电机、显示装置、第一齿轮和第二齿轮均固定安装在面板上，电机齿轮和第一齿轮啮合，第一齿轮和第二齿轮啮合，激光测距传感器固定安装在第一齿轮上，角度传感器固定安装在第二齿轮上；激光测距传感器、角度传感器和显示装置均连接处理器，处理器接收激光测距传感器和角度传感器采集的数据并通过显示装置进行显示。通过此方式即能实现对地铁隧道截面圆心精准确定，本装置结构简单，成本低，操作简单。

Description

地铁隧道截面圆心确定装置及方法

技术领域

本发明属于地铁盾构隧道施工工程技术领域，尤其涉及一种地铁隧道截面圆心确定装置及方法。

背景技术

当前随着中国城市建设规模的扩大和经济的飞速发展，城市化进程加快，交通需求膨胀，地铁的优势日益明显并在越来越多的城市得到普及，这对地铁隧道工程安全及施工中寻找更好的技术方法提出了更高的要求。传统的确定圆心坐标的方法主要用于地铁盾构法施工中。将洞门刚环内边缘抽象为立体空间圆，将立体空间圆转换为一个平面与一个球面相交，按最小二乘法分别对平面和球面进行拟合，最终求得盾构洞门刚环圆心和半径。在测量过程中，全站仪测量圆周不同点的三维坐标来拟合逼近实际的空间圆，各点并非完全在同一个立体面上，竖向投影不完全在同一条直线上。为简化计算将三维转变为二维平面，其误差范围和工作量不利于实际应用，这种方法计算过程繁琐，测量精度低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种地铁隧道截面圆心确定装置及方法，解决地铁隧道截面圆心确定繁琐、测量精度低的问题，具有测量简单、测量精度高的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种地铁隧道截面圆心确定装置，包括带有齿轮的电机、面板、截面确定装置、第一齿轮、第二齿轮、激光测距传感器、角度传感器、显示装置和处理器，所述面板和所述截面确定装置固定连接，所述带有齿轮的电机、所述显示装置、所述第一齿轮和所述第二齿轮均固定安装在所述面板上，所述电机的齿轮和第一齿轮啮合，所述第一齿轮和所述第二齿轮啮合，所述激光测距传感器固定安装在所述第一齿轮上，所述角度传感器固定安装在所述第二齿轮上；

所述激光测距传感器、所述角度传感器和所述显示装置均连接所述处理器，所述处理器接收所述激光测距传感器和所述角度传感器采集的数据并通过显示装置进行显示。

进一步地，所述激光测距传感器的激光发射探头固定安装在所述第一齿轮的中心处。

进一步地，地铁隧道截面圆心确定装置还包括控制面板，所述控制面板连接所述处理器，所述控制面板用于指令信息的输入。

进一步地，所述角度传感器测试角度为0°时，所述激光测距传感器发出的光线位于水平位置。

进一步地，所述截面确定装置为工字型框架，所述面板竖直固定安装在所述工字型框架的横梁上。

进一步地，所述电机为步进电机。

进一步地，所述第一齿轮和所述第二齿轮的直径和齿数相同。

进一步地，所述显示装置为液晶显示屏。

一种地铁隧道截面圆心确定方法，包括以下步骤：

(1)将地铁隧道截面圆心确定放置在测试隧道中，使所述面板平行于隧道截面，以所述激光测距传感器激光发射探头位置为原点，水平位置为X轴，竖直位置为Y轴建立与隧道截面平行的坐标系；

(2)旋转所述激光测距传感器到一点C，所述激光测距传感器测量该点到原点的距离，所述角度传感器测量该点与X轴的夹角，确定C点在坐标系中的坐标；

(3)重复步骤(2)两次，分别确定同一平面不同点的坐标，分别为D点和E点；

(4)利用不在同一直线上的C点、D点和E点确定地铁隧道截面圆心O的坐标。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过设计地铁隧道截面圆心确定装置，包括带有齿轮的电机、面板、截面确定装置、第一齿轮、第二齿轮、激光测距传感器、角度传感器、显示装置和处理器，面板和截面确定装置固定连接，带有齿轮的电机、显示装置、第一齿轮和第二齿轮均固定安装在面板上，电机的齿轮和第一齿轮啮合，第一齿轮和第二齿轮啮合，激光测距传感器固定安装在第一齿轮上，角度传感器固定安装在第二齿轮上；激光测距传感器、角度传感器和显示装置均连接处理器，处理器接收激光测距传感器和角度传感器采集的数据并通过显示装置进行显示。测试时，将地铁隧道截面圆心确定装置放在与隧道截面平行的位置上，以激光测距传感器激光发射探头所在位置为原点，以水平方向建立X轴，竖直方向建立Y轴，在与隧道截面平行的平面上建立二维直角坐标系，处理器控制电机转动，测量三个点，激光测距传感器和角度传感器分别测量三个点与原点距离和与水平线的夹角，从而计算出三个点在二维直角坐标系中的坐标，然后根据三点确定一个圆，确定三个点所在圆的圆心的坐标。通过此种方式即能实现对地铁隧道截面圆心的精准确定，同时本装置结构简单，成本低，操作简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的地铁隧道截面圆心确定装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的地铁隧道截面圆心确定装置的原理框图；

图3是本发明实施例提供的截面确定装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的地铁隧道截面圆心确定方法的逻辑流程图；

图5是本发明实施例提供的隧道截面圆几何示意图。

图中：1、面板；2、电机；3、第一齿轮；4、第二齿轮；5、截面确定装置；6、激光测距传感器；7、角度传感器。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1和图2所示，分别为本发明实施例提供的地铁隧道截面圆心确定装置的结构示意图和原理框图，地铁隧道截面圆心确定装置包括带有齿轮的电机2、面板1、截面确定装置5、第一齿轮3、第二齿轮4、激光测距传感器6、角度传感器7、显示装置和处理器，面板1和截面确定装置5固定连接，带有齿轮的电机2、显示装置、第一齿轮3和第二齿轮4均固定安装在面板1上，电机2的齿轮和第一齿轮3啮合，第一齿轮3和第二齿轮4啮合，激光测距传感器6固定安装在第一齿轮3上，角度传感器7固定安装在第二齿轮4上；激光测距传感器6、角度传感器7和显示装置均连接处理器，处理器接收激光测距传感器6和角度传感器7采集的数据并通过显示装置进行显示。

测试时，将地铁隧道截面圆心确定装置放在与隧道截面平行的位置上，以激光测距传感器6所在为原点，以水平方向建立X轴，竖直方向建立Y轴，在与隧道截面平行的平面上建立二维直角坐标系，处理器控制电机2转动，测量三个点，激光测距传感器6和角度传感器7分别测量三个点与原点距离和与水平线的夹角，从而计算出三个点在二维直角坐标系中的坐标，然后根据三点确定一个圆，确定三个点所在圆的圆心的坐标。通过此种方式即能实现对地铁隧道截面圆心的精准确定，同时本装置结构简单，成本低，操作简单。

本发明的一个实施例中，所述激光测距传感器6的激光发射探头固定安装在所述第一齿轮3的中心处，此种设计能够保证在齿轮旋转过程中激光发射点的位置保持不变，保持原点坐标不变，提高测量的准确性。

本发明的一个实施例中，地铁隧道截面圆心确定装置还包括控制面板，控制面板连接处理器，控制面板用于指令信息的输入。测试人员可通过控制面板对装置进行控制，例如控制电机2转动进行选择测试点、控制显示装置显示内容和测试完成后显示分析结果等，控制面板的设计提高了装置的可操作性。

本发明的一个实施例中，角度传感器7测试角度为0°时，激光测距传感器6发出的光线位于水平位置。此设计对角度传感器7和激光测距传感器6进行位置上的限定，当激光测距传感器6发出的激光位于水平位置时，角度传感器7测量角度为0°，这样有助于选择点坐标的计算和最后圆心确定的核算。

如图3所示，为本发明实施例提供的截面确定装置的结构示意图，截面确定装置5为工字型框架，面板1竖直固定安装在工字型框架的横梁上。

在地铁隧道截面圆心确定装置安放时，将工字型框架两侧沿着隧道长度方向安放，由于工字型的横梁垂直于两侧，因此横梁所在位置为隧道截面圆的一条弦上，由于面板1竖直固定安装在工字型框架的横梁上，因此可保证面板1所在平面与隧道截面圆平行。通过此种设计能够保证装置测试点所在的圆即为隧道的一个截面圆，提高测试精度。

本发明的一个实施例中，电机2为步进电机。步进电机具有控制精度高的特点，本装置中的电机2使用步进电机有助于提高本装置的测试精度。

本发明的一个实施例中，第一齿轮3和第二齿轮4的直径和齿数相同。由于激光测距传感器6固定安装在第一齿轮3上，角度传感器7固定安装在第二齿轮4上，第一齿轮3和第二齿轮4选用相同的齿轮保证了在电机2转动时，激光测距传感器6和角度传感器7转动的角度相同，保证测试结果的准确。

本发明的一个实施例中，显示装置为液晶显示屏。显示装置使用液晶显示屏能够显示装置中的传感器测量的参数和处理器对数据分析处理的结果，便于测试人员能够直观的了解测试情况。

如图4所示，为本发明实施例提供的地铁隧道截面圆心确定方法的逻辑流程图，下面结合图5提供的隧道截面圆几何示意图进行说明，测试方法如下：

(1)将地铁隧道截面圆心确定放置在测试隧道中，使面板1平行于隧道截面，以激光测距传感器6的激光发射探头位置为原点O′，水平位置为X轴，竖直位置为Y轴建立与隧道截面平行的坐标系。

(2)旋转激光测距传感器6到一点C，激光测距传感器6测量该点到原点的距离，角度传感器7测量该点与X轴的夹角，确定C点在坐标系中的坐标为C(x₁,y₁)。

(3)重复步骤(2)两次，分别确定同一平面不同点的坐标，分别为D(x₂,y₂)点和E(x₃,y₃)点。

(4)利用不在同一直线上的C(x₁,y₁)点、D(x₂,y₂)点和E(x₃,y₃)点确定地铁隧道截面圆心O的坐标，分别做出两条弦的垂直平分线并求出方程，由垂直平分线的性质，两条垂直平分线的交点即为圆心，计算方法如下：

说明：测量激光测距传感器6分别发出三条光束L1、L2、L3打在隧道内壁截面圆周交点为C、D、E，测量出参考原点与C、D、E的距离值分别设为l₁、l₂、l₃，与X轴正半轴的夹角分别为α₁、α₂、α₃。

C点坐标，由三角函数关系可得x₁＝l₁sinα₁，y₁＝l₁cosα₁；D点坐标，由三角函数关系可得x₂＝l₂sinα₂，y₂＝l₂cosα₂；E点坐标，由三角函数关系可得：x₃＝l₃sinα₃，y₃＝l₃cosα₃。

CD所在弦的斜率由两点坐标求得垂直平分线OA所在直线的斜率为并过弦CD的中点A的坐标为

则OA所在的垂直平分线的方程为y＝kx+b型直线方程，带入A点坐标和斜率k′，可得由上式可推导将k′和b的值带方程y＝kx+b中，即得OA所在垂直平分线方程为同理可得OB所在垂直平分线的方程为

由OA和OB所在垂直平分线的方程组联立可解得圆心O的坐标。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种地铁隧道截面圆心确定装置，其特征在于，包括带有齿轮的电机(2)、面板(1)、截面确定装置(5)、第一齿轮(3)、第二齿轮(4)、激光测距传感器(6)、角度传感器(7)、显示装置和处理器，所述面板(1)和所述截面确定装置(5)固定连接，所述带有齿轮的电机(2)、所述显示装置、所述第一齿轮(3)和所述第二齿轮(4)均固定安装在所述面板(1)上，所述电机(2)的齿轮和第一齿轮(3)啮合，所述第一齿轮(3)和所述第二齿轮(4)啮合，所述激光测距传感器(6)固定安装在所述第一齿轮(3)上，所述角度传感器(7)固定安装在所述第二齿轮(4)上；

所述激光测距传感器(6)、所述角度传感器(7)和所述显示装置均连接所述处理器，所述处理器接收所述激光测距传感器(6)和所述角度传感器(7)采集的数据并通过显示装置进行显示。

2.根据权利要求1所述的地铁隧道截面圆心确定装置，其特征在于，所述激光测距传感器(6)的激光发射探头固定安装在所述第一齿轮(3)的中心处。

3.根据权利要求1所述的地铁隧道截面圆心确定装置，其特征在于，还包括控制面板，所述控制面板连接所述处理器，所述控制面板用于指令信息的输入。

4.根据权利要求1所述的地铁隧道截面圆心确定装置，其特征在于，所述角度传感器(7)测试角度为0°时，所述激光测距传感器(6)发出的光线位于水平位置。

5.根据权利要求1所述的地铁隧道截面圆心确定装置，其特征在于，所述截面确定装置(5)为工字型框架，所述面板(1)竖直固定安装在所述工字型框架的横梁上。

6.根据权利要求1所述的地铁隧道截面圆心确定装置，其特征在于，所述电机(2)为步进电机。

7.根据权利要求1所述的地铁隧道截面圆心确定装置，其特征在于，所述第一齿轮(3)和所述第二齿轮(4)的直径和齿数相同。

8.根据权利要求1所述的地铁隧道截面圆心确定装置，其特征在于，所述显示装置为液晶显示屏。

9.一种地铁隧道截面圆心确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将地铁隧道截面圆心确定装置放置在测试隧道中，使所述面板(1)平行于隧道截面，以所述激光测距传感器(6)激光发射探头位置为原点，水平位置为X轴，竖直位置为Y轴建立与隧道截面平行的坐标系；

(2)旋转所述激光测距传感器(6)到一点C，所述激光测距传感器(6)测量该点到原点的距离，所述角度传感器(7)测量该点与X轴的夹角，确定C点在坐标系中的坐标；

(3)重复步骤(2)两次，分别确定同一平面不同点的坐标，分别为D点和E点；

(4)利用不在同一直线上的C点、D点和E点确定地铁隧道截面圆心O的坐标。