CN109556539B - 一种基于盾构管片测定的大坡度隧道轴线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于盾构管片测定的大坡度隧道轴线检测方法，该方法利用环片接缝边缘确定隧道断面采集平面，建立独立坐标系，以最小二乘法拟合空间圆，再进行坐标系转换。与现有技术相比，本发明充分考虑隧道轴线检测时采集断面竖直偏差改正，能够真实反映隧道轴线施工偏差，方法更加科学可行，测量误差小，实施成本低。

Description

一种基于盾构管片测定的大坡度隧道轴线检测方法

技术领域

本发明涉及一种轴线检测方法，尤其是涉及一种基于盾构管片测定的大坡度隧道轴线检测方法。

背景技术

大坡度隧道掘进过程中，盾构机前部质量较大，一旦产生姿态偏差，将对环片纠偏产生较大困难，并且不利于控制隧道成型，甚至影响盾构出洞，因此，隧道施工过程中需要对隧道轴线进行实时检测，以确保盾构掘进的准确性。通常轴线检测方法有二：

1、水平尺加高度量测：此方法观测点位置并非实际环片中心，尤其当隧道坡度较大时，在隧道内并不能靠人眼判断坡度，如果以竖直面高度代替环片径向长度即隧道垂直面将产生明显偏差，直接影响轴线实测精度。

2、全站仪断面量测：此方法通常是在竖直面内采集环片点三维坐标，当隧道坡度较大时，同样存在实际采集面与应采集面的较大偏差，即使一些断面采集软件考虑了按隧道轴线设计坡度确定采集断面方向，但是由于轴线检测正是需要测定实际施工轴线与设计轴线的偏差，显然，当施工轴线与设计轴线存在较大偏差时，由于依据设计轴线定向，将难以发现施工轴线真实偏差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于盾构管片测定的大坡度隧道轴线检测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于盾构管片测定的大坡度隧道轴线检测方法，具体步骤包括：

(1)全站仪按垂直管片纵向定向，沿环片接缝处仪器一侧环片边缘逐点测定三维坐标，测点的三维坐标为(x_i，y_i，h_i)^T，以此拟合平面；

(2)计算测点到拟合平面的垂距，剔除粗差点，计算合格测点在拟合平面的坐标；

(3)以拟合平面上的二维点拟合圆曲线，计算圆心坐标；

(4)将圆心在拟合平面上的坐标转换为原坐标系的坐标，与设计坐标进行对比，即完成检测。

进一步的，步骤(1)中：测点离开接缝边缘同等距离。

进一步的，步骤(1)中：测点拟合空间平面o’-x’y’z’的方程为ax+by+ch+d＝0。

更进一步的，步骤(2)中测点的坐标为(xp_i,yp_i,hp_i)^T，计算方程为：

式中：v_i＝-ax_i-by_i-ch_i-d。

更进一步的，步骤(3)中：

圆的方程为：(xp_i-x₀)²+(yp_i-y₀)²＝R²式中：(x₀,y₀)为圆心平面坐标，R为圆的半径，

误差方程：

式中：

更进一步的，步骤(4)中：将圆心在拟合平面中的坐标(x₀,y₀,0)转换为原平面中的坐标(x_x,y_y,h_h)，

式中：(x_c,y_c,h_c)为坐标系平移量，α，β，γ为坐标系转换旋转角，R_1(α),R_2(β),R_3(γ)为旋转矩阵，其计算式为：

本发明巧妙利用环片接缝确定隧道断面采集平面，较以往测量方案更能客观反映出隧道施工现状，建立独立的坐标系，以最小二乘拟合空间圆，坐标转换模型严密，计算精度高、误差小。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)充分顾及隧道轴线检测时采集断面竖直偏差改正，真实反应隧道轴线施工偏差；

2)外业实施方案简便，方法科学可行；

3)同一站一次可检测多个隧道断面；

4)测量精度能够有效保证，测量误差影响小；

5)建立独立坐标系，计算更加精简，计算精度高、误差小。

附图说明

图1为本发明的检测方法的示意图；

图2为拟合平面和原平面的示意图；

图3为实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种基于盾构管片测定的大坡度隧道轴线检测方法，具体方案如下：

1)在隧道地面布设测站点，以地下控制点测定测站点平面坐标和高程，如图1所示。

2)在测站点设置高精度免棱镜全站仪，量取仪器高。

3)全站仪按垂直管片纵向定向，沿环片接缝处仪器一侧环片边缘逐点测定三维坐标(x_i,y_i,h_i)^T，要求测点离开接缝边缘尽量同等距离(人眼估计误差在5cm以内)，观测数据自动记录在仪器内存。

4)以一测站所采集三维坐标拟合空间平面o’-x’y’z’，如图2所示：

ax+by+ch+d＝0。

5)逐点计算各测点到平面的垂距，剔除粗差点，将所有合格点投影到所拟合平面，计算点在拟合平面上的坐标：(xp_i,yp_i,hp_i)^T

式中：v_i＝-ax_i-by_i-ch_i-d。

6)以拟合平面上的二维点(xp_i,yp_i)^T采用最小二乘法拟合圆曲线，并计算圆心三维坐标：

圆的方程为：(xp_i-x₀)²+(yp_i-y₀)²＝R²式中：(x₀,y₀)为圆心平面坐标

误差方程：

式中：

7)坐标转换：将圆心在o’-x’y’z’坐标系中的坐标(x₀,y₀,0)转换为隧道施工坐标系o-xyh中的坐标(x_x,y_y,h_h)

式中：(x_c,y_c,h_c)为坐标系平移量

上式中，α，β，γ为坐标系转换旋转角，R_1(α),R_2(β),R_3(γ)为旋转矩阵，其计算式：

如图3所示，某隧道区间设计坡度35‰、环片内径10.5m，现分别采用常规断面采集方法和本方法进行同一测站两次断面数据采集，观测数据和计算结果如下：

在不考虑其他测量因素对偏差的影响，对上述计算结果进行比较，得出如下结论：

由于采集断面竖直偏差将导致隧道中心点在轴线里程上相差183mm，在轴线高程方面相差7.5mm，而以竖直面采集隧道断面将使断面线由圆而变为椭圆，导致拟合半径计算结果相差4.0mm。

通常隧道轴线测量误差要求小于±25mm，显然，上述多项偏差将对隧道轴线的平面和高程检测结果产生明显影响。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于盾构管片测定的大坡度隧道轴线检测方法，其特征在于，具体步骤包括：

(1)全站仪按垂直管片纵向定向，沿环片接缝处仪器一侧环片边缘逐点测定三维坐标，测点的三维坐标为(x_i，y_i，h_i)^T，以此拟合平面；

(2)计算测点到拟合平面的垂距，剔除粗差点，计算合格测点在拟合平面的坐标；

(3)以拟合平面上的二维点拟合圆曲线，计算圆心坐标；

(4)将圆心在拟合平面上的坐标转换为原坐标系的坐标，与设计坐标进行对比，即完成检测；

步骤(1)中：测点离开接缝边缘同等距离；

测点拟合空间平面o’-x’y’z’的方程为ax+by+ch+d＝0；

步骤(2)中测点的坐标为(xp_i,yp_i,hp_i)^T，计算方程为：

式中：v_i＝-ax_i-by_i-ch_i-d，

步骤(4)中：将圆心在拟合平面中的坐标(x₀,y₀,0)转换为原平面中的坐标(x_x,y_y,h_h)，

式中：(x_c,y_c,h_c)为坐标系平移量，α，β，γ为坐标系转换旋转角，R_1(α),R_2(β),R_3(γ)为旋转矩阵，其计算式为：

2.根据权利要求1所述的一种基于盾构管片测定的大坡度隧道轴线检测方法，其特征在于，步骤(3)中：

圆的方程为：(xp_i-x₀)²+(yp_i-y₀)²＝R²式中：(x₀,y₀)为圆心平面坐标，R为圆的半径，

误差方程：

式中：

Images