（地图制图学与地理信息工程专业论文）长距离隧道盾构管片选型模型与系统实现.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的发展和人类文明的进步，盾构( 机) 作为现代地下工程中 的重要施工机构，在地下空间开发中发挥着越来越重要的作用。管片选型是隧 道盾构施工中的重要环节之一，其选型结果好坏直接影响到隧道的施工质量。 而现行的选型模型只有对盾构长度在3 5k m 以下的隧道有良好的施工贯通效 果，对于一些超过3 5l 锄的长距离隧道( 例如：上海长江隧道) ，因其对管片 选型和隧道轴线拟合的精度有了更加严格要求，则传统的选型模型稍显不足， 另外对于在盾构施工中通用楔形管片选型的研究也比较欠缺。 本文以长距离隧道盾构中通用楔形管片的选型为研究对象，介绍了基于坐 标转换和平面最d x - 乘拟合的管片选型模型：并针对该模型，给出了在v i s u a l c + + 6 0 平台下该模型的软件实现；然后设计了两种实验，通过实验的方法，不 但验证了本模型的可行性和精确性，还定性的得出了各个输入量的误差对最终 选型结果误差的影响；最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：盾构，通用管片，管片选型，平面拟合，坐标转换 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fs c i e n s et e c h e n o l o g ya n dt h ep r o g r e s so fh u m a n c i v a l i z a t i o n , t h ee f f e c to ft h ec o n s t r u c t i o no fl o n g d i s t a n c et u n n e ls h i e l du e s di nt h e u n d e r g r o u dp r o j e c t sh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei r n p o t a n t t h er i n g sp r e d i c t i o ni so n e o fi m p o r t a n ta s p e c t si nt u n n e ls h i e l d ，t h er e s u l t so fr i n g sp r e d i c t i o na lei n f l u e n t i a li n c o n t r o l l i n gt h eq u a l i t yo ft u n n e lc o n s t r u c t i o n w h i l et h ec u r r e n tm o d e l so fr i n g s p r e d i c t i o nj u s th a v eg o o de f f e c to nt h et u n n e l sw h o s el e n g t ha r eb e l o w t h e3 5k r n , f o r s o m et u n n e l sw h o s el e n g t ha l el o n g e rt h a n3 5 k m ( i e s h a n g h a ic r o s sy a n g t z er i v e t u n n e l ) h a v em o r es t r i c td e m a n d so nt h ep r e c i s eo f t h er i n g sp r e d i c t i o na n dt h ef i t t i n g o ft u l l n e la x i s 。t h ec o n v e n t i o n a lm o d e l sh a v ep o o rr e s u l t so nt h i s f u r t h e rm o r et h e r e a r eq u i t ef e ws t u d yo nu n i v e r s a lw e d g e s h a p e ds e g m e n t t h i sd i s e r t a t i o np r e s e n t sas t u d yo ft h er i n g sp r e d i c t i o ni nt h ec o n s t r u c t i o no f l o n g d i s t a n c e t u n n e l s h i e l d ，ar i n g sp r e d i c t i o n m o d e lb a s e do nc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o na n dp l a n ef i t t i n gi se s t a b l i s h e d ac o m p u t e ra n a l y s i ss y s t e mi st h e n e s t a b l i s h e df o rt h em o d e lo n 也ev i s u a lc 十卜6 0p l a t f o r m m o r e o v e rt h r o u g ht h e a n a l y s i so fap r a c t i c a lc a s ei ns h a n g h a ic r o s sy a n g t z er i v et u n n e la n d t h em e t h o do f e x p e r i m e n t ，t h em o d e li sp r o v e dt ob ef e a s i b l ea n dp r e c i s e i nt h ee n dt h ew o r ko ft h e f u t u r eh a sb e e np r o p o s e d k e yw o r d s ：t u n n e ls h i e l d ，u n i v e r s a lw e d g e - s h a p e ds e g m e n t ，t i n g sp r e d i c t i o n , p l a n e f i t t i n g ，c o o r d i n a t e sc o n v e r t i o n i l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月 日 第1 章绪论 1 1 盾构技术概述 第1 章绪论 2 1 世纪是地下空间的世纪。随着科学技术的发展和人类文明的进步，城市 地下空间的利用将在加强城市功能，改善城市环境，实现城市集约化和可持续 发展中将发挥越来越重要的作用。而盾构( 机) 作为现代地下工程中的重要施 工机构，在地下空间开发中起着举足轻重的作用。 使用盾构法修建隧道至今已有1 7 0 多年的历史，其最初的作用仅是作为活 动的施工防护措施，自1 8 6 9 年英国人格雷脱海特应用盾构技术成功的修建英国 泰晤士河下水底隧道，盾构技术才得到普遍的认识。二十世纪初，盾构施工法 已在美、英、德、苏、法等国开始推广。从二十世纪六十年代起，盾构法在日 本得到迅速发展，用途越来越广，当今的盾构施工已从手掘式发展为机械式， 并发展成气压盾构、挤压式盾构、网络盾构、泥水加压式盾构、局部气压盾构、 土压平衡盾构等多种盾构形式，同时为了适应多种需求，盾构的断面形状有矩 形、马蹄形、椭圆形、圆形、双圆形等等n 1 。 盾构法在我国起步较晚，但发展较快，特别是近年来，我国城市建设飞速 发展，由于盾构施工速度快、对周边环境影响小、地层适应性强、工程质量高 等优点，已在隧道施工中占据了主导地位。全部或部分区间采用盾构法施工的 典型工程有北京地铁四号线、北京地铁十号线、上海地铁m 7 线、广州地铁三号 线、天津地铁二号线等等圆。 盾构法施工的一般方法为：在隧道的一端建造竖井，使供盾构机安装就位， 盾构机从竖井的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线向另一竖井推进。推 进过程中盾构机所受的阻力通过液压系统传递到盾构尾部的隧道衬砌结构上。 每推进一个工作行程，就在盾尾保护下拼装一环衬砌环，同时向靠近盾尾后面 的地层与衬砌环外周之间的空隙中压注浆液，以防止隧道及地面下沉。 衬砌在施工阶段作为隧道施工的支护结构，它在保护开挖面、防止土体变 形、土体坍塌、泥水渗入，承受盾构推进时的千斤顶顶力及其他施工荷载等方 面发挥巨大的作用口】。 第1 章绪论 1 2 衬砌环介绍 我国隧道工程中主要采取以下两种衬砌环： 1 2 1 普通衬砌环 衬砌环按其形状可分为：平行环( 标准换) 和楔形环( 转弯环) 两种( 如 图1 1 所示) ，平行环和楔形环按照不同的组合形式可以拟合出不同半径的曲线 隧道。施工中，隧道衬砌直线段一般采用等宽的平行环，在平面曲线和竖曲线 段则采用不同的楔形圆环对隧道轴线进行拟合，这在无形中增加了施工的成本； 同时，由于管片楔形量是固定的，从而不利于在盾构施工中对隧道轴线的精准 控制即。 1 2 2 通用衬砌环 图1 1 普通衬砌环 近年来，通用管片得到了普遍的应用，并已成为国内大中型盾构隧道设计 中优先考虑的衬砌形式，代表着盾构隧道衬砌形式发展的主流方向。深圳地铁 一期工程7 标段是我国首次采用通用衬砌环嘲。所谓“通用衬砌环”，是指在整 条隧道施工中，所有管片环只有一种形式，即管片本身具有一定的楔形量( 如图 1 2 所示) 。通过楔形环的有序旋转和组合，使得在同一条隧道内仅采用这一种 管片形式就能适合于直线、左转曲线、右转曲线、等各种曲线，从而拟合出设 计所需的线路口】。 2 第1 章绪论 图1 2 通用衬砌环 和普通管片相比，通用管片的优势主要表现在以下几个方面阳1 ：衬砌环只有 一种，模具利用率高，工程造价低；管片生产、运输和储存都比较方便；管片 拼装位置多，选择余地大，利于对隧道轴线的精准控制；通过拼装时的旋转可 以避免通缝，增加了隧道的强度；避免多种衬砌环时不同配筋的衬砌数量的不 确定性，节约钢筋用量；可在三维空间内对轴线进行拟合，不需要采用楔形贴 片来拟合竖直曲线；不需要盾构机进行特殊配置等。 对应通用管片，主要有两种拼装方式：通缝拼装和错缝拼装( 如图1 3 所 示) 。通缝拼装要求管片的纵缝环环对齐，具有拼装较为方便、易定位、衬砌环 施工应力小的优点，同时又有环面不平整、误差容易累积、衬砌结构整体刚度 较差、不利于防水等缺点。错缝拼装要求在拼装时旋转一定的角度来避免通缝， 不但能有效的克服通缝拼装带来的问题，同时对盾构的轴线的控制也是十分有 利的脚。因此，目前我国的隧道工程中采用错缝拼装技术的工程日益增多。 通缝拼装 图1 3 管片的拼装方式 3 错缝拼装 第1 章绪论 1 3 管片选型 盾构隧道的设计轴线可以看作是一系列单位长度的矢量段首尾相接形成的 “矢量链 ，管片选型目的就是在一定施工条件下，用一系列衬砌环的中心矢 量形成的“矢量链拟合设计轴线形成的“矢量链 ( 如图1 4 所示) 。在具体 施工时，每一衬砌环动态地根据现场情况计算出旋转角度以确定其拼装位置， 这一过程称为“管片选型。管片选型结果的好坏不但对于盾构推进轴线和隧道 设计轴线的偏差控制有决定作用，直接影响到隧道的施工质量，特别是对于隧 道的贯通误差有较大的影响n 们。所以，管片选型在现代隧道盾构法施工中是一 重要课题，同时利用计算机技术来实现管片选型的智能化具有广阔的应用前景。 1 4 国内外主要研究方法 图1 4 管片选型原理 管片选型是盾构导向的重要内容，国内外盾构导向的研究主要有两个方向： 一种是借助于陀螺仪的导向装置，如日本g y r o 系列和t m g 一3 2 b 方向监测装置u u ， 但由于系统稳定性的问题应用较少。另一种是激光导向系统，如英国的z e d 系 统、德国v m t 公司的s l s - t 系统和r o b o t e c 系统等n 幻。其中v m t 公司的激光导 向系统功能完善、测量精度高，代表了盾构导向技术的先进水平，可以将盾构 掘进偏差量的测量精度有效的控制在l o m m n 羽。但由于该系统造价昂贵、移植性 低、对操作工人的技术要求高，使得无法在国内的隧道盾构中被大规模的采用。 我国在盾构导向的研究还处于起步阶段，主要成果有采用刚性空间定位技术的 “盾构之星软件一n 钔和利用全站仪测量并控制的导向系统n 司。但其精度和稳定 性方面都有待进一步的完善和提高。 4 第1 章绪论 国外的隧道盾构系统具备管片选型功能的主要有v m t 公司的s l s - t 系统、 t a c s 公司的a s c 系统等。这些软件都具备完善的自动选取管片、自动设计纠偏 曲线的功能，施工人员可以结合施工现场的实际情况对计算结果进行选取，以 确定最佳的管片拼装位置。 国内的相关的管片排版和选型软件还比较少，多是依靠施工人员的现场测 量计算和经验来进行选型。不但施工效率大受影响、准确度不高、同时也大大 增加了技术人员的工作强度。国内新建或在建的几条隧道中，选型技术主要还 是依靠国外的系统，如上海市上中路隧道工程中，采用了p y x i s 测量导向系统 来进行盾构定姿和管片选型田1 。p y x i s 系统通过盾构机各个千斤顶的行程与盾尾 间隙值数据进行偏差量计算，同时结合管片纵缝的情况综合考虑给出最优的拼 装位置，并预测未来两环管片的趋势。目前，国人在管片选型软件上做了些有 益尝试，并取得了一些成果，如陆雅萍等做的盾构管片排版和纠偏管理软件n 町， 可根据管片与隧道轴线的方向角偏差进行排版，但拟合结果出现误差累积。高 春香等编制了盾构施工中管片的简易选取程序n ，但只适用于普通管片环。 1 5 本文的研究意义和主要内容 本文模型来源于上海长江隧桥( 崇明越江隧道) 工程。上海长江隧道起于 浦东新区五好沟，穿越南港水域在长兴岛西南方登陆，全长8 9 5 5k i n ，其中盾 构隧道段长约7 4 7l 锄。全程采用盾构法隧道掘进，隧道衬砌全部采用通用楔形 管片，是目前世界上直径最大的长距离盾构施工隧道n 钔。上海长江隧道( 盾构 段7 4 7k m ) 已经超过了现有测量规范定义的距离，属于长距离隧道，如此长距 离隧道的贯通精度却仅为1 5 c m ，这就对管片选型的精度和隧道盾构过程中轴线 误差的控制有了更加严格要求，传统的管片选型模型无法满足如此长距离盾构 的贯通精度。同时随着通用管片的普遍应用，已有的研究工作对于通用管片在 盾构施工中的动态选型也并无优势。 因此，当前迫切的需要设计一种满足长距离隧道盾构贯通精度要求的通用 管片选型模型，并将其软件实现，使其在满足施工要求和贯通精度的前提下， 提高盾构施工的智能化和施工速度。 本文从经典测量理论中的坐标转换和平面最小二乘拟合的角度，介绍了一 种全新的管片选型方法，并针对该模型，给出了选型系统的软件实现，最后通 5 第1 章绪论 过对选型模型精度的分析，验证了本模型的可行性和在实际工程中的良好效果。 本文的章节安排： 第1 章绪论。阐述了课题相关技术的国内外发展状况，研究的背景意义。 第2 章选型模型介绍。介绍了一种基于坐标转换和平面拟合的动态管片选 型模型，并严密地推导了管片选型模型以及盾尾间隙量的计算公式。 第3 章软件实现与实例计算。基于v i s u a lc + + 6 0 开发平台，实现了该选 型模型。并通过一组实际施工数据验证了系统的可靠性和稳定性。 第4 章模型精度分析。结合实例，通过试验的方法对该选型模型的进行误 差分析，得出了有益结论。 第5 章总结与展望。对论文中所作的工作进行了总结，说明了今后需要解 决的问题。 6 第2 章基于坐标转换和平面拟合的选型模型 第2 章基于坐标转换和平面拟合的选型模型 2 1 选型模型计算流程 本章主要介绍基于坐标转换和平面拟合管片选型数学模型。其计算流程( 如 图2 1 所示) 可分为三个步骤：拼装面信息计算、首环管片拼装位置计算和后 续环拼装位置的计算。 计算拼装面信息 同 弋夕 首环选型计算 门 弋夕 后续环选型计算 2 2 管片选型的影响因素 图2 1 盾尾间隙图 管片选型的施工会受到以下几个因素的影响： 1 管片宽度 随着设计和施工经验的成熟，盾构施工中所用管片的宽度有逐渐增大的趋 势，已从l m 、1 2 m 、1 5 m n 钉发展到2 m 。与l m 、1 2 m 和1 s i n 宽度的管片相比， 7 第2 章基于坐标转换和平面拟合的选型模型 使用宽度为2 m 的管片可以有效的减少施工所用的管片数量，从而延长了模具 的使用寿命、提高了隧道的施工速度，另一方面减少了隧道拼装接缝数和环缝 链接螺栓、止水条、衬垫的使用量，不但降低了成本同时提高了隧道防水质量 啪1 。但管片宽度的增大，要求盾构机千斤顶的行程增加，增加了轴线的拟合误 差和施工的难度。 2 楔形量 通用管片在平面上的投影为等腰梯形，梯形长边与短边的差值即为楔形量， 它也正是通用管片区别于普通管片的地方。依靠楔形量和管片在贴合面上的旋 转可以拟合出不同类型的空间曲线。不同的隧道工程所使用的管片的楔形量是 不同的，楔形量的大小跟施工单位的技术水平、盾构机长度、刀盘直径、隧道 转弯半径等密切相关，其选取必须综合考虑，一般来说，隧道转弯半径越小， 环宽也越小，楔形量越大。 3 管片最小旋转角 已拼装管片与后续管片通过纵向螺栓等连接，因为连接件均匀分布，所以 管片拼装时并不能旋转任意的角度，只能旋转最小旋转角度的整数倍。管片的 最小旋转角度在具体的盾构工程中，表现为管片上相邻螺栓夹角的最小公倍数。 一般来说，纵向连接件间距越小，最小旋转角度越小，拼装的精度也越高。 4 管片的拼装位置 管片拼装位置对应为管片最小旋转角度的倍数。通过拼装时管片的旋转， 控制盾构隧道的轴线走向，当需要调向时，相邻管片采取短边与短边相接、长 边与长边相接的方法，使隧道轴线按预计方向前进口。不同的管片拼装位置对 实际盾构轴线与设计轴线的误差、盾尾间隙和相邻环的通缝数等将有直接的影 响。 5 盾尾间隙 盾构机的尾部有一圈加强环，用于保持盾尾圆度，另可以防止泥水进入盾 尾密封刷内，加强环的高度一般为4 5 6 0n m 。在盾构推进过程中，要求盾壳和 管片外表面之间要保持一定的空隙，这个间隙就是“盾尾间隙 ( 如图2 2 所示) 。 盾尾间隙值是控制管片选型的重要因素之一，如果盾尾间隙过小，盾尾钢刷会 8 第2 章基于坐标转换和平面拟合的选型模型 与管片发生干扰，加重盾构机推进阻力，严重的会使管片错台甚至损坏嘲。为 此在实际施工中，应保证盾尾间隙不小于允许的最小间隙。管片的不同拼装位 置可以使一侧的盾尾间隙减小，另一侧的间隙得到最大补偿，从而可以对盾尾 间隙起到调节作用陶3 。 图2 2 盾尾间隙图 6 千斤顶行程差 盾构机是依靠千斤顶推在已拼装管片上产生的反向力向前掘进的。千斤顶 一般分为若干组，并均匀分布在盾构机盾尾面内。这几组千斤项的行程差反应 了盾构机与已拼装管片之间的相对空间关系，如果这个差值过大时，推进千斤 顶的推力会在管片的径向产生较大的分力，从而影响已拼装好的管片和主机掘 进的姿态，甚至使管片破损嘲1 。 2 3 选型计算模型 2 3 1 拼装面计算 管片选型时，首先要将待拼装的管片和已拼装的管片( 即拼装面) 贴合， 为此需要求出拼装面的方程。已拼装的管片与千斤顶和盾构机相关联( 如图2 3 所示，点日为盾构机切口点，点尺为盾构机盾尾点，点r 所在平面为盾尾平面， 9 第2 章基于坐标转换和平面拟合的选型模型 点互为拼装面中心点，点五所在平面为拼装面) ，根据盾构的姿态和千斤顶在盾 尾平面内的分布角度可以确定千斤顶盾尾点的施工坐标；根据千斤顶的量程， 又可以确定千斤项管片点的施工坐标，拟合得到管片平面方程；通过求得的管 片平面方程和已知的设计轴线数据，可以获得管片中心的施工坐标。 盾构机 图2 3 盾构机、千斤项及拼装面的空间关系 拼装面的计算流程可由流程图2 4 来表示。 1 0 第2 章基于坐标转换和平面拟合的选型模型 图2 4 拼装面计算流程图 1 1 第2 章基于坐标转换和平面拟合的选型模型 1 求切口点日的近似坐标 将切口处里程所胃代入设计轴线数据，得到轴线上切口里程处前后两点的施 工坐标，按式( 2 1 ) 内插出切口点h 的近似施工坐标似z h ) 7 址等等蝎+ 等等瞄z ； = 等等哪鼎螺 汜。 z = 等等x z i + 等等z ：； 式中，所。，m 2 分别为轴线上切口里程处前后两点似。墨z 。) r ，似：k z 2 ) 7 的里程数。 2 求盾尾点r 的近似坐标 设盾尾里程聊r 初值为m 一名( 式中，名是盾构机长度) ，代入设计轴线数 据，按式( 2 1 ) 内插出盾尾点天的初始近似坐标伍r ( 。k 。) z r ( 。丫，并由r 点至h 点的近似坐标反算出新的盾构长度，( 1 ；将盾尾里程修改为 脚一，盾+ o ( 1 ) 一名) ，重新内插得到盾尾点尺新的近似坐标伍r m m z r m ) r ， 并重新反算尺点至日点的盾构长度严；重复上一步，迭代至l f ( j - 1 0 ，若口3 a + b s b + c 3 c 0 ，贝s j x c ( a 3b sc 3 ) 7 取反号。 9 求拼装平面中心点互坐标 读入设计轴线数据，取出第i 、i + 1 轴线点的坐标伍，zz j ) r 、 钉互ht ，则f 点至，+ l 点的直线方程为： 1 7 第2 章基于坐标转换和平面拟合的选型模型 式中， 口4 ：x i + 1 - - x i b 4 ：三 当；p 为f 点至f + 1 点的距离。 c 4 ：z i + 1 一z i ( 2 1 6 ) 将直线方程代入管片平面方程，可得： 口3 0 l + 口4 ，) + 6 3 + b 4 t ) + c 3 ( 互+ c 4 f ) + 以= o ( 2 1 7 ) 式中，：一d 3 + a 3 x j _ + ：- b 3 y t + 一c 3 z f 。 a 3 d 4 + 如钆+ c 3 c 4 将，代入直线方程式( 2 1 6 ) ，求得直线与平面交点坐标，并判断若交点是 否在f 点与f + l 点之间；若不是，则取下一个轴线线段；直至交点落在当前的轴 线线段内，得到管片平面与中心线的交点坐标即z 点的近似坐标。 已知拼装面中心点相对于设计轴线的偏右量、偏上量为也) r ，计算 过程同本小节第3 部分，可得拼装面中心点五的实际施工坐标。 2 3 2 选型计算 管片选型的计算过程可简单描述为：假设待拼装的管片以“窄边”在上的 姿态已经与拼装面贴合，首先在待拼装管片的平面上取拟合点；然后以拼装面 的法向量为轴对管片进行顺时针旋转，每旋转一个固定角度( 即管片处于某一 拼装位置时) ，用拟合点拟合出当前管片平面，并计算出管片平面中心相对于设 计轴线偏差量；重复以上步骤，求出对应所有拼装位置的全部偏差量，如不考 虑其他因素，偏差量最小时对应的拼装位置即为所求的最优拼装位置。 选型的计算流程可由流程图2 6 来表示。 1 8 扩f 心 w ”吖 置r 互 = i i i i r y z 第2 章基于坐标转换和平面拟合的选型模型 由临时坐标系的定义求拟合点的临时 坐标系坐标 目 弋7 由临时坐标系与拼装坐标系的关系求 拟合点的拼装坐标系坐标 喜 根据输入的管片最小旋转角求对应于 不同拼装角度的拟合点的拼装坐标系 坐标 占 根据施工坐标系与拼装坐标系的关系 求对应于不同拼装角度的拟合点的施 工坐标 8 根据拟合点死的施工坐标和设计轴线 求当前拼装位置对应设计轴线的偏差 量 粤 根据所选拼装位置对应的拟合 点拟合出新的管片平面，将其作为下 一环管片的拼装面，重复以上步骤实 现连续选型 图2 6 选型计算流程图 1 9 第2 章基于坐标转换和平面拟合的选型模型 1 拟合点的坐标计算 建立管片的拼装坐标系0 t 吖y 少( 如图2 7 所示) ，原点0 为拼装面中心点 工轴在拼装平面内且指向管片的最薄处，一轴为拼装面法向量的方向且与 盾构方向相反，y 轴在拼装平面内且与x 轴、z 轴共同组成左手系。 p2 图2 7 管片拼装坐标系 在待拼装的管片的外平面上，从管片的最窄处顺时针方向每隔! 角度取点 2 p ，、p 2 、仍和风作为平面拟合点，且管片外平面中心设为五。 为确定a 、p 2 、p 3 、仇和疋点的拼装坐标系坐标，建立管片的临时坐标 系0 t 吖y ( 如图2 8 所示) ，原点仍为拼装面中心点互，一轴竖直向上指向 管片的最薄处， z 轴为管片的中心向量方向且与盾构方向相反，y 在拼装面 内与y 重合且与一轴、f 轴共同组成左手系。 2 0 第2 章基于坐标转换和平面拟合的选型模型 图2 8 管片临时坐标系 p j 从图2 8 可知，点p 。、p 2 、p 3 、p 。和互的在临时坐标系下的坐标分别为： ( ，。一w + 鲁) 、( o一，一w 厂、( 一，- 。一w 一鲁) 、( o ，一w 厂和 ( 00 一w ) r 。其中，d 为管片的楔形量，为管片外径，w 为管片宽度。 。褂 z 0 三筑；| ； 汜 式中，p ：t a i l 一业。 转至n 位时，p ，和正点的管片拼装坐标系坐标： 刚睾钏 z - x y z v 0 0 0 0 叭叫从 r p r y卜o 卜 川 s 嘲 o 1 o 第2 章基于坐标转换和平面拟合的选型模型 式中，丫= 以吾；m 为管片的全部拼装位数。 由管片拼装坐标系与实际施工坐标系的关系，则只和正点的施工坐标为： 蹦沙，_ 飞倒 汜2 。， 式中，( x r 。h r 。) 7 即拼装面中心点施工坐标；e ，、巳、p ：分别为管片拼 由此可得管片旋转至任一拼装位置对应的a 、p 2 、见、胁和正点的施工 2 正点相对于设计轴线偏差的计算 读入设计轴线数据，取出第i 、i + 1 轴线点的坐标z 互) 7 、 ( x ，：u ，z j “) 7 1 ，则f 点至f + 1 点的直线方程为： x = x i 七a 一 式中， a 5 = ：x + l w x 6 5 ：墨 羔 ；p 为f 至，+ l 中心点的距离。 c 。：z t + l - l , z - tr ：点与直线垂直的平面方程可表示为： 口5 x + 玩】，+ 铅z + 以= 0 ( 2 2 2 ) 式中，以= _ 口5 j 7 2 一玩写2 一c 5 乙2 2 2 第2 章基于坐标转换和平面拟合的选型模型 将式( 2 2 1 ) 代入式( 2 2 2 ) ，求直线与平面的交点，并判断若交点是否在 i 点与f + 1 点之间；若不是，则取下一个轴线线段；直至交点落在当前的轴线线 段内，求出此时交点与瓦点之间的距离即死点相对于设计轴线的偏差量。 求出旋转至所有拼装位置的偏差量，如不考虑其他因素，偏差量最小时的 对应的拼装位置即为所求的最佳拼装位置。 3 连续拼装 根据所选拼装位置对应的p 。点拟合出新的管片平面，将其作为下一环管片 的拼装面；同时将所选拼装位置对应的兀点作为拼装面的中心点，重复以上过 程，便可实现管片的连续选型计算。 2 3 3 盾尾间隙计算 本选型模型可计算出管片转至不同拼装位置时对应的最小盾尾间隙值。若 其小于给定的盾尾间隙限值，则剔除相应拼装位号。 计算最小盾尾间隙时，首先在管片圆周上每隔o 5 。取点，则共有7 2 0 个均 匀分布的特征点；然后将其投影至盾尾平面上，根据盾尾中心( 即盾尾点r ) 坐标和已知的盾壳内径，即可计算出各投影点的盾尾间隙值。当点的数量足够 多时，可认为其能反映当前拼装位置整个管片于盾壳的相对位置。 1 间隙点的坐标计算 在管片的外平面上，从管片圆周最薄处开始，顺时针方向每隔0 5 。取一个 点，则各点在临时坐标系d h y ”h ”下的坐标为： 时 ，c o 嘶幸蠡) 一r s i n ( i 蠡) d 事一： w + 2 4 r ( 2 2 3 ) 第2 章基于坐标转换和平面拟合的选型模型 式中，d 为楔形量；厂为管片外径；w 为管片宽度。 同上一节过程，可得到各点的施工坐标。 2 计算各点对应的盾尾间隙 将7 2 0 个点按盾构方向投影至盾尾平面，求其在盾尾平面上的投影点与盾 尾点r 的距离，即可得到各点对应的盾尾间隙值。 过7 2 0 点中任一点的投影直线方程可设为： 式中，zz i 厂为7 2 0 个点中的任一点，a b c ) 7 为盾构前进方向单位 向量。 将直线方程代入盾尾平面方程： 口( 置+ a t ) + b ( y i + 6 f ) + c 亿+ c f ) + d = o ( 2 2 5 ) 可得：，：一盟粤烨。 a + d + c 。 将f 值带回式( 2 2 4 ) ，可得投影直线与盾尾平面的交点的坐标即投影点施 工坐标。 盾尾平面上，各投影点对应的盾尾间隙值为： g a p ，= 厂后一( x ，一x 日) 2 + ( z 一) 2 + ( z ，一乙) 2 ( 2 2 6 ) 式中，盾为盾壳内径；z 互厂为各点的投影点坐标；kz 尺) r 为 盾尾点坐标。 2 4 本章小结 本章主要介绍了基于坐标转换和平面最小二乘拟合的管片选型数学模型， 给出了其详细的推导过程；同时详细的介绍了作为管片选型限制条件的盾尾间 隙值的计算方法，为下一章的软件实现打下了基础。 2 4 f 删所甜 h + + x r 互 = = = y y z 第3 章软件实现与实例分析 第3 章软件实现与实例计算 本章主要介绍基于坐标转换和平面拟合管片选型模型的选型系统及其实 现。该软件以v i s u a lc + + 6 0 为开发平台，并采用a d o 技术对选型数据进行 管理。 3 1 软件开发相关技术介绍 3 1 1v is u a ic + + 6 0 概述 v i s u a lc h _ 6 0 是m i c r o s o f t 公司开发基于c c + + 语言的集成开发工具，其集 成代码编辑、编译、连接、调试等功能于一体，并提供了多种有用的辅助开发 工具，它不但大大的提高了应用程序的开发效率，还给编程人员提供了一个完 整又方便的开发环境。 v i s u a lc 娟0 拥有两种编程方式：一种是基于w m d o w sa p i 的c 编程方式， 代码效率较高，但开发难度和工作量也很高；另一种是基于m f c 的c + + 编程 方式，代码运行效率相对较低，但开发难度较和工作量较小、源代码效率高。 如今用c 编程方式的用户已经很少，c + + 编程的方式已成为v i s u a lc + + 开发 w i l l d o w s 应用程序的主流。 在w i n d o w s 下编程，通常要调用w m d o w sa p i 函数加以实现。v i s u a lc 抖6 o 的集成开发环境将大量的w i n d o w sa p i 函数进行封装，通过m f c 的方式提供 给程序开发人员，大大简化了程序开发人员的编译工作，提高程序开发人员的 工作效率，同时利用v i s u a lc h - 6 o 提供的两个强大工具：a p p w i z a r d ( 应用程 序向导) 和c l a s s w t z a r d ( 类向导) 。使用a p p w i z a r d 可以在很短的时间内创建 出应用程序框架；使用可以在应用程序框架中快速的添加新类、成员变量和成 员函数，使开发w m d o w s 应用程序变得非常简单。 3 1 2a d o 技术介绍 a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t ) 是m i c r o s o f t 公司新近推出的一代数据访问规 第3 章软件实现与实例分析 范，其使用简便且功能强大，已经逐渐取代了o d b c 和d a o 技术，其是建立 在o l e d b 之上的高层数据库访问技术。它封装了o l e d b 所提供的所有接口， 用户能够编写应用程序通过o l e d b 访问和操作数据库中的数据。a d o 技术不 仅可以应用于关系数据库，还可以应用于非关系数据库、电子邮件、文件系统 等，可以使用统一的方法对不同的文件系统进行访问。使用a d o 连接数据库 有两种不同的方法，最为简便的方法就是直接使用a d o 控件，这样可以最大 的简化应用程序的编写，但是，这种方法对于程序的控制较差；另一种方法是 直接使用a d o 对象。a d o 对象中包含了连接( c o n n e c t i o n ) 、命令( c o m m a n d ) 、 记录集( r e c o r d s e t ) 和参数( p a r a m e t e r ) 对象等。 3 1 3 系统运行软硬件配置 系统运行所需软件环境中，操作系统为w i n d o w sx p ，且必需装有a c c e s s 数据库管理系统。 根据软件要求的运行环境以及计算机的发展现势和微机的性能价格比，硬 件方面建议用户选配p e n t i u m 以上机型，内存5 1 2 m 以上，显存4 m 以上。选配 机型要求满足运算速度和数据备份等特殊要求。 3 2 选型系统主要功能介绍及其实现 本管片选型系统主要包括新建工程模块、参数输入模块、选型计算模块和 图形显示模块等功能子模块。系统功能可由图3 1 表示。 _ 垮 | 。：_ i - 旧- _ 吾悟 第3 章软件实现与实例分析 管片选型系统计算流程可以由图3 2 表示。 3 2 系统选型流程图 数比较 第3 章软件实现与实例分析 3 2 1 新建工程文件 系统以工程为单位对选型数据进行管理，每个工程是一个a c c e s s 数据库文 件。 软件设计中，定义了c n e w p r o j e c t 类，通过其成员函数使用v i s u a lc 刊石0 的a d o 技术来创建a c c e s s 数据库和对应的选型计算表，新建工程界面如图 3 3 所示。 图3 3 新建工程界面 3 2 2 选型数据输入及其界面设计 选型数据输入包括三部分：设计轴线数据的输入、盾构机及管片的参数的 输入和实时选型数据的输入。 1 设计轴线数据输入及其界面设计 对于设计轴线数据，在实际工程中为记录设计轴线坐标的e x c e l 工作表( 如 图3 4 所示) ，其中第一列数据为施工坐标对应的里程值，第二、三、四列数据 分别为对应里程值的施工坐标x 、y 、z 值。实际工程中里程每隔2 m 取一个点 来拟合隧道设计轴线。 2 9 第3 章软件实现与实例分析 abcd 1 95 5 62 0 3 11 3 9 7 羔：8 7 7 7 2 0 11 ；- 1 32 2 2 1 2 0 5 5 82 0 3 12 2 4 7 18 7 7 9 0 11 613 2 8 0 1 2 15 6 02 0 3 13 0 9 6 18 7 8 08 2 2 413 3 3 8 1 2 25 6 22 0 3 139 4 4 38 7 8 2 6 3 3 713 3 9 6 1 2 3 5 6 42 0 3 1 4 7 9 1 78 7 8 4 4 4 5 313 4 5 4 1 2 45 6 62 0 3 15 6 3 8 28 7 8 6 2 5 7 31 35 1 2 1 2 55 6 82 0 3 1 6 4 8 3 98 7 8 8 0 6 9 71 3 5 7 0 1 2 65 7 02 0 3 17 3 2 8 88 7 8 9 8 8 2 513 6 2 8 1 2 75 7 22 0 3 1 8 1 7 2 98 7 9 1 6 9 5 613 6 8 6 1 2 85 7 4 2 0 3 1 90 1 6 18 7 9 3 5 0 9 213 7 4 4 1 2 95 7 62 0 3 19 8 5 8 68 7 9 5 3 2 3 113 8 0 2 1 3 05 7 82 0 3 2 0 7 0 0 28 7 9 7 1 3 7 413 8 6 0 1 3 15 8 0 2 0 3 2 1 5 4 1 08 7 9 8 9 5 2 11 3 9 1 8 1 3 25 8 22 0 3 2 2 3 8 0 98 8 0 0 7 6 7 113 9 7 6 1 3 35 8 42 0 3 2 3 2 2 0 18 8 0 2 5 8 2 614 0 3 4 1 3 4 5 8 6 2 0 3 2 4 0 5 8 48 8 0 4 3 9 8 414 0 9 2 1 3 55 8 82 0 3 2 4 8 9 5 98 8 0 6 2 1 4 6- 1 4 1 5 0 1 图3 4 d t a 轴线数据 软件设计中，定义了o n o p c n d t a ( ) 函数，通过使用v i s u a lc 抖6 0 的a d o 技术来对表中的数据进行操作，实现打开和读取设计轴线文件，界面如图 3 5 所示。 隧一搬豳 国 查找范围遁) ：i 自选型程序- _ j - 自醇园7 i m “i ，l j 、 f ? 狲4 豫缈 国y m a p圜d e s i s n a z i s x l s 园t u n n e l i r 塔p e c t ( 单) 漕腿r a r 商v g i s哟选形d o c 面双 国余 文件名q d ： ii 打开瞧) j o 一。一【m 一 t 文件类型：i 、，。，一 取消 l ， 图3 5d t a 轴线数据输入界面 2 盾构机及管片参数输入及其界面设计 盾构机及管片参数对于不同的工程是不同的常量值。对于同一个工程，技 3 0 第3 章软件实现与实例分析 术人员一次手动输入后将不用再次输入。 软件设计中，分别定义了基类为c d i a l o g 的c d l g s h i e l d i n p u t 类和 c d l g r i n g l n p u t 类，实例化后生成对话框将盾构机及管片参数作为常量手动输 图3 6 盾构机参数输入界面 图3 7 管片参数输入界面 3 1 第3 章软件实现与实例分析 3 实时选型数据输入及其界面设计 实时选型数据是计算已拼装管片空间位置的必要数据。 软件设计中，定义了基类为c d i a l o g 的c d l g f i r s t c a l 类，实例化后生成对话 框手动输入实时选型数据，如图3 8 所示。 图3 8 实时选型数据输入界面 3 2 3 选型计算功能设计 当选型参数输入完毕，点击“确定一键，系统进入首环管片的选型计算。 软件设计中，首环管片的选型计算通过为o n f i r s t r i n 9 0 i 函数来实现，选型结果 如图3 9 所示。 3 2 第3 章软件实现与实例分析 口二：“一 - 一一一一一 矗0 旦o 。 鲁 o o _ j ”r 二 圉3 9 首环瞥片的选型结果 软件设计中，后续环的选型通过o n n e x t r j n 9 0 i 茧数实现。根据系统给出的 最优选型结果，输入本环管片的拼装位号，“确定”后进入下一环管片的选型计 算。输入选择位号界面如图3 1 0 所示。 图31 0 输入选择位号界面 324 结果显示及其界面设计 选型计算完毕后将选型结果以阁形的方式显示，软件设计中定义了基类 为c c s c r o l l v i e w 类的c v i e w l 类和c v i e w 2 类，分别显示管片旋转示意图( 如 3 3 第3 章软件实现与实例分析 图31 1 所示) 及其选型计算结果和本环不同拼装位最对应的偏差量( 如图31 2 所示) 。 o o 一 0 o 矗 一e 雨奢i 由 义 圈3 】l 管片旋转示意图 由图31 1 显示的结果，可知综合考虑错缝、盾尾间隙限差条件后，给出的 9 、1 、1 8 位是偏差量最小的拼装位置即本环的最佳拼装位置。 图31 2 拼装位置对应的偏差量 系统界面左上角设计有树形控件，用来显示已选管片的序号，如图31 3 所 一 爵嘭吖 第3 章软件实现与实例分析 降li1 l 图3 1 4 起算数据显示 在选型计算的同时，选型计算的结果及一些中f b q 必, 要数据被写入a c c e s s 数 据库( 如图31 5 所示) ，方便日后的查阅与维护。 第3 章软件实现o o 实例分析 ：!j!二!：li!i、。一一 图3 151 程数据库图 3 3 实例计算 选取上海长江隧桥( 崇明越江隧道) 工程中的一组数据进行分析，设计轴 线数据选取其实测数据，其盾构机及管片参数设置如表3l