盾构激光法导向系统测量数学模型分析.pdf

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直线 圆曲线 缓和曲线 和转弯方向 右转 左转 Ls P0 F0确定了曲线元的长度以及起点的位置和方向 Ks Ke决定了曲线前后相接的线型 以右手平面直角坐标系为例 采用大地坐标或左手平面直角坐标系时 仅需作简单的坐标变换即 可 介绍各类曲线元的坐标计算方法 直线上任意一点P X Y 距P0 X0 Y0 之距离为L 见图2 则 X X0 L cosF0 Y Y0 L sinF0 P点的方向角F F0 图图2 直线示意图直线示意图 页码 1 6 W w 2011 8 25 圆曲线上任意一点P X Y 其与P0的差为L 见图3 图图3 圆曲线示意图圆曲线示意图 圆曲线半径R 1 Ks 由F0可推算出圆心P1 X1 Y1 与P0直线的方向角为F0 2 进而求出圆心坐 标 X1 X0 R cos F0 2 Y1 Y0 R sin F0 2 P X Y P0 X0 Y0 对应的圆心角 L R 由F0 可推算出圆心P1 X1 Y1 至P X Y 直线的 方向角 F0 2 则P点坐标为 X X1 R cos Y Y1 R sin 缓和曲线有三种连接情况 直线和圆曲线连接 起点曲率Ks 0 曲线上各点的曲率随着桩号的增大 而增大 圆曲线和直线连接 曲线各点的曲率随着桩号的增大而减小 直至零 不同半径的圆曲线连接 起点曲率 0 当 Ks Ke 时 曲线上各点的 曲率随着桩号的增大而减小 在隧道平曲线的设计中 缓和曲线一般是对称设置 都可转化为直线和圆曲线连接的情况进行处理 设缓和曲线上任意一点P X Y 与P0的差为L 见图4 图图4 缓和曲线示意图缓和曲线示意图 先引入局部坐标系 X O Y 它的原点O 在P0处 横坐标轴X 的正向为F0的方向 P点在局 部坐标中的坐标为 P点切线与X 轴的夹角 P点的坐标可通过坐标变换求出 X X0 X cosF0 Y sinF0 Y Y0 X sinF0 Y cosF0 P点的方向角F F0 以上公式适用于曲线左转的情况 右转时 公式要作必要的符号变换 组成一条平曲线的各曲线之间是平滑相接的 即前一曲线元的终点和后一曲线元的起点具有相同的坐 标和方向角 因此计算时 以L Ls代入曲线元的计算公式 求出的P X Y 和F即为下一曲线元的P0 X0 Y0 和F0 这样 对于一条平曲线 除了确定各曲线元的Ks Ke以外 只要给出第一个曲线元的P0 X0 Y0 和F0 即可求出曲线上任意点的坐标 页码 2 6 W w 2011 8 25 3 获取切口中心和盾尾中心三维坐标的方法获取切口中心和盾尾中心三维坐标的方法 3 1 切口中心的测量 由ELS标靶可以得到激光靶的反射棱镜在隧道坐标系中的坐标 a b c 绝对的旋转角和俯仰角以及 偏航角 YAW 入射激光与ELS标靶中轴线的夹角 通过这个角可以算出ELS中轴线的方位 推进中实测的 ELS标靶的俯仰角为b 转角为j 方位角为g 图5为ELS标靶安装示意图 以ELS标靶前板中心为原点 轴线的方向为X轴 建立三维直角坐标系 切口中心在相对坐标系中的坐 标为 A C B 则它的齐次坐标可表示为 A C B 1 切口中心在隧道坐标系内的坐标可以看成是它 在相对坐标系中的位置经过平移变换 a b c 绕X轴旋转j角 绕Y轴旋转b角 绕Z轴旋转g角 则切口中 心在隧道三维坐标系中的坐标 x y z 可以运用空间坐标旋转公式 通过坐标的旋转变换和平移变换计算 得到 空间坐标旋转公式如下 其中 水平方位角g相对隧道坐标系X轴的方位角 盾构旋转角j逆时针方向为负 顺时针方向为正 当 盾头仰起时坡度角b为正 盾头向下时为负 3 2 盾尾中心的测量 盾尾中心的测量方法与上述方法相同 不同的是盾尾中心在相对坐标系中的坐标位置为 D C B 因为安装ELS标靶的俯仰角不一定为0 而方位也不一定与盾构中轴线平行 所以C C B B 见图6 运用计算公式 可以计算出盾尾中心在隧道坐标系中的坐标 根据切口 盾尾的三维坐标 与 DTA进行比较 则可算出平面偏差和高程偏差 图图6 ELS标靶与盾构中轴线夹角示意图标靶与盾构中轴线夹角示意图 4 盾构偏差的计算盾构偏差的计算 为了让系统能自动地计算出盾构经过整个线路时的偏差 必须先建立一个包含了整个线路的里程 X Y Z 坡度数据表 整个表是由每隔一定距离的轴线上的点构成 当间隔很小时 0 5 m 就可精确地拟 合出整个线路 如图7 图图7 盾构偏差计算示意图盾构偏差计算示意图 若要计算H点的平面偏差 则先要查找到H点的轴线位置 用数据库 查询条件为H点与表中各元素最 短的平面距离 即 X1 Xi 2 Y1 Yi 2最小 设此点为A 得知A点的平面坐标后 再找到B 点 用H点到直线AB的平面距离近似代替偏差 头部平面偏差D AH sina 头部里程Ch Ca DC 图图5 ELS标靶安装尺寸示意图标靶安装尺寸示意图 页码 3 6 W w 2011 8 25 DC AH cona 其中 AH为点A到头部点H的距离 Ca为轴线上A点处的里程 从而可得出盾构在推进中在轴线任意位置 的头部和尾部的平面偏差和里程 用类似的方法也可求出高程偏差 用内插法求出H点在AB上的投影高程 Z 头部垂直偏差Vh Z1 Z 式中的 Z1为头部的高程 5 管片偏差的计算管片偏差的计算 理论模型 如果知道了盾构的姿态后 要求出管片的偏差就比较简单 根据盾构姿态 先求出E点处的平面偏差和 高程偏差 F G 管片偏差就为 F C A 2 G B D 2 图8为管片偏差示意图 图图8 管片偏差示意图管片偏差示意图 实际模型 管片基本参数 轴心长1 5 m 内径为10 04 m 厚0 48 m 楔形管片的楔形量为66 mm 计算每新增一环管片后的坐标 与已经计算好的对应里程上的轴心坐标比较 取最接近的管片为首选管 片 6 结束语结束语 通过对激光法盾构自动导向系统的核心原理及模型进行探讨 从而为国内更好地使用盾构自动化导向 系统提供一定的帮助 并为实现盾构自动化导向系统的国产化提供借鉴 王 浩 赵峻 唐震华 来源 上海隧道 2005年第2期 点数 18403 页码 4 6 W w 2011 8 25 历届国际隧道研讨会 第五届大会主题报告 第五届大会主题 第五届学术委员会 第五届组织委员会 第五届组织机构 第四届研讨会日程 隧协主席致开幕辞 隧协秘书长致闭幕词 英国马丁 奈茨报告 中国周文波报告 法国克劳德报告 中国卢耀如院士报告 挪威古鲁夫报告 奥地利瓦格纳报告 中国杨磊报告 中国葛世平报告 丹麦埃斯克森报告 中国台北郑国雄报告 中国王振信报告 日本田中淳一报告 日本桥本正报告 中国刘千伟报告 新加坡谢洛报告 日本中西康晴报告 新加坡欧振南报告 德国嘉百莉报告 德国伯格斯报告 谭庆琏理事长致辞 应名洪理事长致辞 王志强董事长致辞 第四届组织机构 第四届学术委员会 第四届组织委员会 中国土木工程学会 上海市土木工程学会 上海隧道股份公司 隧协主席奈茨致辞 第三届研讨会日程 第三届组织机构 第三届研讨会组委会 第三届学术委员会 第三届研讨会文集 第三届研讨会传媒 协会主席帕克致词 第二届研讨会日程 第三届主办单位介绍 第二届组织机构 第二届研讨会组委会 第二届学术委员会 第二届主办单位介绍 隧协主席阿西斯致辞 第一届研讨会日程 第五届中国国际隧道工程研讨会 参会邀请 邀请在线 第五届中国国际隧道工程研讨会 参会邀请函 第五届中国国际隧道工程研讨会 参会邀请函 总总350个座席 报个座席 报名从速名从速 时间地点时间地点 2011年11月10日 12日 上海兴荣温德姆酒店 上海宁国路25号 批准单位批准单位 上海市人民政府 主办单位主办单位 中国土木工程学会 上海市土木工程学会 上海隧道工程股份有限公司 支持单位支持单位 国际隧道协会 ITA 中国岩石力学与工程学会 中国土木工程学会隧道及地下工程分会 上海市城乡建设和交通委员会 上海市力学学会 同济大学 上海申通地铁集团有限公司 上海城建 集团 公司 官官方方网站 网站 隧道网 大大会会主题主题 地下交通工程与工程安全 1 地下工程管理与高效施工 2 地下工程建设与节能降本 3 地下工程新技术与信息化 4 城市地下空间建设与可持续发展 5 城市地下空间网格化建设与高效利用 下载 第五届中国国际隧道工程研讨会 参会 第五届中国国际隧道工程研讨会 参会回执回执 doc 大大会会主题主题报报告告 ITA主席李英模等致开幕辞 ITA秘书长克劳德先生等致闭幕词 排名不排名不分分先后先后 1 交通隧道工程发展的展望 李印模 韩国 ITA主席 2 施工技术与隧道工程 马丁 奈茨 英国 ITA前主席 3 面向低碳经济城市地下空间 轨交地铁的节能减排与环保问题 孙钧 中国科学院院士 4 地下磁悬浮高速交通建设研究的若干问题 钱七虎 中国工程院院士 5 地铁工程修复综述 杨 磊 上海隧道工程股份有限公司董事长 6 对隧道及地下工程建设风险管理的认识 郭陕云 中国土木工程学会隧道及地下工程分会理事长 7 隧道破坏机理与设计新方法 郑颖人 中国工程院院士 8 哥本哈根地铁环线的设计与施工挑战 索伦 戴恩 艾斯克森 丹麦 ITA副主席 9 城市轨道交通建设与城市安全 白廷辉 上海申通地铁集团有限公司副总裁 10 上海东西通道既有地铁隧道上方基坑施工关键技术研究 杨国祥 隧道股份总工程师 11 复杂山区TBM突破不良地质的施工技术研究 梅志荣 中铁西南科学研究院董事长 12 TBM优化 设计 制造 调试 运行和支持 瑞克 罗浮特 加拿大 ITA执委 13 TBM与爆破法 敞开式抓壁机与双护盾 尼克 巴顿 英国 尼克 巴顿联营公司 14 TBM设计发展和高覆盖层与复杂地质情况下大直径隧道施工的创新 Remo Grandori 意大利 意大利赛里股份公司总裁 15 丹麦至德国费蒙贝尔特海底沉管隧道案例分析 汉斯 德 维特 荷兰 TEC执行总裁 16 盾构隧道建设对环境的影响和控制 王振信 原上海地铁建设有限公司总工程师 17 海底盾构隧道软硬不均及孤石的处理及盾构对接技术 洪开荣 中铁隧道集团有限公司总工程师 18 盾构工程重大地质风险控制模式研究 竺维彬 广州市地下铁道总公司副总经理 19 捷运地下空间规划最佳化之探讨 郑国雄 台北市政府捷运工程局总工程司 20 New Method New Life 地下工程工法的新生 杨秀仁 北京城建设计研究总院总工程师 21 盐腐蚀环境下隧道结构损伤机理及承载能力演化特性 彭立敏 中南大学土木建筑学院副院长 20 基于全寿命建养一体化隧道工程建设研究 周质炎 上海市政设计研究总院副总工程师 21 地下工程施工技术的最新发展 哈罗德 瓦格纳 奥地利 ITA顾问 22 市区软土地下空间工程施工新技术 桥本正 日本 日本地域地盘环境研究所 23 世界沉管隧道技术的新发展 Casper Paludan M ller 丹麦 COWI公司项目负责人 24 新加坡地铁市区线三期线路规划与研究 欧振南 新加坡 ITA执委 25 新加坡市中心线902标宝门廊车站和相关隧道工程设计与施工 Yip Kwong Lee 马来西亚 26 上海地下空间使用安全与风险评价的应用研究 束昱 上海同济联合地下空间规划设计研究院院长 27 穿越运营铁路线的浅埋双管隧道土压平衡盾构掘进 寺田 日本 京王电铁株式会社工务