一种盾构机盾尾间隙分布特征的计算方法技术

本发明专利技术提供了一种盾构机盾尾间隙分布特征的计算方法。该方法包括：确定盾构机和管片几何尺寸参数；建立盾构掘进位姿坐标系统，基于盾构导向系统确定盾构掘进位姿信息；根据盾构掘进位姿信息确定表征盾构机和管片的几何位置关系的盾构位姿变换矩阵；根据盾构机和管片几何尺寸参数和所述盾构位姿变换矩阵建立盾尾间隙计算模型，基于盾尾间隙计算模型利用盾构位姿变换矩阵计算在给定盾构位姿下盾尾间隙的环向、纵向分布特征。本发明专利技术方法精确描述盾尾间隙在环向和纵向上的分布特征，可以为盾构姿态控制和纠偏，管片动态选型以及壁后参数化等技术的实现提供理论基础。数化等技术的实现提供理论基础。数化等技术的实现提供理论基础。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构机盾尾间隙分布特征的计算方法


[0001]本专利技术涉及盾尾间隙测量
，尤其涉及一种盾构机盾尾间隙分布特征的计算方法。

技术介绍

[0002]盾构法凭借其安全、高效、环保的独特优势在隧道施工领域中得以广泛采用。盾构在掘进过程中，需要不断调整盾构掘进位姿以跟踪隧道设计轴线。由于盾构位姿的调整，盾尾内弧面与管片外弧面之间的间隙即盾尾间隙在环向和纵向上会相应的发生变化。盾尾间隙过小时，盾尾会挤压管片，造成管片错台或破损，同时盾尾刷受到较大挤压力，此种情况下盾构长距离掘进盾尾刷易磨损和弹性失效，进而导致盾尾密封失效，引发施工事故。因此在盾构掘进过程中必须精确掌握盾尾间隙分布特征，避免盾尾间隙超出允许值造成安全事故。另外盾构姿态控制和纠偏，管片动态选型以及壁后参数化注浆等技术也严格依赖盾尾间隙在环向和纵向上的分布特征求解。
[0003]目前，现有技术中的盾尾间隙测量方法主要依赖测量手段来获取盾尾间隙。该方法的缺点包括：由于现场环境复杂、测量手段限制和人为读数偏差等因素使得盾尾间隙的测量值存在较大误差。另外，由于盾尾间隙测量一般是测量盾尾上下左右四个点的间隙值，仅能大致表示盾尾间隙在某一横断面沿环向的分布特征，忽略了盾尾间隙沿盾构机轴线的纵向分布特征，无法获取盾尾间隙在纵向上的分布特征。

技术实现思路

[0004]本专利技术的实施例提供了一种盾构机盾尾间隙分布特征的计算方法，以实现有效地获取盾尾间隙沿环向和沿纵向的分布特征。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。
[0006]一种盾构机盾尾间隙分布特征的计算方法，包括：
[0007]确定盾构机和管片几何尺寸参数；
[0008]建立盾构掘进位姿坐标系统；
[0009]基于盾构导向系统确定盾构掘进位姿信息；
[0010]根据所述盾构掘进位姿信息确定可表征盾构机和管片的几何位置关系的盾构位姿变换矩阵；
[0011]根据所述盾构机和管片几何尺寸参数和所述盾构位姿变换矩阵建立盾尾间隙计算模型，基于所述盾尾间隙计算模型利用所述盾构位姿变换矩阵计算在给定盾构位姿下盾尾间隙的环向、纵向分布特征。
[0012]优选地，所述盾构机和管片几何尺寸参数包括：盾尾内半径D
r
、管片外径D
S
和盾尾内管片长度L
c
。
[0013]优选地，所述的建立盾构掘进位姿坐标系统，包括：建立固结在盾构机上的动坐标系{B}和固结在管片环上的基坐标系{A}；
[0014]所述动坐标系{B
‑
xByBzB}固结到中盾背板，原点B是油缸前球铰的分布中心，在初始状态下，xB轴沿盾构机中轴线指向盾构掘进方向，zB轴垂直盾构机的中心轴并竖直向上，yB轴方向按右手原则确定；
[0015]所述基坐标系{A
‑
xyz}固结到给推进油缸提供反力的管片环上，原点A是油缸后球铰的分布中心，在初始状态下，基坐标系{A
‑
xyz}和动坐标系{B
‑
xByBzB}各坐标轴对应平行。
[0016]优选地，所述盾构掘进位姿信息包括：盾构位姿矢量
[0017]q＝[x y zψθφ]T
，其中(x,y,z)表示盾构机推进油缸前球铰分布圆中心的位置坐标；(ψ,θ,φ)表示盾构机的三个姿态角：滚动角、俯仰角和横摆角。
[0018]优选地，所述盾构位姿变换矩阵的计算公式为：
[0019][0020]其中，和分别表示盾构的姿态矩阵和位置矢量，其计算公式为：
[0021][0022][0023]其中，c代表余弦函数cos；s代表正弦函数sin。
[0024]优选地，所述的根据所述盾构机和管片几何尺寸参数和所述盾构位姿变换矩阵建立盾尾间隙计算模型，基于所述盾尾间隙计算模型利用所述盾构位姿变换矩阵计算在给定盾构位姿下盾尾间隙的环向、纵向分布特征，包括：
[0025]根据所述盾构机和管片几何尺寸参数和所述盾构位姿变换矩阵建立盾尾间隙计算模型，公式为：
[0026][0027]其中，
A
S为盾尾内侧任意一点S在基坐标系{A}下的位置矢量；j和k分别为基坐标系{A}y轴和z轴的单位方向向量；
[0028][0029]其中，
B
S为盾尾内侧任意一点S在动坐标系{B}下的位置矢量，表示为：
[0030][0031]其中，为点S在盾构轴线即动坐标系xB轴上的投影点S
O
在动坐标系{B}下的x坐标，η为点S与动坐标系xB轴的夹角，η∈[0
°
，360
°
]；
[0032]则联立公式(1)～(6)，得到盾尾间隙的计算公式为：
[0033][0034]其中，R
r
＝D
r
/2，表示盾尾内半径，c代表余弦函数cos，s代表正弦函数sin，通过在
公式(7)中代入相关参数求得盾尾间隙在环向和纵向上的分布特征。
[0035]由上述本专利技术的实施例提供的技术方案可以看出，本专利技术提供了一种盾构机盾尾间隙分布特征的计算方法，精确描述盾尾间隙在环向和纵向上的分布特征，可以为盾构姿态控制和纠偏，管片动态选型以及壁后参数化等技术的实现提供理论基础。
[0036]本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0037]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图1为本专利技术实施例提供的一种盾构机盾尾间隙分布特征的计算方法的处理流程图；
[0039]图2为本专利技术实施例提供的一种盾尾间隙求解模型示意图；
[0040]图3为本专利技术实施例提供的一种盾尾间隙分布示意图。
具体实施方式
[0041]下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。
[0042]本
技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本专利技术的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构机盾尾间隙分布特征的计算方法，其特征在于，包括：确定盾构机和管片几何尺寸参数；建立盾构掘进位姿坐标系统；基于盾构导向系统确定盾构掘进位姿信息；根据所述盾构掘进位姿信息确定可表征盾构机和管片的几何位置关系的盾构位姿变换矩阵；根据所述盾构机和管片几何尺寸参数和所述盾构位姿变换矩阵建立盾尾间隙计算模型，基于所述盾尾间隙计算模型利用所述盾构位姿变换矩阵计算在给定盾构位姿下盾尾间隙的环向、纵向分布特征。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述盾构机和管片几何尺寸参数包括：盾尾内半径D
r
、管片外径D
S
和盾尾内管片长度L
c
。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的建立盾构掘进位姿坐标系统，包括：建立固结在盾构机上的动坐标系{B}和固结在管片环上的基坐标系{A}；所述动坐标系{B
‑
xByBzB}固结到中盾背板，原点B是油缸前球铰的分布中心，在初始状态下，xB轴沿盾构机中轴线指向盾构掘进方向，zB轴垂直盾构机的中心轴并竖直向上，yB轴方向按右手原则确定；所述基坐标系{A
‑
xyz}固结到给推进油缸提供反力的管片环上，原点A是油缸后球铰的分布中心，在初始状态下，基坐标系{A
‑
xyz}和动坐标系{B
‑
xByBzB}各坐标轴对应平行。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述盾构掘进位姿信息包括：盾构位姿矢量q＝[x y z ψ θ φ]
T
，其中(x,...

【专利技术属性】
技术研发人员：金大龙，袁大军，王旭阳，陈健，王承震，王志成，于文端，孙腾云，杨公标，杜昌言，李秀东，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：