基于MATLAB的盾构机姿态解算

基于MATLAB的盾构机姿态解算

雷丹

身份证号码：43100219850326xxxx

摘要：盾构机始发前，要先人工测量盾构机姿态，并通过调整，使自动导向系统显示的姿态与测量计算得到的姿态一致；在盾构机推进过程中，也要定期采用人工测量的方法对盾构机姿态进行复核。本文通过研究盾构机姿态解算的原理，用所学MATLAB编程语言对盾构机姿态解算进行程序设计。

关键词：盾构测量，盾构机姿态，MATLAB编程，导向系统

一、解算原理

盾构机控制测量原理：通过人工测量盾构机上具有精确盾构机坐标的若干个参考点的地面坐标系坐标，以著名的“Bursa-wolf”为基础，建立盾构机姿态解算改进模型，按最小二乘法原理解算两坐标系的转换参数，即得盾构机姿态参数。通俗地说，就是把盾首中心坐标（0，0，0）和盾尾中心坐标（-length，0，0）（其中length为盾构机长度）从盾构机（TBM）坐标系转换成大地坐标系，其中最关键的就是坐标的三维变换。

我所在项目部使用的盾构机导向系统为德国VMT公司开发的TUNIS，该与系统配套的是盾构机尾部的25个观测点（Ｍ8螺母）。这些观测点在盾构机构建之前就已经定好位了,它们相对于盾构机的轴线有一定的参数关系,即它们与盾构机的轴线构成TBM坐标系，并有TBM坐标系初始坐标。在进行测量时,只要将特制的适配螺栓旋到Ｍ8螺母内,再装上棱镜就可以测量，其测量精度可以达到毫米。施工过程中在盾尾用全站仪对这些参考点进行三维坐标测量，根据三点决定一个平面的原理，盾构机的空间位置和角度就可完全得到确定[1],这就是盾构机的姿态。下面来说明如何用棱镜法来计算盾构机的姿态和位置。

我们利用隧道内地下导线控制点,只要测出25个参考点中的任意三个点(点与点之间的距离越大越好)的实际三维坐标,就可以计算盾构机的姿态。但在实际操作中，我们往往会多测量几个点，点的个数最好为3的倍数，因为解算一个三元二次方程需要三组数据，我们可以多解算几组数据，取平均值，以便剔除粗差与检核，同时有利于提高精度。对于以盾构机轴线为坐标系的局部坐标来说,无论盾构机如何旋转和倾斜,这些参考点与盾构机的盾首中心和盾尾中心的空间距离是不会变的,他们始终保持一定的值,这些值我们可以从它的TBM坐标计算出来。

在TBM坐标系中,盾首中心为坐标原点,坐标为(0,0,0),盾尾中心坐标为(-L,0,0)(L为盾构机长度），表1-1为盾构始发前测的参考点大地坐标及各参考点在TBM坐标系的坐标。

在东莞地铁R2线2308标盾构推进过程中，我们每个月对盾构机姿态进行检核，并将该软件和VMT软件计算出来的姿态对比，以及和盾构机电脑显示的姿态对比，实践证明，该解算方法无误，可以用于盾构机姿态解算。

四、结论

由于施工过程各种意外因素可能导致激光接收靶位置变化，必须采用不同的测量方法对盾构机姿态进行复核。本文根据三点决定一个平面的原理，通过测量盾构机体中的测量控制点的三维坐标，运用空间解析几何原理，推导出盾构机刀盘及盾尾的中心三维坐标，然后与DTA比较得到盾首里程、水平和垂直偏差，盾尾里程、水平及垂直偏差，以及盾构机的水平趋势、垂直趋势和俯仰角。

本文的盾构机姿态测量解算方法已在东莞轨道交通工程R2线2308标中得到应用，其结果与SLS-T自动导向系统的显示结果相吻合，可以得出结论，即该计算程序的计算精度完全满足实际工程的精度要求，误差比规范的要小。

参考文献：

[1]张厚美，古力.盾构机姿态参数的测量及计算方法研究，《现代隧道技术》第41卷第2期，2004年4月.