CAD技術(shù)在盾構(gòu)測(cè)量數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

周 佶，富昱佳

ZHOU Jie, FU Yu-jia

（南京工業(yè)大學(xué) 土木學(xué)院，南京 210009）

0 引言

在現(xiàn)代化城市地鐵隧道建設(shè)中，盾構(gòu)法越來越廣泛的應(yīng)用在地鐵施工過程中。但是引進(jìn)的國外盾構(gòu)測(cè)量系統(tǒng)的軟硬件，操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴、實(shí)用性不高。人工導(dǎo)向系統(tǒng)因人力投入大、測(cè)量頻率高、測(cè)量工作量大、對(duì)隧道推進(jìn)干擾大和數(shù)據(jù)處理慢等缺點(diǎn)而無法實(shí)時(shí)獲取盾構(gòu)姿態(tài)，但其又因設(shè)備投入少、成本較低和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)在施工中仍較多采用[2]。本文主要討論兩點(diǎn)棱鏡法在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中的應(yīng)用。主要研究在Windows XP系統(tǒng)下，以AutoCAD2004為開發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用AutoCAD的應(yīng)用程序接口ObjectARX進(jìn)行二次開發(fā)，建立AutoCAD的內(nèi)部命令。此方法具有模塊性好、獨(dú)立性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 此方法的應(yīng)用特點(diǎn)

1）及時(shí)交互。人工測(cè)量方式與自動(dòng)方式相結(jié)合；

2）模塊化。軟件功能模塊化，運(yùn)行穩(wěn)定可靠；

3）參數(shù)化。用戶只需根據(jù)軟件界面上的參數(shù)設(shè)置，輸入已知的數(shù)據(jù)，便可迅速獲取計(jì)算結(jié)果；

4）數(shù)據(jù)輸出。數(shù)據(jù)輸入后，能迅速輸出用戶所需要的數(shù)據(jù)文件，并保存為“.txt”文本格式，方便用戶查詢和數(shù)據(jù)的再處理；部分?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)計(jì)成word表格形式保存，方便用戶使用辦公軟件管理數(shù)據(jù)；

5）精確度高。計(jì)算過程中能判斷是否符合精度要求，提醒用戶修改已知數(shù)據(jù)，達(dá)到較高精度要求。

2 主要實(shí)現(xiàn)功能

該軟件包含了盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量中的數(shù)據(jù)處理功能。首先，根據(jù)用戶輸入的設(shè)計(jì)要素，自動(dòng)解算出該標(biāo)段的隧道中心和盾構(gòu)中心的設(shè)計(jì)坐標(biāo)，并將其入庫保存，以備調(diào)用。然后進(jìn)入姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)處理功能，可以根據(jù)自己所用的姿態(tài)測(cè)量的方法選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模型。

圖1 盾構(gòu)測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要功能

3 程序流程圖

程序流程圖如圖2所示。

圖2 三維坐標(biāo)計(jì)算流程圖

4 主要計(jì)算源代碼

5 姿態(tài)測(cè)量－兩點(diǎn)棱鏡法

在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部，棱鏡與盾構(gòu)機(jī)盾首中心、盾尾中心構(gòu)成一個(gè)局部坐標(biāo)系。盾構(gòu)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢后，在其始發(fā)前必須測(cè)出盾構(gòu)機(jī)上的主要基準(zhǔn)點(diǎn)、測(cè)量控制點(diǎn)在工程坐標(biāo)系的初始坐標(biāo)值，從而確定兩個(gè)控制點(diǎn)在盾構(gòu)機(jī)局部坐標(biāo)系中的初始坐標(biāo)以及初始測(cè)量時(shí)局部坐標(biāo)系和工程坐標(biāo)系之間的關(guān)系。這種關(guān)系不隨盾構(gòu)機(jī)的旋轉(zhuǎn)、偏移發(fā)生改變。因此，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)棱鏡在測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，利用傾斜傳感器獲取旋轉(zhuǎn)角和坡度角，就可以實(shí)時(shí)推求出盾尾中心和盾首中心的測(cè)量坐標(biāo)。

開始時(shí)首先在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部建立起一個(gè)局部坐標(biāo)系，以盾首中心為局部坐標(biāo)原點(diǎn)，即盾首中心局部坐標(biāo)為(0,0,0)，盾構(gòu)機(jī)中心軸線為x軸且前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向，則盾尾中心局部坐標(biāo)為(-D,0,0)，D為盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度，如圖3所示：

圖3 盾構(gòu)機(jī)局部坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系

在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)階段，獲取棱鏡、盾首和盾尾的測(cè)量坐標(biāo)。盾首、盾尾在兩個(gè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為已知量，從而可以建立起來這兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，則可以利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的原理求取棱鏡在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)[4,5]。

式(1)中，(x,y,z)為局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，(x,y,z)為測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)單位長(zhǎng)度相同，縮放尺度基本不變。因此可以忽略縮放參數(shù)μ的影響。采用兩點(diǎn)坐標(biāo)差的形式，還可以將坐標(biāo)平移參數(shù)抵消，整理后得到下式：

此時(shí)選取局部坐標(biāo)原點(diǎn)，即盾首坐標(biāo)作為參考點(diǎn)，則式(2)變?yōu)椋?/p>

式(1)～(3)中，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，它表示測(cè)量坐標(biāo)系分別繞三軸旋轉(zhuǎn)。三個(gè)旋轉(zhuǎn)角分別為：繞X軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角，繞Y軸旋轉(zhuǎn)的坡度角和繞Z軸旋轉(zhuǎn)的方位角。始發(fā)階段，旋轉(zhuǎn)角、坡度角、方位角均通過測(cè)量坐標(biāo)和高差求得。

初始姿態(tài)的測(cè)量工作確定了棱鏡在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(xi,yi,zi)，保存記錄，用于以后盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中姿態(tài)確定的使用。

如圖4所示為初始姿態(tài)測(cè)量時(shí)的流程。

圖4 兩點(diǎn)棱鏡法初始姿態(tài)測(cè)量流程圖

在推進(jìn)的過程中，測(cè)量人員利用全站儀獲取到盾構(gòu)機(jī)上棱鏡的測(cè)量坐標(biāo) ，以及在初始姿態(tài)中確定的棱鏡局部坐標(biāo) ，求取這兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。根據(jù)這樣的轉(zhuǎn)換關(guān)系，求出此時(shí)盾首、盾尾的測(cè)量坐標(biāo)，從而確定此時(shí)盾構(gòu)機(jī)的一系列姿態(tài)參數(shù)。

式(4)中， 為在推進(jìn)過程中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，其余參數(shù)含義同上。同樣不考慮縮放比例的影響，采用兩點(diǎn)坐標(biāo)差消除平移參數(shù)的影響。

盾首的測(cè)量坐標(biāo)：

盾尾的測(cè)量坐標(biāo)：

通過式(6)、(7) 獲取盾首、盾尾的實(shí)時(shí)測(cè)量坐標(biāo)后，確定此時(shí)盾首、盾尾的里程，進(jìn)而求取在設(shè)計(jì)軸線上的坐標(biāo) 。根據(jù)盾首、盾尾的設(shè)計(jì)坐標(biāo)和測(cè)量坐標(biāo)，利用小角法來計(jì)算盾首、盾尾的偏差，從而為盾構(gòu)機(jī)的準(zhǔn)確推進(jìn)提供數(shù)據(jù)保證。

在各種地鐵隧道施工工藝中，盾構(gòu)法因其施工安全、速度快且不影響地面交通、不受氣候條件影響和適用地層范圍廣等有點(diǎn)而備受關(guān)注。因而開發(fā)一套適用于地鐵隧道姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)尤為重要，以Visual C++.NET與ObjectARX相結(jié)合的開發(fā)方法對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，極大地提高了開發(fā)效率，并且AutoCAD還提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和圖形處理能力。

[1] 李長(zhǎng)勛.AutoCAD ObjectARX 程序開發(fā)技術(shù)[M].北京：國際工業(yè)出版社,2005.

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