本发明涉及盾构机施工技术领域，特别是一种确定盾构机在掘进过程中姿态的方法。
背景技术：
如图1所示，盾构机在掘进过程中，其自身轴线可能会与隧道轴线发生偏移，因此需要调整盾构机的姿态，在现有地铁隧道建设中，盾构机的姿态测量方法包括两种：一是盾构机的自动测量导向系统，二是通过特征点人工测量。这两种测量方法都是依赖始发前先测量盾构机外壳，然后将自动导向系统或特征点参照实测的盾构机外壳数据建立相对位置关系，从而反算出盾构机的实时姿态。
但是在掘进过程中会出现自动测量导向系统发生故障，且特征点又被遮挡或破坏的情况下，通过上述两种方法就不能测量出盾构机的空间位置，此时需要从盾构机内部出发对盾构机构的空间位置进行测量和计算。
然而盾构机内部结构复杂，特别盾首部分基本是实心状态，无法在盾首部分寻找特征点对盾构机的空间位置进行测量和计算。
所以，目前需要一种技术方案，以解决盾构机掘进过程中导向系统失效，且外部特征点被遮挡时，无法确定盾构机当前状态，导致盾构机掘进方向偏离隧道理论轴线的技术问题。
技术实现要素：
本发明的发明目的在于：针对现有技术存在盾构机掘进过程中导向系统失效，且外部特征点被遮挡时，无法确定盾构机当前状态，导致盾构机掘进方向偏离隧道理论轴线的技术问题，提供一种确定盾构机在掘进过程中姿态的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种确定盾构机在掘进过程中姿态的方法，包括如下步骤：
步骤1，平面坐标测量及计算：
1.1，在盾构机尾部端面的两侧上找出高度相同的a、b两点；
1.2，测量出a、b两点的坐标，并计算出a、b两点形成的直线在xoy平面上的方位角α，计算公式为：
α=arctg（（ya-yb）/（xa-xb））；
1.3，计算盾尾端面中心点o2的平面坐标，计算公式为：
xo2=（xa xb）/2，yo2=（ya yb）/2；
1.4，根据o2的坐标、方位角α和盾构机的长度l，计算出盾构机前端面中心o1的坐标，计算公式为：
xo1=xo2 l×cos（α-90°），yo1=yo2 l×sin（α-90°）。
步骤2，高度坐标测量及计算：
2.1，在盾尾端面顶部选取c点，在盾构机内顶壁上选取d点；
2.2，测量出c、d两点的直线距离d、c点的高度坐标zc和d点的高度坐标zd；
2.3，根据zc、zd、d和l，计算出盾构机前端面顶部e点的高度坐标ze，计算公式为：
ze=zc （（zd-zc）/d）×l；
2.4，根据zc、ze和盾构机端面半径r，计算出o1的高度坐标zo1和o2的高度坐标zo2，计算公式为：
zo2=zc-r，zo1=ze-r。
本发明一种确定盾构机在掘进过程中姿态的方法，由于a点和b点等高，再由于盾构机掘进时趋近于水平状态，忽略其抬头和低头的角度，盾尾的中心点o2在xoy平面上的投影与直线ab在xoy上的投影重合，且o2位于ab的中点上，基于此可计算出o2的平面坐标，o1位于盾构机前端面中心，o1与o2的间距等于盾构机的长度l，由此可与推算出o1的平面坐标；
在盾尾端面的顶部找到c点，并测量c点的高度坐标，由于盾构机掘进过程中趋近于水平状态，忽略其抬头和低头的角度，o2的高度坐标等于c点的高度减去盾构机端面的半径；
在盾尾顶部再取d点，并测量d点的高度坐标，推算出盾构机前端面顶部e点的高度坐标，忽略盾构机抬头和低头的角度，e点的高度减去盾构机端面半径即得到o1的高度坐标；
进一步的，所有特征点的采集均在盾构机的内部进行，规避了盾构机在掘进过程中特征点被遮挡的问题；
进一步的，由于盾构机前端为掘进过程中受力的主体，因此盾构机前端结构复杂，零部件较多，难以在盾构机内部的前端进行特征点的选取和测量，本方法特征点全部在盾构机盾尾部分选取，测量方便，干涉小，提高了盾构机的姿态确定效率。
作为本发明的优选方案，在所述步骤1.1中，采用水准仪在盾构机内找出所述a点和b点。使得a、b两点等高，从而使中心点o2在xoy平面上的投影与直线ab在xoy上的投影重合，实现了o2在xoy平面上的平面坐标计算。
作为本发明的优选方案，在所述步骤1.2中，采用全站仪测量出a点和b点的坐标。实现a、b两点的坐标测量，从而便于推算出o2的平面坐标。
作为本发明的优选方案，在所述步骤2.1中，采用全站仪测量出c点和d点的高度坐标。
作为本发明的优选方案，在所述步骤2.1中，采用塔尺测量出c点和d点的高度坐标。盾构机尾部有用于出土的部件，被测点位于盾构机的顶部，容易被出土部件遮挡，全站仪测量不便，采用塔尺可进入盾构机内部进行手动测量，更加方便。
作为本发明的优选方案，在所述步骤2.1中，采用卷尺测量出c点与d点之间的距离。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、所有特征点的采集均在盾构机的内部进行，规避了盾构机在掘进过程中外部特征点被遮挡的问题；
2、特征点全部在盾构机盾尾部分选取，测量方便，干涉小，提高了盾构机的姿态确定效率。
附图说明
图1是盾构机在掘进过程中的示意图；
图2是本发明一种确定盾构机在掘进过程中姿态的方法的流程图；
图3是本发明坐标测量和计算过程的示意图；
图4是本发明平面坐标测量和计算过程的示意图；
图5是本发明高度坐标测量和计算过程的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图2、图3、图4和图5所示，本实施例中，一种确定盾构机在掘进过程中姿态的方法，包括如下步骤：
首先在开始隧道挖掘前建立绝对坐标系，并确定隧道的理论轴线，其中绝对坐标系的xoy平面平行于水平面建立。
步骤1，平面坐标测量及计算：
1.1，在盾构机尾部端面的两侧上找出高度相同的a、b两点；
1.2，测量出a、b两点的坐标，并计算出a、b两点形成的直线在xoy平面上的方位角α，计算公式为：
α=arctg（（ya-yb）/（xa-xb））；
1.3，计算盾尾端面中心点o2的平面坐标，计算公式为：
xo2=（xa xb）/2，yo2=（ya yb）/2；
1.4，根据o2的坐标、方位角α和盾构机的长度l，计算出盾构机前端面中心o1的坐标，计算公式为：
xo1=xo2 l×cos（α-90°），yo1=yo2 l×sin（α-90°）。
步骤2，高度坐标测量及计算：
2.1，在盾尾端面顶部选取c点，在盾构机内顶壁上选取d点，由于盾构机为圆柱状，d点与c点的连线平行与盾构机的轴线；
2.2，测量出c、d两点的直线距离d、c点的高度坐标zc和d点的高度坐标zd；
2.3，根据zc、zd、d和l，计算出盾构机前端面顶部e点的高度坐标ze，计算公式为：
ze=zc （（zd-zc）/d）×l；
2.4，根据zc、ze和盾构机端面半径r，计算出o1的高度坐标zo1和o2的高度坐标zo2，计算公式为：
zo2=zc-r，zo1=ze-r。
计算出o1和o2的三维坐标后，可以确定盾构机轴线在绝对坐标系中的位置，通过盾构机的轴线与隧道理论轴线进行对比，即可确定盾构机当前的偏差，便于对盾构机进行相应的调整。
本实施例中一种确定盾构机在掘进过程中姿态的方法，由于a点和b点等高，再由于盾构机掘进时趋近于水平状态，忽略其抬头和低头的角度，盾尾的中心点o2在xoy平面上的投影与直线ab在xoy上的投影重合，且o2位于ab的中点上，基于此可计算出o2的平面坐标，o1位于盾构机前端面中心，o1与o2的间距等于盾构机的长度l，由此可与推算出o1的平面坐标；
在盾尾端面的顶部找到c点，并测量c点的高度坐标，由于盾构机掘进过程中趋近于水平状态，忽略其抬头和低头的角度，o2的高度坐标等于c点的高度减去盾构机端面的半径；
在盾尾顶部再取d点，并测量d点的高度坐标，推算出盾构机前端面顶部e点的高度坐标，忽略盾构机抬头和低头的角度，e点的高度减去盾构机端面半径即得到o1的高度坐标；
进一步的，所有特征点的采集均在盾构机的内部进行，规避了盾构机在掘进过程中特征点被遮挡的问题；
进一步的，由于盾构机前端为掘进过程中受力的主体，因此盾构机前端结构复杂，零部件较多，难以在盾构机内部的前端进行特征点的选取和测量，本方法特征点全部在盾构机盾尾部分选取，测量方便，干涉小，提高了盾构机的姿态确定效率。
具体的，在所述步骤1.1中，采用水准仪在盾构机内找出所述a点和b点，使得a、b两点等高，从而使中心点o2在xoy平面上的投影与直线ab在xoy上的投影重合，实现了o2在xoy平面上的平面坐标计算；
在所述步骤1.2中，采用全站仪测量出a点和b点的坐标，实现a、b两点的坐标测量，从而便于推算出o2的平面坐标；
在所述步骤2.1中，采用全站仪测量出c点和d点的高度坐标；
在所述步骤2.1中，采用卷尺测量出c点与d点之间的距离。
实施例2
本实施例中，与实施例1的区别在于，在所述步骤2.1中，采用塔尺测量出c点和d点的高度坐标。
盾构机尾部有用于出土的部件，被测点位于盾构机的顶部，容易被出土部件遮挡，全站仪测量不便，采用塔尺可进入盾构机内部进行手动测量，更加方便。
实施例3
本实施例中，与实施例1的区别在于，d点可根据盾尾定位的参照物进行选取，例如盾构机的油箱，油箱的长度、高度等属于设备参数，可以直接得到，不需要进行测量和计算。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种确定盾构机在掘进过程中姿态的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，平面坐标测量及计算：
1.1，在盾构机尾部端面的两侧上找出高度相同的a、b两点；
1.2，测量出a、b两点的坐标，并计算出a、b两点形成的直线在xoy平面上的方位角α，计算公式为：
α=arctg（（ya-yb）/（xa-xb））；
1.3，计算盾尾端面中心点o2的平面坐标，计算公式为：
xo2=（xa xb）/2，yo2=（ya yb）/2；
1.4，根据o2的坐标、方位角α和盾构机的长度l，计算出盾构机前端面中心o1的坐标，计算公式为：
xo1=xo2 l×cos（α-90°），yo1=yo2 l×sin（α-90°）；
步骤2，高度坐标测量及计算：
2.1，在盾尾端面顶部选取c点，在盾构机内顶壁上选取d点；
2.2，测量出c、d两点的直线距离d、c点的高度坐标zc和d点的高度坐标zd；
2.3，根据zc、zd、d和l，计算出盾构机前端面顶部e点的高度坐标ze，计算公式为：
ze=zc （（zd-zc）/d）×l；
2.4，根据zc、ze和盾构机端面半径r，计算出o1的高度坐标zo1和o2的高度坐标zo2，计算公式为：
zo2=zc-r，zo1=ze-r。
2.根据权利要求1所述的确定盾构机在掘进过程中姿态的方法，其特征在于，在所述步骤1.1中，采用水准仪在盾构机内找出所述a点和b点。
3.根据权利要求1所述的确定盾构机在掘进过程中姿态的方法，其特征在于，在所述步骤1.2中，采用全站仪测量出a点和b点的坐标。
4.根据权利要求1所述的确定盾构机在掘进过程中姿态的方法，其特征在于，在所述步骤2.1中，采用全站仪测量出c点和d点的高度坐标。
5.根据权利要求1所述的确定盾构机在掘进过程中姿态的方法，其特征在于，在所述步骤2.1中，采用塔尺测量出c点和d点的高度坐标。
6.根据权利要求1所述的确定盾构机在掘进过程中姿态的方法，其特征在于，在所述步骤2.1中，采用卷尺测量出c点与d点之间的距离。
技术总结