盾构机空间姿态测量用托架的制作方法

[0001]
本实用新型涉及盾构施工技术领域，特别是涉及一种盾构机空间姿态测量用托架。


背景技术：

[0002]
盾构是一种常用的隧道施工技术，是盾构机在掘进的同时在隧道内铺设管片，被广泛应用于城市地下铁路、越江隧道等工程施工中。
[0003]
随着盾构隧道施工的不断发展，指导盾构机掘进方向的自动导向系统得到广泛应用，无论是激光靶导向系统还是棱镜导向系统都需要在管片上安装测量仪器进行测量定向。通常地，利用安装支架将测量仪器安装在管片，来进行测量定向。然而，支架安装的稳定性较差，盾构姿态测量的可靠性较差。


技术实现要素：

[0004]
基于此，有必要提供一种盾构机空间姿态测量用托架，安装稳定性好，保证盾构姿态测量的可靠性。
[0005]
一种盾构机空间姿态测量用托架，所述盾构机空间姿态测量用托架包括：
[0006]
底座板，用于安装测量仪器；及
[0007]
悬吊架，所述悬吊架远离所述底座板的一端用于安装在隧道管片的上部空间；所述悬吊架至少包括第一悬吊架、第二悬吊架及第三悬吊架，所述第一悬吊架及第二悬吊架竖向设于所述底座板的一侧，用于沿所述隧道管片的纵向安装；所述第三悬吊架竖向设于所述底座板另一侧的中部，用于沿所述隧道管片的横向安装。
[0008]
在其中一个实施例中，所述第一悬吊架与第二悬吊架的高度相等，所述第三悬吊架的高度小于所述第一悬吊架及第二悬吊架的高度。
[0009]
在其中一个实施例中，所述第一悬吊架、第二悬吊架及第三悬吊架为伸缩结构。
[0010]
在其中一个实施例中，所述第一悬吊架、第二悬吊架及第三悬吊架均包括至少两个架体，其中一个所述架体设有第一条形孔，相邻另一所述架体设有第二条形孔，所述第一条形孔与第二条形孔对应设置；所述悬吊架还包括紧固件，所述紧固件设于所述第一条形孔及第二条形孔；
[0011]
或者，其中一个所述架体设有多个第一调节孔，多个所述第一调节孔沿所述架体的高度方向设置；相邻另一个所述架体设有多个第二调节孔，多个所述第二调节孔沿所述架体的高度方向设置，所述第一调节孔与第二调节孔对应设置，所述紧固件设于所述第一调节孔及第二调节孔。
[0012]
在其中一个实施例中，所述盾构机空间姿态测量用托架还包括用于连接在隧道管片的安装板，所述安装板设于所述悬吊架远离所述底座板的一端，且所述安装板相对于所述底座板倾斜设置。
[0013]
在其中一个实施例中，所述安装板为平板；或者，所述安装板为弧形板。
[0014]
在其中一个实施例中，所述安装板设有至少两个安装孔，其中两个所述安装孔对称设置。
[0015]
在其中一个实施例中，所述底座板设有用于固定所述测量仪器的固定孔，所述固定孔位于所述底座板的中部。
[0016]
在其中一个实施例中，所述盾构机空间姿态测量用托架还包括水平检测仪，所述水平检测仪设于所述底座板。
[0017]
在其中一个实施例中，所述水平检测仪为气泡水平仪。
[0018]
上述的盾构机空间姿态测量用托架，悬吊架远离底座板的一端安装在盾构机掘进方向右上部的隧道管片。第一悬吊架及第二悬吊架沿隧道管片的纵向安装，第三悬吊架沿隧道管片的横向安装，形成三点固定，使该托架稳定地安装在隧道管片，这样底座板及测量仪器的稳定性好，从而保证盾构姿态测量数据的可靠性。同时，如此设置能够保证测量仪器的转动测量作业不受影响。
附图说明
[0019]
图1为本实用新型一实施例的盾构机空间姿态测量用托架的结构示意图；
[0020]
图2为图1所示的盾构机空间姿态测量用托架的正视图；
[0021]
图3为图1所示的盾构机空间姿态测量用托架的侧视图；
[0022]
图4为本实用新型一实施例的盾构机空间姿态测量方法的流程图；
[0023]
图5为本实用新型一实施例的盾构机的刀盘外壳圆周测量点的布设图；
[0024]
图6为本实用新型一实施例的盾构机的中体外壳圆周测量点的布设图；
[0025]
图7为本实用新型一实施例的盾构机空间姿态测量方法的盾构机俯仰角及偏航角的示意图；
[0026]
图8为本实用新型一实施例的盾构机空间姿态测量方法的盾构机扭转角的示意图；
[0027]
图9为本实用新型一实施例的盾构机空间姿态测量方法的盾构姿态检测模型图；
[0028]
图10为本实用新型一实施例的盾构机空间姿态测量方法的盾构机姿态三维对齐的示意图。
[0029]
附图标号：10、底座板；20、悬吊架；21、第一悬吊架；22、第二悬吊架；23、第三悬吊架；24、架体；241、第一条形孔；242、第二条形孔；30、安装板；31、安装孔。
具体实施方式
[0030]
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
[0031]
参阅图1，图1示出了本实用新型一实施例中的盾构机空间姿态测量用托架的结构示意图。本实用新型一实施例提供的盾构机空间姿态测量用托架，包括底座板10及悬吊架20，底座板10用于安装测量仪器，悬吊架20远离底座板10的一端用于安装在隧道管片的上
方空间。悬吊架20至少包括第一悬吊架21、第二悬吊架22及第三悬吊架23，第一悬吊架21及第二悬吊架22竖向设于底座板10的一侧，用于沿隧道管片的纵向安装。第三悬吊架23竖向设于底座板10另一侧的中部，用于沿隧道管片的横向安装。
[0032]
上述盾构机空间姿态测量用托架，悬吊架20远离底座板10的一端安装在盾构机掘进方向右上部的隧道管片。第一悬吊架21及第二悬吊架22沿隧道管片的纵向安装，第三悬吊架23沿隧道管片的横向安装，形成三点固定，使该托架稳定地安装在隧道管片，这样底座板10及测量仪器的稳定性好，从而保证盾构姿态测量数据的可靠性。同时，如此设置能够保证测量仪器的转动测量作业不受影响。
[0033]
在一个实施例中，参阅图2和图3，第一悬吊架21与第二悬吊架22的高度相等，第三悬吊架23的高度小于第一悬吊架21及第二悬吊架22的高度。如此，第一悬吊架21及第二悬吊架22能够沿隧道管片的纵向安装，第三悬吊架23能够沿隧道管片的横向安装，使该托架稳定地安装在隧道管片，这样底座板10及测量仪器的稳定性好，从而保证盾构姿态测量数据的可靠性。
[0034]
在一个实施例中，第一悬吊架21、第二悬吊架22及第三悬吊架23为伸缩结构。如此，根据隧道施工需求，例如隧道为上坡段或下坡段，伸缩调节第一悬吊架21、第二悬吊架22及第三悬吊架23，实现悬吊架20高度的调节，这样将该托架安装在隧道管片后无需频繁地进行换站工作，从而保证盾构施工进度不受盾构姿态测量的影响。
[0035]
在一个实施例中，参阅图1和图2，第一悬吊架21、第二悬吊架22及第三悬吊架23均包括至少两个架体24。其中一个架体24设有第一条形孔241，相邻另一架体24设有第二条形孔242，第一条形孔241与第二条形孔242对应设置。悬吊架20还包括紧固件，紧固件设于第一条形孔241及第二条形孔242。松卸紧固件，根据施工需求，例如隧道的坡度，向靠近或远离底座板10的方向移动其中一个架体24，直至将悬吊架20调整到合适的高度，再通过紧固件对相邻两个架体24进行固定。若隧道是上坡段或下坡段，伸缩调节悬吊架20来实现悬吊架20高度的调节，这样安装该托架后无需频繁地进行换站工作，从而保证盾构施工进度不受盾构姿态测量的影响。
[0036]
进一步地，第一条形孔241的长度为30mm～80mm，第二条形孔242的长度为30mm～100mm。应当理解的是，第一条形孔241与第二条形孔242的长度可以相等，也可以不等。长度在该范围内的第一条形孔241及第二条形孔242能够满足悬吊架20高度的调节，同时也不会降低悬吊架20的强度。
[0037]
具体到本实施例中，第一悬吊架21、第二悬吊架22及第三悬吊架23均包括两个架体24。在第一悬吊架21及第二悬吊架22的其中一个架体24的高度为80mm，第一条形孔241的长度为50mm；另外一个架体24的高度为595mm，第二条形孔242的长度为90mm。第三悬吊架23的其中一个架体24的高度为80mm，第一条形孔241的长度为50mm；第三悬吊架23的另一个架体24的高度为406mm，第二条形孔242的长度为90mm。
[0038]
在另一个实施例中，其中一个架体24设有多个第一调节孔，多个第一调节孔沿架体24的高度方向间隔设置。相邻另一个架体24设有多个第二调节孔，多个第二调节孔沿架体24的高度方向间隔设置。第一调节孔与第二调节孔对应设置，紧固件设于第一调节孔及第二调节孔。松卸紧固件，根据施工需求，例如隧道的坡度，将第一调节孔对应于合适高度的第二调节孔，实现悬吊架20高度的调节，再通过紧固件对相邻两个架体24进行固定。
[0039]
具体到本实施例中，参阅图1，第一悬吊架21、第二悬吊架22及第三悬吊架23为角铁或角钢。当然，第一悬吊架21、第二悬吊架22及第三悬吊架23也可为其它结构的悬吊件，不以此为限。
[0040]
在一个实施例中，参阅图1和图2，盾构机空间姿态测量用托架还包括用于安装在隧道管片的安装板30。安装板30设于悬吊架20远离底座板10的一端，安装板30相对于底座板10倾斜设置。可选地，安装板30为钢板。需要说明的是，第一悬吊架21、第二悬吊架22及第三悬吊架23顶部的安装板30的倾斜方向可以相同，也可以不同。通过将安装板30相对于底座板10倾斜设置，使安装板30的表面能够贴合于隧道管道的内壁，便于将该托架安装在隧道管片上。
[0041]
需要说明的是，安装板30的数量与悬吊架20的数量相同，悬吊架20远离底座板10的一端均安装有安装板30。具体到本实施例中，安装板30设有三个，三个安装板30分别设于第一悬吊架21、第二悬吊架22及第三悬吊架23远离底座板10的一端。并且，安装板30的水平角根据盾构施工过程中隧道管片的半径对应进行设置，只要安装板30的表面能够贴合隧道管片的内壁即可，故在此不具体限定安装板30的水平角。
[0042]
可选地，安装板30为平板，平板相对于底座板10倾斜设置。或者，安装板30为弧形板。如此设置，安装板30的表面能够贴合于隧道管片的内壁，便于将该托架固定在隧道管片。
[0043]
在一个实施例中，参阅图1和图3，安装板30设有至少两个安装孔31，其中两个安装孔31对称设置。在安装时，对隧道管片进行钻孔，将螺栓等紧固件穿设于安装板30的安装孔31及隧道管片的钻孔内，从而将该托架安装在隧道管片上。通过在安装板30设置至少两个安装孔31，一方面，便于将托架稳定地安装于隧道管片，这样底座板10及测量仪器的稳定性好，从而保证盾构姿态测量数据的可靠性；另一方面，由于隧道管片内有钢筋，在钻孔的过程中，若钻到钢筋则停止钻孔，可以更换其它的安装孔31进行安装，使用更灵活。
[0044]
具体到本实施例中，参阅图1和图3，安装孔31设有四个，其中两个安装孔31间隔地设于安装板30表面的一侧，另外两个安装孔31对称地设于安装板30表面的另一侧。当然，安装孔31也可设有三个、五个以上，不以此为限。
[0045]
在一个实施例中，底座板10设有用于固定测量仪器的固定孔，固定孔位于底座板10的中部。可选地，固定孔为螺纹孔。通过在底座板10的中部设置固定孔，这样便于将测量仪器可靠地安装在底座板10。具体地，安装时，测量仪器底部的安装孔31与底座板10的固定孔对应设置，通过螺栓等紧固件穿设于测量仪器的安装孔31及底座板10的固定孔，从而将测量仪器安装在底座板10。
[0046]
当然，在其它实施例中，底座板10的中部也可设置磁吸件，通过磁吸配合将测量仪器稳定地安装在底座板10。或者，底座板10的中部设有限位槽，该限位槽与测量仪器的底部相适配。
[0047]
在一个实施例中，盾构机空间姿态测量用托架还包括水平检测仪，水平检测仪设于底座板10。可选地，水平检测仪为气泡水平仪，或者其它类型的检测仪器。通过在底座板10设置水平检测仪，便于安装者检测底座板10是否水平安装；若底座板10未水平安装，则调整安装位置、悬吊架20的高度等，直至底座板10处于水平状态，这样才能保证测量仪器水平安装，从而提高测量仪器测量结构的可靠性。
[0048]
参阅图1和图4，本实施例的盾构机空间姿态测量方法，提供盾构机空间姿态测量用托架。盾构机空间姿态测量方法包括如下步骤：
[0049]
s10、盾构机始发进洞前，在盾构机内部的右上方布设至少三个姿态测控点，并测量姿态测控点的三维坐标。
[0050]
需要说明的是，在本实施例中，盾构机空间姿态测量用托架安装于盾构机掘进方向右上方的隧道管片。之后，需采用安装于该托架上的测量仪器测量姿态测控点的三维坐标，为了使测量仪器能够测量到盾构机的姿态测控点，故先将姿态测控点布设在盾构机内部的右上方。
[0051]
为了保证姿态测控点的精度，在盾构机内部布设多个姿态测控点，按照精密导线和水准测量的要求，通过全站仪等测量仪器进行平面及高程控制测量，得出姿态测控点的三维坐标。具体地，可在始发进洞前的基坑内，或者在厂房内测量多个姿态测控点的三维坐标。在盾构机始发进洞前，姿态测控点的测量场地可根据实际需求进行选择，不以此为限。
[0052]
s20、参阅图5和图6，在盾构机的外壳圆周布设多个测量点，在同一坐标系下，测出测量点的三维坐标。根据测量点的三维坐标，拟合盾构机盾体中心的三维坐标，获得盾构机的中轴线。
[0053]
需要说明的是，同一坐标系是指测量测量点及姿态测控点的坐标系是同一坐标系，这样便于建立盾构姿态检测模型。此外，可先执行步骤s20，再执行步骤s10，即先布设测量点，并测量点的三维坐标及拟合盾体中心三维坐标；之后，再布设姿态测控点，并测量姿态测控点的三维坐标。当然，也可以同时布设姿态测控点及测量点，再分别测量姿态测控点及测量点的三维坐标。
[0054]
具体地，盾构机的结构不同，在盾构机的外壳圆周布设测量点的位置也不同。例如，若盾构机的盾首与盾尾固定连接，则分别在盾构机的盾首及盾尾外壳圆周布设多个测量点，并测量盾首外壳圆周测量点及盾尾外壳圆周测量点的三维坐标。通过三点确定一个平面及圆心的原理，分别计算出盾首及盾尾中心的三维坐标；将盾首及盾尾中心点相连接，便可得到盾构机的中轴线。若盾构机的盾首与盾尾铰接，则分别在盾构机的刀盘、中体及后体外壳圆周布设多个测量点，并测量刀盘、中体及后体中心的三维坐标。
[0055]
参阅图5，在本实施例中，盾构机包括刀盘、中体及后体。下面以刀盘中心o的计算为例，通过空间三点确定一个平面和圆心的原理，计算出刀盘中心o的三维坐标。
[0056]
首先，假设刀盘中心o点坐标为(x
o
，y
o
，z
o
)
[0057]
在施工过程中，测得盾构机外圆周测量点1、2、3的三维坐标分别为(x
i
，y
i
，z
i
，i＝1，2，3)，下面推导由点1、2、3的三维坐标求刀盘中心o点的坐标(x
o
，y
o
，z
o
)。
[0058]
根据两点之间的距离公式得
[0059][0060]
式中：d
1o
、d
2o
、d
3o
分别为1、2、3点到刀盘中心o点的距离，可由盾构就位后控制点1、2、3和刀盘中心o点的初始坐标(x
i0
，y
i0
，z
i0
，i＝1，2，3)以及(x
o0
，y
o0
，z
o0
)求出：
[0061][0062]
将式(1)展开，并相减得
[0063][0064][0065]
控制点1、2、3确定一平面m
123
，由已知三点坐标求平面法线公式得：
[0066][0067]
式中：(x
n
，y
n
，z
n
)为平面m
123
的法线方向矢量坐标。
[0068]
则平面m
123
方程为：
[0069]
x
n
x+y
n
y+z
n
z+d＝0
ꢀꢀꢀ
(6)
[0070]
将点1的坐标(x1，y1，z1)代入上式得：
[0071]
d＝-(x
n
x1+y
n
y1+z
n
z1)
ꢀꢀꢀ
(7)
[0072]
由点到平面的距离公式得
[0073]
d
o
＝x
n
x
o
+y
n
y
o
+z
n
z
o
+d
ꢀꢀꢀ
(8)
[0074]
式中：do为刀盘中心o点到控制点1、2、3平面m
123
的距离，可由盾构机就位后测量控制点1、2、3和刀盘中心o点的初始坐标(x
i0
，y
i0
，z
i0
，i＝1，2，3)以及(x
o0
，y
o0
，z
o0
)求出。
[0075]
将上式移项得
[0076]
x
n
x
o
+y
n
y
o
+z
n
z
o
＝do-d
ꢀꢀꢀ
(9)
[0077]
式(9)与式(3)、式(4)组成一个关于(x
o
，y
o
，z
o
)的三元一次线性方程组，解此方程组就可求得刀盘中心o点的三维坐标(x
o
，y
o
，z
o
)。
[0078]
按照上述方法，可计算出盾构机中体及后体的中心坐标。
[0079]
s30、根据测量点的三维坐标、姿态测控点的三维坐标及盾构机的中心坐标，建立盾构姿态检测模型。
[0080]
具体地，将测量点的三维坐标、姿态测控点的三维坐标及求解的盾构机的中心三维坐标输入cad中，由这些点组成的图形即为所需的盾构姿态检测模型，并将其粘贴为三维图形块保存。关于盾构姿态检测模型为现有技术，在此不做详述。
[0081]
s40、盾构机始发进洞，将测量仪器安装于盾构机空间姿态测量用托架的底座板10，盾构机空间姿态测量用托架安装于盾构机掘进方向的右上方的隧道管片。
[0082]
具体地，第一悬吊架21及第二悬吊架22沿隧道管片的纵向安装于盾构机掘进方向右上方的隧道管片，第一悬吊架21及第三悬吊架23沿隧道管片的横向安装于盾构机掘进方向右上方的隧道管片，再将测量仪器安装在底座板10。如此，测量仪器可对盾构机内部右上方的姿态测控点进行测量。
[0083]
s50、在掘进的过程中，通过隧道管片右上方空间的测量仪器实时测量盾构机的姿
态测控点的三维坐标。
[0084]
需要说明的是，盾构机的长度一般为80m～100m，盾构机所在范围内无法布设姿态测控点，测量盾构姿态必须在盾构机台车的中部设置转点，将姿态测控点转移到盾构机最前方才能进行测量。而本实施例中，通过将测量仪器设于盾构机掘进方向的右上方空间，在该位置处对姿态测控点进行测量，使测量的坐标在隧道管片的顶部进行传递，这样可避免下部不断转点前移测量，从而不会影响电瓶车、掘进等施工进度。
[0085]
s60、计算出盾构姿态参数。
[0086]
盾构姿态参数主要包括盾构机的俯仰角、滚动角及偏航角。通过盾构机中心坐标及测量点可计算出以上三个参数，计算过程如下：
[0087]
参阅图7，为了反映盾构机轴线与线路轴线的相对偏差，本实施例中的俯仰角指盾构机轴线与线路方向在铅直面内的夹角，偏航角指盾构机轴线与线路方向在水平面内的夹角。
[0088]
刀盘中心o点和位于盾构机轴线上的c点连线形成盾构机轴线oc，矢量oc完全确定了盾构机的俯仰角和偏航角。求解步骤如下：
[0089]
(1)设线路设计轴线矢量为t(x
t
，y
t
，z
t
)，线路与水平面夹角为β，求过t与水平面成β角的平面m的法矢量m(x
m
，y
m
，z
m
)。
[0090]
由法矢量m(x
m
，y
m
，z
m
)与矢量t(x
t
，y
t
，z
t
)垂直得
[0091]
x
t
x
m
+y
t
y
m
+z
t
z
m
＝0(10)
[0092]
由法矢量m(x
m
，y
m
，z
m
)与铅直线矢量(0，0，1)成β角得
[0093][0094]
整理得
[0095][0096]
将矢量m(x
m
，y
m
，z
m
)单位化得
[0097][0098]
联合式(10)至式(12)就可求出(x
m
，y
m
，z
m
)。
[0099]
(2)求盾构机轴线oc在平面m上的投影矢量坐标o
′
c
′
(x
co
，y
co
，z
co
)。
[0100]
通过已求出刀盘中心o点坐标(x
o
，y
o
，z
o
)，根据相同步骤可求出c点坐标(x
c
，y
c
，z
c
)，由此可求出轴线oc的矢量坐标：
[0101]
(x
oc
，y
oc
，z
oc
)＝(x
o-x
c
，y
o-y
c
，z
o-z
c
)
ꢀꢀꢀ
(13)
[0102]
在平面m上做一条辅助线p，p与盾构机轴线oc垂直，设p的矢量坐标为(x
p
，y
p
，z
p
)。由于辅助线位于平面m上，故p也与平面m法线矢量m(x
m
，y
m
，z
m
)垂直。
[0103]
由两矢量的矢量积公式得：
[0104][0105]
设盾构机轴线oc在平面m上的投影o
′
c
′
的矢量坐标为(x
co
，y
co
，z
co
)，o
′
c
′
与平面m法线矢量m(x
m
，y
m
，z
m
)垂直，同时o
′
c
′
也与辅助线p(x
p
，y
p
，z
p
)垂直。
[0106]
由两矢量的矢量积公式求得：
[0107][0108]
(3)矢量oc与矢量o
′
c
′
之间的夹角即为俯仰角α。
[0109]
以上求出矢量oc与矢量o
′
c
′
的矢量坐标，根据两矢量之间的夹角公式得
[0110][0111]
式中：(x
oc
，y
oc
，z
oc
)和(x
co
，y
co
，z
co
)分别为盾构机轴线oc及其在平面m上的投影o
′
c
′
的矢量坐标，分别见式(13)和式(15)。
[0112]
2、矢量o
′
c
′
与线路设计轴线矢量t之间的夹角即为偏航角ψ。
[0113]
根据两矢量之间的夹角公式得
[0114][0115]
式中：(x
t
，y
t
，z
t
)为线路设计轴线t的矢量坐标(可由线路设计轴线三维坐标dta求出)。
[0116]
3、滚动角θ，参阅图8，滚动角θ指盾构机绕自身轴线旋转的角度。
[0117]
求解步骤如下：
[0118]
(1)求过点a和盾构机轴线上o点、c点的平面q的法矢量q(x
q
，y
q
，z
q
)。
[0119]
前面已根据控制点1、2、3的坐标求出
[0120]
刀盘中心o点坐标(x
o
，y
o
，z
o
)和c点坐标(x
c
，y
c
，z
c
)，根据相同方法可求出
[0121]
a点坐标(x
a
，y
a
，z
a
)。由三点坐标可求出平面q的法矢量坐标q(x
q
，y
q
，z
q
)
[0122][0123]
(2)求过盾构机轴线oc的铅垂面h的法矢量h(x
h
，y
h
，z
h
)。
[0124]
盾构机轴线oc的矢量坐标为(x
oc
，y
oc
，z
oc
)，铅垂线的矢量坐标为(0，0，1)，铅垂面h的法矢量h与盾构机轴线oc垂直，也和铅垂线矢量相垂直，则由两矢量的矢量积公式得：
[0125][0126]
(3)平面q与铅垂面h的夹角即为盾构机的滚动角θ。
[0127]
根据两矢量之间的夹角公式得
[0128][0129]
通过以上测量及计算，得出了盾构机刀盘、中体及后体的中心坐标，也得出了盾构机的俯仰角、滚动角及偏航角三个关键参数，在盾构机自带的自动导向系统软件中进行参数设置即可计算出盾构机实时姿态。然而，在盾构掘进过程中，盾体外壳处于土层中，此时用外圆周测量的方法无法实现盾构姿态测量。因此我们必须建立一个便于掘进过程中盾构
姿态检测的数学模型。
[0130]
为了便于观测，并保证多余观测数，在盾构机中体千斤顶面附近布设至少三个姿态测控点，并测量其三维坐标。
[0131]
参阅图9和图10，利用已经计算出的盾构机刀盘及盾体中心坐标，假设为a、e两点，结合已测得盾体内部姿态测控点(假设选取b、c、d三点)建立下图所示盾构姿态检测模型。
[0132]
在实际检测过程中，测量出姿态测控点的三维坐标，根据坐标平移的原理，得出刀盘中心及盾体中心的三维坐标，与隧道中线比较即可得出盾构姿态。在现场测量过程中，为便于快速提供姿态指导掘进，可利用autocad三维对齐命令，将模型对齐到实际测量出的姿态点点位上，立刻得出盾构机实时姿态。
[0133]
在一个实施例中，在盾构机的外壳圆周布设多个测量点，在同一坐标系下，测出测量点的三维坐标，根据测量点的三维坐标，拟合盾构机盾体中心的三维坐标，获得盾构机的中轴线的步骤s20中，通过空间三点确定一个平面和圆心的原理，可对多个测量点进行自由组合，求解出多个盾体中心的三维坐标。之后，求解多个盾体中心的三维坐标的平均值，得出最佳的盾体中心三维坐标。如此，使得盾体中心三维坐标更接近真实的坐标值，从而减小盾构姿态测量的误差。
[0134]
在一个实施例中，在盾构机空间姿态测量方法的步骤s10、s20及s50中，采用全站仪测量姿态测控点及测量点。具体地，全站仪发射的激光照向姿态测控点及测量点，进而得出姿态测控点和测量点的三维坐标。
[0135]
需要说明的是，传统的测量方式是在姿态测控点及测量点的位置安装测点棱镜，全站仪对准测点棱镜，得出姿态测控点及测量点的三维坐标。但由于测点棱镜安装在盾构机后，测点棱镜与姿态测控点或测量点存在高差，例如测点棱镜下部端头与盾构机的外壳之间存在一定的高差，因此采用此种方法会使测量结果存在误差，影响测量结果的准确性。而在本实施例中，全站仪发射的激光照相姿态测控点及测量点，使得测量的三维坐标更准确，从而减小盾构姿态检测的误差。
[0136]
在一个实施例中，在盾构机的外壳圆周布设多个测量点，在同一坐标系下，测出测量点的三维坐标；根据测量点的三维坐标，拟合盾构机盾体中心的三维坐标，获得盾构机的中轴线的步骤s20中：
[0137]
当盾构机包括刀盘、中体及后体时，测量点包括多个第一测量点、多个第二测量点及多个第三测量点，第一测量点布设于盾构机的刀盘外壳圆周，第二测量点布设于盾构机的中体外壳圆周，第三测量点布设于盾构机的后体外壳圆周。由于盾构机在掘进的过程中，中体及后体会运动，通过在刀盘、中体及后体分别布设第一测量点、第二测量点及第三测量点，这样便于对刀盘、中体及后体进行盾构姿态检测。
[0138]
在一个实施例中，在盾构机始发进洞前，在盾构机内部的右上方布设至少三个姿态测控点，测量姿态测控点的三维坐标的步骤s10中：姿态测控点设于盾构机的中体千斤顶面。需要说明的是，盾构机在不均匀地层盾构掘进的过程中，千斤顶对隧道管片的作用力不均匀会导致隧道管片错台或隧道管片扭转，并且千斤顶形成差过大会导致受力不均出现隧道管片损坏的问题，故本实施例将姿态测控点设于盾构机中体的千斤顶位置处，这样可以得到中体的千斤顶的盾构姿态，便于调整盾构姿态，避免出现因千斤顶导致隧道管片错台、损坏等问题。
[0139]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0140]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0141]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0142]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0143]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0144]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0145]
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。