专利名称：一种基于s型曲线的盾构机轨迹控制方法
技术领域：
本发明涉及一种隧道掘进控制方法，尤其是涉及一种基于S型曲线的盾构机轨迹控制方法。
背景技术：
在盾构施工中，实际隧道轴线与隧道设计轴线的偏差是评判施工质量的重要指标。管片顺着盾构机的运动轨迹拼装，其选型优先考虑与盾构机的协调度，因此盾构机的轨迹将基本决定施工完成后隧道的实际轴线。一般而言，盾构机以设计轴线为拟合目标进行掘进，但在推进过程中，由于受土层地质、千斤顶顶力分布、开挖面上土压力不均衡性等因素的影响，不可避免地使盾构姿态发生变化，产生偏移或俯仰，所以对盾构机的掘进姿态进行实时的控制和调整显得尤其重要。2004年，华中科技大学高春香在其硕士学位论文里提到了盾构机纠偏的方法，她将直线段纠偏、缓和曲线纠偏和圆曲线纠偏分开讨论，采用直线、缓和曲线和圆曲线作为纠偏基本线形，利用纠偏曲线进行纠偏。2007年刘凤华在其自主开发的软件中针对盾构机掘进姿态的控制使用了模糊控制法，其原理是将盾构机水平竖直的蛇形量及方向偏角输入模糊控制器，得出盾构主机的趋势调整值。2010年浙江大学的谢海波、段小明、刘志斌等人发明了盾构机掘进过程中的姿态轨迹复合控制方法，其做法是将盾构机各种偏差形式转化成角度偏差为0的情况进行纠偏。以上研究都用各自的方法实现了盾构机的纠偏，但仍存在一些不足。盾构施工中盾构机轨迹与设计轴线偏差越小、曲线越平滑，施工质量越高，然而以上研究都需要盾构机偏差姿态从一种形式转化成另一种形式，增加了盾构机轨迹的波动性，而且不能很好地控制盾构机返回到设计轴线的位置。将直线、圆曲线、缓和曲线纠偏分开来讨论，采用缓和曲线作为纠偏线型，使得计算中需要使用迭代，计算公式复杂，实现难度大，计算结果很难保证；引入模糊控制方法，其模糊控制表通常按经验取值，灵敏度低，不能同时纠正盾构机的位置偏差和角度偏差；姿态轨迹复合法，假设了隧道设计轴线可以看成是直线，因此在曲线段时不能保证盾构机姿态与设计轴线完全吻合。因此，研究出一种直接的，通用性强的盾构机轨迹控制方法能够进一步提高隧道成型的质量，具有重要现实意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种纠偏一次完成、通用性强、降低盾构轨迹波动性的基于S型曲线的盾构机轨迹控制方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种基于S型曲线的盾构机轨迹控制方法，该方法包括以下步骤I)计算机获取隧道设计轴线的平竖曲线要素，并将其离散成首尾相接的线元；2)计算机获取初始设定的S型曲线终点里程；
3)计算隧道设计轴线上S型曲线终点里程处的坐标和方位角；4)计算机自动获取盾构机的实时姿态数据；5)利用步骤3)和步骤4)的数据，计算水平S型曲线的曲率半径、两圆心坐标和圆弧交点坐标，构建水平S型曲线；6)计算水平S型曲线的总长度，并利用总长度修正S型曲线终点里程；7)根据步骤6)修正后的S型曲线终点里程的起点、终点数据，采用步骤5)中的方法构建竖直S型曲线；8)判断S型曲线的最小曲率半径是否小于盾构机的最小转弯半径，若是，则返回步骤2)，若否，则执行步骤9)；
9)假设盾构机沿着S型曲线掘进一环，计算出掘进之后盾构机千斤顶的理想行程;10)将步骤9)计算出来的理想行程数据转换成所需油缸液压；11)计算机将步骤10)的计算结果传输给盾构机，调整盾构机的油缸液压，控制盾构机向前掘进；12)在盾构机掘进过程中，实时判断是否需要重构S型曲线，若是，则返回步骤2)，若否，则返回步骤9)；13)重复步骤2)到步骤12)步直至盾构施工结束。所述的步骤I)中的离散成首尾相接的线元是指求出各线元的基本参数以及各线元起始点和终点的里程；对于直线线元其基本参数包括起点坐标和终点坐标；对于缓和曲线线元其基本参数包括起点坐标、起点方位角、回旋线参数、曲线长度和类型；对于圆曲线其基本参数包括圆心坐标、起始角度、终点角度和圆弧半径。所述的S型曲线是一条由两个半径相同的反向圆弧组成的曲线，两个反向圆弧所在的圆相切，S型曲线的起点S是盾构机当前位置，方向SS'是盾构机轴线方向，终点E是隧道设计轴线上的指定点，方向EE'是此点的切线方向。所述的步骤3)的具体步骤为首先根据终点里程找出S型曲线终点所在线元；根据线元线型计算出隧道设计轴线上S型曲线终点里程处的坐标(^，ye，ze)、水平方位角Cie和俯仰角a ' e若线元线型为直线，则根据直线坐标解算公式计算；若线元线型为缓和曲线，则根据回旋线坐标解算公式计算；若线元线型为圆曲线，则根据圆曲线坐标解算公式计算。所述的盾构机的实时姿态数据包括盾构机当前位置的里程Ls、坐标(xs，ys, zs)、水平方位角^^和俯仰角a , s。所述的构建水平S型曲线的具体步骤为计算S型曲线的两圆心0和O'的坐标(X。，y0)、(x。，，y。，)x0 = xs+Rcos ^ s, y0 = y0+Rsin 3 sx0, = xe+Rcos & e, y0, = ye+Rsin & e其中，I为线段SO的方位角，若圆心O在SS'的左侧，则I = as-Ji，否则，
=as+ji ;R为S型曲线的曲率半径由于两圆相切，两圆心距离等于半径的两倍 :) + (W) = IR
计算得
权利要求
1.一种基于S型曲线的盾构机轨迹控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1)计算机获取隧道设计轴线的平竖曲线要素，并将其离散成首尾相接的线元；2)计算机获取初始设定的S型曲线终点里程；3)计算隧道设计轴线上S型曲线终点里程处的坐标和方位角；4)计算机自动获取盾构机的实时姿态数据；5)利用步骤3)和步骤4)的数据，计算水平S型曲线的曲率半径、两圆心坐标和圆弧交点坐标，构建水平S型曲线；6)计算水平S型曲线的总长度，并利用总长度修正S型曲线终点里程；7)根据步骤6)修正后的S型曲线终点里程的起点、终点数据，采用步骤5)中的方法构建竖直S型曲线；8)判断S型曲线的最小曲率半径是否小于盾构机的最小转弯半径，若是，则返回步骤2)，若否，则执行步骤9)；9)假设盾构机沿着S型曲线掘进一个环宽的距离，计算出掘进之后盾构机千斤顶的理想行程；10)将步骤9)计算出来的理想行程数据转换成所需油缸液压；11)计算机将步骤10)的计算结果传输给盾构机，调整盾构机的油缸液压，控制盾构机向前掘进；12)在盾构机掘进过程中，实时判断是否需要重构S型曲线，若是，则返回步骤2)，若否，则返回步骤9)；13)重复步骤2)到步骤12)步直至盾构施工结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于S型曲线的盾构机轨迹控制方法，其特征在于，所述的步骤I)中的离散成首尾相接的线元是指求出各线元的基本参数以及各线元起始点和终点的里程；对于直线线元其基本参数包括起点坐标和终点坐标；对于缓和曲线线元其基本参数包括起点坐标、起点方位角、回旋线参数、曲线长度和类型；对于圆曲线其基本参数包括圆心坐标、起始角度、终点角度和圆弧半径。
3.根据权利要求1所述的一种基于S型曲线的盾构机轨迹控制方法，其特征在于，所述的S型曲线是一条由两个半径相同的反向圆弧组成的曲线，两个反向圆弧所在的圆相切，S 型曲线的起点S是盾构机当前位置，方向SS'是盾构机轴线方向，终点E是隧道设计轴线上的指定点，方向EE^是此点的切线方向。
4.根据权利要求2所述的一种基于S型曲线的盾构机轨迹控制方法，其特征在于，所述的步骤3)的具体步骤为首先根据终点里程找出S型曲线终点所在线元；根据线元线型计算出隧道设计轴线上S型曲线终点里程处的坐标(^，ye, %)、水平方位角Cie和俯仰角α , e 若线元线型为直线，则根据直线坐标解算公式计算；若线元线型为缓和曲线，则根据回旋线坐标解算公式计算；若线元线型为圆曲线，则根据圆曲线坐标解算公式计算。
5.根据权利要求3所述的一种基于S型曲线的盾构机轨迹控制方法，其特征在于，所述的盾构机的实时姿态数据包括盾构机当前位置的里程Ls、坐标(xs，ys, zs)、水平方位角as 和俯仰角a ' s。
6.根据权利要求5所述的一种基于S型曲线的盾构机轨迹控制方法，其特征在于，所述的构建水平S型曲线的具体步骤为计算S型曲线的两圆心O和O'的坐标(X。，y。)、(X。，，y。，)； x0 = xs+Rcos β s, y0 = y0+Rsin β s x0, = xe+Rcos β e, γ0, = ye+Rsin β e其中，为线段SO的方位角，若圆心0在SS'的左侧，则β3= CIs-Ji,否则，^s = as+Ji洱为S型曲线的曲率半径由于两圆相切，两圆心距离等于半径的两倍sj(x/ -X02)+(yj - y 2 ) = 2R计算得 —B±^~~4AC K =-取正值，式中A = 4- (cos β e-cos β J2- (sin β e-sin β J2B = -2 X ((x0, -x0) · (cos β e-cos β s) + (y0, -y0) · (sin β e_sin β s))C = -(x。，-x0)2-(y。，-y0)2两圆弧交点M的坐标用下式计算II=-V )>> = 2 (凡 + 凡,)根据上述计算的坐标值即可构建水平S型曲线。
7.根据权利要求6所述的一种基 于S型曲线的盾构机轨迹控制方法，其特征在于，步骤6)中修正S型曲线终点里程的公式为Le = Ls+lc-(Le-Ls)其中，Le为修正后的S型曲线终点里程，Ls为盾构机当前位置的里程，Le为修正前的S 型曲线终点里程，Lc为水平S型曲线的总长度，Ic =zyl) + arcs{n(h,，cIRIRn(xe, ye)为水平S型曲线终点E的坐标。
8.根据权利要求1所述的一种基于S型曲线的盾构机轨迹控制方法，其特征在于，所述的需要重构S型曲线的判断依据包括盾构机掘进至S型曲线终点或者盾构机轨迹偏离了构建出的S型曲线。
全文摘要
本发明涉及一种基于S型曲线的盾构机轨迹控制方法，该方法包括以下步骤获取隧道设计轴线的平竖曲线要素；获取初始设定的S型曲线终点里程；计算S型曲线终点里程处的坐标和方位角；获取盾构机的实时姿态数据；构建水平S型曲线；修正S型曲线终点里程；构建竖直S型曲线；判断S型曲线的最小曲率半径是否小于盾构机的最小转弯半径，若是，则重新获取S型曲线终点里程；计算出盾构机沿着S型曲线掘进一环后千斤顶的理想行程；将理想行程数据转换成所需油缸液压；计算机将计算结果传输给盾构机，控制盾构机向前掘进，并实时判断是否需要重构S型曲线。与现有技术相比，本发明具有纠偏一次完成、通用性强、降低盾构轨迹波动性等优点。
文档编号E21D9/093GK102996137SQ201210592559
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者彭丹, 刘新根, 齐磊, 周德成, 张 杰, 刘学增 申请人:上海同岩土木工程科技有限公司