一种大圆盾构隧道直径解算方法与流程

本发明涉及隧道结构变形观测技术领域，尤其是一种大圆盾构隧道直径解算方法。

背景技术：

收敛监测是隧道工程安全监测的有效方法。目前盾构隧道常用的收敛监测方法有收敛计监测法、全站仪自动化监测法、全站仪自由设站法和三维激光扫描监测法。前三种方法对监测前期准备工作要求高，人力物力成本高，而三维激光扫描监测方法速度快、精度高，是未来盾构隧道收敛监测的必然趋势。

大圆盾构隧道断面原设计形状为圆形，由于受各种因素影响，断面形状发生了改变，实际隧道形状更接近于椭圆。在大圆盾构隧道设计之初为隧道安全考虑浇筑了中隔墙结构，阻隔了大圆盾构隧道上下行通视效果，因此隧道断面无法用椭圆拟合求解直径收敛值。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种大圆盾构隧道直径解算方法，利用三维激光扫描技术所获取大圆盾构隧道断面扫描点信息进行处理计算，实现大圆盾构隧道直径收敛值的解算。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种大圆盾构隧道直径解算方法，用于解算大圆盾构隧道的直径收敛值，所述大圆盾构隧道包括左、右部通道及其设置在所述左、右部通道之间的中间隔墙，其特征在于：所述解算方法至少包括以下步骤：采用三维激光扫描技术获取大圆盾构隧道断面扫描点信息；对所述左部通道和所述右部通道的弧形段和直线段分别采用最小二乘法进行拟合，求得所述左部通道和所述右部通道各自的弧形段的圆心和半径以及所述直线段的斜率和截距；结合所述弧形段的圆心和半径以及所述直线段的斜率和截距分别计算所述左部通道和所述右部通道各自的直径收敛值；将所述左部通道的直径收敛值和所述右部通道的直径收敛值以及所述中间隔墙的厚度设计值相加，得到所述大圆盾构隧道的直径收敛值。

所述左部通道和所述右部通道的弧形段和直线段通过以下步骤进行划分：以通道断面重心作为断面中心，并且以断面中心垂直水平面向上的方向作为天顶正方向；把三维激光扫描点以四个固定天顶距值作为分界点进行划分。

所述左部通道和所述右部通道的四个天顶距值为，其中-的角度差值范围为30°至70°，-的角度差值范围为30°至70°。

结合所述直线段的斜率和截距以及所述弧形段的圆心计算所述圆心到所述直线段的距离，将所述弧形段的半径减去所述圆心到所述直线段的距离计算得到所述左部通道和所述右部通道各自的直径收敛值。

本发明的优点是：适用于大圆盾构隧道的直径解算，适用范围广；解算方法简便，解算所得到的直径收敛值精度高。

附图说明

图1为本发明中大圆盾构隧道管片拼装示意图；

图2为大圆盾构扫描断面示意图；

图3为大圆盾构左部通道弧形段与直线段起始范围示意图；

图4为大圆盾构左部通道直径收敛值解算示意图；

图5为大圆盾构右部通道弧形段与直线段起始范围示意图；

图6为大圆盾构右部通道直径收敛值解算示意图；

图7为大圆盾构隧道直径收敛值解算示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-7所示，图中标记1-8分别表示为：大圆盾构隧道1、左部通道2、右部通道3、中间隔墙4、弧形段5、直线段6、弧形段7、直线段8。

实施例：本实施例中大圆盾构隧道直径解算方法用于解算大圆盾构隧道直径收敛值。如图1所示，大圆盾构隧道1包括分别作为上下行的左部通道2和右部通道3以及设置在左部通道2和右部通道3之间用于分隔的中间隔墙4。

大圆盾构隧道直径解算方法包括以下步骤：

1）采用三维激光扫描技术获取大圆盾构隧道断面扫描点信息，得到左部通道2（图中记为l）和右部通道3（图中记为r）断面扫描点坐标信息，如图2所示。

2）对左部通道直径收敛值进行处理：将左部通道2的断面重心作为断面中心，并且以断面中心垂直水平面向上的方向作为天顶正方向（图3中的箭头所示方向为天顶正方向）。把扫描点以四个固定天顶距值（）作为分界点，与之间的差值对应弧形段5，与之间的差值对应直线段6，如图3所示。其中-的角度范围为30°至70°，-的角度范围为30°至70°，保证天定距值的差值所对应出的弧形段5和直线段6的数据满足拟合要求，避免拟合出的弧形段5和直线段6无法反应真实情况。

3）拟合弧形段5扫描数据，求取圆弧参数：对弧形段5内扫描数据进行有效性检查，剔除粗差，采用最小二乘法进行圆弧拟合，计算得到弧形段5的扫描半径及圆心坐标，如图4所示。

4）拟合直线段6扫描数据，求取直线参数：设定直线段6所对应的直线方程为，同样地对直线段6内扫描数据采用最小二乘法拟合，得到直线段6的斜率与。

5）解算弧形段5的圆心到直线段6之间的距离：已知直线段方程与圆心的坐标，则求取圆心到直线段6的距离，计算公式为：

，式中各参数均已从上述步骤中得到。

6）计算左部通道2的直径收敛值：如图4所示，左部通道2的直径收敛值

，式中各参数均已从上述步骤中得到。

7）由于右部通道3与左部通道2结构对称，因此重复步骤2）-6）解算右部通道3的直径收敛值。在重复步骤2）时四个固定天顶距值为（，即与左部通道2的四个固定天顶距值方向相反，保证右部通道3的弧形段7以及直线段8与左部通道2的弧形段5以及直线段6相对称，如图5所示。如图6所示，计算得到弧形段7的圆弧扫描半径、圆心坐标、直线段的斜率与截距，计算右部通道3的直径收敛值。

8）求解大圆盾构隧道直径收敛值d：，式中为左部通道2的直径收敛值、为右部通道3的直径收敛值，为中间隔墙3的厚度设计值。

本实施例中的大圆盾构隧道直径解算方法认为大圆盾构隧道1的直径收敛值是中间隔墙4厚度与隔墙左右两通道（左部通道2以及右部通道3）的直径收敛值之和，其中假设中间隔墙厚度为固定设计值。中间隔墙4左右两通道均由弧形段和直线段构成，首先分别对弧形段和直线段采用最小二乘法进行拟合，求得弧形段的圆弧中心和半径以及直线段的斜率和截距，再过圆弧中心作水平直线与弧形段及直线段相交于两点，此两点间的距离则为通道的直径收敛值，最终将已知的中间隔墙4厚度设计值与两通道（左部通道2以及右部通道3）的直径收敛值相加，即为大圆盾构隧道1的直径收敛值。