本发明涉及盾构机掘进技术领域，具体涉及一种一种盾构TBM掘进姿态偏差校核方法。
背景技术：
盾构TBM掘进姿态控制直接关系隧道成型质量，意义重大。在盾构TBM施工过程中，都会采用自动导向系统实时测量盾构TBM掘进姿态，控制盾构机开挖方向。但是当自动导向系统发生设备故障或者数据录入有误时，会导致盾构TBM掘进姿态与设计严重偏离，造成工程事故。
2013年3月7日成都地铁1号线南延线华阳站～广都北站右线（以下简称：华广区间右线）区间盾构施工过程中，盾构机从广都北站始发，3月13日项目部测量组对1～12环进行管片姿态测量，测量结果显示隧道高程最大偏差为19mm；3月19日项目部对1～56环管片姿态进行复测，发现17-56环（GDYK25+533.3～+593.3）均出现不同程度的超限，其中56环垂直偏差达到+2010mm、水平偏差+52mm，但盾构机测量导向系统56环处显示的盾构垂直偏差为盾首-29mm、盾尾-25mm，水平偏差盾首+41mm、盾尾+35mm，成型隧道实测偏差与盾构机测量导向系统显示偏差严重不符。经过调查，确认是盾构机VMT系统中输入了错误的盾构推进计划线数据文件，致使盾构机按照错误的计划线路推进，导致盾构隧道轴线偏差，造成直接经济损失273万余元，构成市政基础设施工程质量一般事故。
因此，需要定期对盾构TBM掘进姿态进行人工测量和计算，与自动导向系统进行比对，以保证盾构TBM掘进姿态的正确性。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种准确测量和盾构TBM掘进姿态偏差校核方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种盾构TBM掘进姿态偏差校核方法，包括下列步骤：
（1）以盾构TBM刀盘中心点为坐标原点，以刀盘横向方向为x轴，盾构TBM设计轴线方向为Y轴，垂直方向为Z轴建立盾构机相对坐标系；
（2）从盾构机中体的面板上预设的固定测量点位中任意选取3个点位B、C、D；测量出所选固定测量点位的设计院坐标系里的三维坐标（Xi,Yi,Zi）；
所述设计院坐标系指的是实际施工过程中的隧道设计用坐标系；
（3）在盾构TBM轴线上刀盘和盾尾分别选取中心点A、E两点作为计算盾构TBM掘进姿态的基点，所选取的三个固定测量点位B、C、D和前后参考点A、E共同组成一个四面体，且其边长Li是不变的常量；
（4）根据已测得的固定测量点位的三维坐标及Li长度，依据空间解析几何原理，得到如下公式：
(XB-XA) 2+(YB-YA)2+(ZB-ZA)2=LAB2
(Xc-XA)2+(Yc-YA) 2+(Zc-ZA) 2=LAc2
(XD-XA)2+(YD-YA) 2+(ZD-ZA)2=LAD2
（5）简化上述三元二次方程式可以得到2个关于X、Y、Z的三元一次方程，如下式：
(XB - Xc) XA+(YB -Yc) YA+(ZB -Zc) ZA=M/2 ①
(XB - XD) XA+(YB -YD) YA+(ZB -ZD) ZA=N/2 ②
其中：M= XB2-XC2+YB2-YC2+ZB2-ZC2+LAC2-LAB2；
N= XB2-XD2+YB2-YD2+ZB2-ZD2+LAD2-LAB2；
（6）将步骤5所述公式①、②转换为空间平面的点法式方程，如下式：
根据式Ⅰ中的平面点法式方程，将三阶行列式展开后得到关于参考点相对位置的空间圆平面方程如下：
((y2-y1)(z3-z1)-(y3-y1)(z2-z1))(x-x1)+((x3-x1)(z2-z1)-(x2-x1)(z3-z1))(y-y1)+((x2-x1)(z3-z1)-(x3-x1)(z2-z1))(z-z1)=0
（7）根据空间点到空间平面的距离公式，如下式Ⅱ，
其中：D=-(AX1+BY1+CZ1)；
得到刀盘到该点的距离d；
（8）同理求出设计院坐标系里B、C、D三点的空间圆平面方程：
((YB-YA)(ZC-ZA)-(YC-YA)(ZB-ZA))(X-XA)+((XC-XA)(ZB-ZA)-(XB-XA)(ZC-ZA))(Y-YA)+((XB-XA)(ZC-ZA)-(XC-XA)(ZB-ZA))(Z-ZA)=0
通过式Ⅱ由空间点到空间平面的距离反算出此直线的方程：
aXA+bYA+cZA=K ③
式中a、b、c、K为常量；
根据①、②、③式解出XA、YA、ZA，得出刀盘A点相对于设计线路的设计院坐标系三维坐标；同理可以解算出盾尾E点的设计院坐标系三维坐标；
（9）由刀盘及盾尾A、E两点的三维坐标，并通过已知的线路数据反算出刀盘相对于线路的偏移值，然后计算出盾构机刀盘和盾尾中心的水平偏航、垂直偏航，及盾构机的仰俯角；
（10）根据步骤（9）计算得出的数据，判断盾构TBM掘进姿态是否存在偏差。
优选的，步骤（2）中采用全站型电子测距仪测量出所选固定测量点位的设计院坐标系里的三维坐标（Xi,Yi,Zi）。
优选的，根据步骤（7）计算得到的距离值有两个，如果是刀盘到此空间平面圆的距离则取较大值；如果是盾尾到此空间平面圆的距离则取较小值。
优选的，步骤（2）中选取固定测量点位B、C、D后，先检算其相对位置关系。
本发明的有益效果在于：
1.本发明盾构TBM掘进姿态偏差校核方法通过测量点位选取、刀盘坐标计算和盾尾坐标计算，根据空间不共线的三个点可以构成一个平面的原理，通过在盾构机中体上选取测量控制点,对其三维坐标进行测量，确定其相对于盾构TBM设计轴线的位置关系；然后根据空间解析几何原理，推导出盾构机刀盘中心和盾尾中心三维坐标的计算方法，从而得出盾构机的姿态偏差情况。
2.本发明盾构TBM掘进姿态偏差校核方法可以实现在施工现场对盾构TBM的掘进姿态进行快速的人工测量校核，可以有效保证盾构TBM掘进姿态的准确性，进而保证盾构TBM施工具有较好的隧道成型质量。
附图说明
图1是本发明盾构TBM掘进姿态偏差校核方法测量原理图。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件；所涉及的计算方法如无特别说明，均为本领域常规计算方法。
实施例1：一种盾构TBM掘进姿态偏差校核方法，包括下列步骤：
（1）以盾构TBM刀盘中心点为坐标原点，以刀盘横向方向为x轴，盾构TBM设计轴线方向为Y轴，垂直方向为Z轴建立盾构机相对坐标系。
（2）从盾构机中体的面板上预设的固定测量点位中任意选取3个点位B、C、D；采用全站型电子测距仪测量出所选固定测量点位的设计院坐标系里的三维坐标（Xi,Yi,Zi）；3个点位可以任意选择，选择完毕后要先检算其相对位置关系。所述设计院坐标系指的是实际施工过程中的隧道设计用坐标系。
（3）在盾构TBM轴线上刀盘和盾尾分别选取中心点A、E两点作为计算盾构TBM掘进姿态的基点，所选取的三个固定测量点位B、C、D和前后参考点A、E共同组成一个四面体，且其边长Li是不变的常量。
（4）根据已测得的固定测量点位的三维坐标及Li长度，依据空间解析几何原理，得到如下公式：
(XB-XA) 2+(YB-YA)2+(ZB-ZA)2=LAB2
(Xc-XA)2+(Yc-YA) 2+(Zc-ZA) 2=LAc2
(XD-XA)2+(YD-YA) 2+(ZD-ZA)2=LAD2
（5）简化上述三元二次方程式可以得到2个关于X、Y、Z的三元一次方程，如下式：
(XB - Xc) XA+(YB -Yc) YA+(ZB -Zc) ZA=M/2 ①
(XB - XD) XA+(YB -YD) YA+(ZB -ZD) ZA=N/2 ②
其中：M= XB2-XC2+YB2-YC2+ZB2-ZC2+LAC2-LAB2；
N= XB2-XD2+YB2-YD2+ZB2-ZD2+LAD2-LAB2；
（6）将步骤5所述公式①、②转换为空间平面的点法式方程，如下式：
根据式Ⅰ中的平面点法式方程，将三阶行列式展开后得到关于参考点相对位置的空间圆平面方程如下：
((y2-y1)(z3-z1)-(y3-y1)(z2-z1))(x-x1)+((x3-x1)(z2-z1)-(x2-x1)(z3-z1))(y-y1)+((x2-x1)(z3-z1)-(x3-x1)(z2-z1))(z-z1)=0
（7）根据空间点到空间平面的距离公式，如下式Ⅱ，
其中：D=-(AX1+BY1+CZ1)；
得到刀盘到该点的距离d；
通过上述式Ⅱ计算得到的距离值有两个，如果是刀盘到此空间平面圆的距离则取较大值；如果是盾尾到此空间平面圆的距离则取较小值。
（8）同理求出设计院坐标系里B、C、D三点的空间圆平面方程：
((YB-YA)(ZC-ZA)-(YC-YA)(ZB-ZA))(X-XA)+((XC-XA)(ZB-ZA)-(XB-XA)(ZC-ZA))(Y-YA)+((XB-XA)(ZC-ZA)-(XC-XA)(ZB-ZA))(Z-ZA)=0
通过式Ⅱ由空间点到空间平面的距离反算出此直线的方程：
aXA+bYA+cZA=K ③
式中a、b、c、K为常量；
根据①、②、③式解出XA、YA、ZA，得出刀盘A点相对于设计线路的设计院坐标系三维坐标；同理可以解算出盾尾E点的设计院坐标系三维坐标。
（9）由刀盘及盾尾A、E两点的三维坐标，并通过已知的线路数据反算出刀盘相对于线路的偏移值，然后计算出盾构机刀盘和盾尾中心的水平偏航、垂直偏航，及盾构机的仰俯角。
（10）根据步骤（9）计算得出的数据，判断盾构TBM掘进姿态是否存在偏差。
示例：某型号盾构机固定参考点的位置关系如下表所示。我们取4、7、11三个点作为计算选取点，点位可以任意选取，选取后先检算相对位置关系。参数如下：
1）根据空间二点距离公式：
我们可以得到4、7、11到刀盘和盾尾的空间距离分别为：
刀盘〜4：5.1395；刀盘〜7: 5.2195；刀盘〜11: 4.8993；
盾尾〜4: 2.6787；盾尾〜7: 2.8364；盾尾〜11: 1.9131；
2）利用全站仪实际测量得出4、7、11三点设计院坐标系三维坐标，分别为：
4(304555.650，494972.765，39.213)
7(304555.655，495976.005，37.083)
11(304555.889，495973.859，34.238)
3)根据式Ⅰ先写出固定参考点的空间圆平面方程：
-13.7900X-0.3860Y-0.6118Z-59.5823=0
根据式Ⅱ计算出刀盘、盾尾到空间平面的垂直距离分别为：
d1= 4.3147，d2= 0.6544
4)再根据式Ⅰ和测量所得的三个点的设计院坐标，写出该不共线三点的空间圆设计院坐标系的平面方程：
-13.78878X-0.484195Y-0.76889Z+4439628.53903=0
由于已经解算出刀盘和盾尾到该空间圆平面的距离d1和d2，利用式Ⅱ反算出刀盘和盾尾二点所在的空间直线的方程即可。
刀盘：-13.78878X-0.484195Y-0.76889Z+4439688.1632=0...........(a)
盾尾：-13.78878X-0.484195Y-0.76889Z+4439688.1632=0..........(a-1)
5)根据①、②以及设计院坐标系三维坐标，我们可以写出另外二个方程：
刀盘：-0.005X-3.24Y+2.13Z=1608398.1164.............(b)
-0.239X-1.094Y+4.975Z=615202.1286............(c)
此二个方程和(a)一起组成一个三元一次方程组，解这个三元一次方程组即可得出此时刀盘的X、Y、Z，通过坐标反算即得刀盘的实时姿态。
同理可得盾尾的方程：
盾尾：-0.005X-3.24Y+2.13Z=1608398.09547.............(b-1)
-0.239X-1.094Y+4.975Z=615201.1807..............(c-1)
此二个方程和(a-1)一起组成一个三元一次方程组，解这个三元一次方程组即可得出此时盾尾的X、Y、Z，通过坐标反算即得盾尾的实时姿态。
根据上述计算结果即可得出盾构机的姿态偏差情况。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。