周 佶，富昱佳

ZHOU Jie, FU Yu-jia

（南京工業(yè)大學(xué) 土木學(xué)院，南京 210009）

0 引言

在現(xiàn)代化城市地鐵隧道建設(shè)中，盾構(gòu)法越來越廣泛的應(yīng)用在地鐵施工過程中。但是引進的國外盾構(gòu)測量系統(tǒng)的軟硬件，操作復(fù)雜、價格昂貴、實用性不高。人工導(dǎo)向系統(tǒng)因人力投入大、測量頻率高、測量工作量大、對隧道推進干擾大和數(shù)據(jù)處理慢等缺點而無法實時獲取盾構(gòu)姿態(tài)，但其又因設(shè)備投入少、成本較低和操作簡單等特點在施工中仍較多采用[2]。本文主要討論兩點棱鏡法在盾構(gòu)機掘進中的應(yīng)用。主要研究在Windows XP系統(tǒng)下，以AutoCAD2004為開發(fā)平臺，運用AutoCAD的應(yīng)用程序接口ObjectARX進行二次開發(fā)，建立AutoCAD的內(nèi)部命令。此方法具有模塊性好、獨立性強、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。

1 此方法的應(yīng)用特點

1）及時交互。人工測量方式與自動方式相結(jié)合；

2）模塊化。軟件功能模塊化，運行穩(wěn)定可靠；

3）參數(shù)化。用戶只需根據(jù)軟件界面上的參數(shù)設(shè)置，輸入已知的數(shù)據(jù)，便可迅速獲取計算結(jié)果；

4）數(shù)據(jù)輸出。數(shù)據(jù)輸入后，能迅速輸出用戶所需要的數(shù)據(jù)文件，并保存為“.txt”文本格式，方便用戶查詢和數(shù)據(jù)的再處理；部分數(shù)據(jù)設(shè)計成word表格形式保存，方便用戶使用辦公軟件管理數(shù)據(jù)；

5）精確度高。計算過程中能判斷是否符合精度要求，提醒用戶修改已知數(shù)據(jù)，達到較高精度要求。

2 主要實現(xiàn)功能

該軟件包含了盾構(gòu)姿態(tài)測量中的數(shù)據(jù)處理功能。首先，根據(jù)用戶輸入的設(shè)計要素，自動解算出該標段的隧道中心和盾構(gòu)中心的設(shè)計坐標，并將其入庫保存，以備調(diào)用。然后進入姿態(tài)測量數(shù)據(jù)處理功能，可以根據(jù)自己所用的姿態(tài)測量的方法選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模型。

圖1 盾構(gòu)測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要功能

3 程序流程圖

程序流程圖如圖2所示。

圖2 三維坐標計算流程圖

4 主要計算源代碼

5 姿態(tài)測量－兩點棱鏡法

在盾構(gòu)機內(nèi)部，棱鏡與盾構(gòu)機盾首中心、盾尾中心構(gòu)成一個局部坐標系。盾構(gòu)機現(xiàn)場安裝完畢后，在其始發(fā)前必須測出盾構(gòu)機上的主要基準點、測量控制點在工程坐標系的初始坐標值，從而確定兩個控制點在盾構(gòu)機局部坐標系中的初始坐標以及初始測量時局部坐標系和工程坐標系之間的關(guān)系。這種關(guān)系不隨盾構(gòu)機的旋轉(zhuǎn)、偏移發(fā)生改變。因此，在盾構(gòu)推進過程中，通過測量兩個棱鏡在測量坐標系中的坐標，利用傾斜傳感器獲取旋轉(zhuǎn)角和坡度角，就可以實時推求出盾尾中心和盾首中心的測量坐標。

開始時首先在盾構(gòu)機內(nèi)部建立起一個局部坐標系，以盾首中心為局部坐標原點，即盾首中心局部坐標為(0,0,0)，盾構(gòu)機中心軸線為x軸且前進方向為x軸正方向，則盾尾中心局部坐標為(-D,0,0)，D為盾構(gòu)機長度，如圖3所示：

圖3 盾構(gòu)機局部坐標系與測量坐標系

在盾構(gòu)機始發(fā)階段，獲取棱鏡、盾首和盾尾的測量坐標。盾首、盾尾在兩個坐標系中的坐標為已知量，從而可以建立起來這兩個坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，則可以利用坐標轉(zhuǎn)換的原理求取棱鏡在局部坐標系中的坐標[4,5]。

式(1)中，(x,y,z)為局部坐標系下的坐標，(x,y,z)為測量坐標系下的坐標。

兩個坐標系統(tǒng)單位長度相同，縮放尺度基本不變。因此可以忽略縮放參數(shù)μ的影響。采用兩點坐標差的形式，還可以將坐標平移參數(shù)抵消，整理后得到下式：

此時選取局部坐標原點，即盾首坐標作為參考點，則式(2)變?yōu)椋?/p>

式(1)～(3)中，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，它表示測量坐標系分別繞三軸旋轉(zhuǎn)。三個旋轉(zhuǎn)角分別為：繞X軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角，繞Y軸旋轉(zhuǎn)的坡度角和繞Z軸旋轉(zhuǎn)的方位角。始發(fā)階段，旋轉(zhuǎn)角、坡度角、方位角均通過測量坐標和高差求得。

初始姿態(tài)的測量工作確定了棱鏡在局部坐標系中的坐標(xi,yi,zi)，保存記錄，用于以后盾構(gòu)機推進過程中姿態(tài)確定的使用。

如圖4所示為初始姿態(tài)測量時的流程。

圖4 兩點棱鏡法初始姿態(tài)測量流程圖

在推進的過程中，測量人員利用全站儀獲取到盾構(gòu)機上棱鏡的測量坐標 ，以及在初始姿態(tài)中確定的棱鏡局部坐標 ，求取這兩個坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。根據(jù)這樣的轉(zhuǎn)換關(guān)系，求出此時盾首、盾尾的測量坐標，從而確定此時盾構(gòu)機的一系列姿態(tài)參數(shù)。

式(4)中， 為在推進過程中的坐標轉(zhuǎn)換矩陣，其余參數(shù)含義同上。同樣不考慮縮放比例的影響，采用兩點坐標差消除平移參數(shù)的影響。

盾首的測量坐標：

盾尾的測量坐標：

通過式(6)、(7) 獲取盾首、盾尾的實時測量坐標后，確定此時盾首、盾尾的里程，進而求取在設(shè)計軸線上的坐標 。根據(jù)盾首、盾尾的設(shè)計坐標和測量坐標，利用小角法來計算盾首、盾尾的偏差，從而為盾構(gòu)機的準確推進提供數(shù)據(jù)保證。

在各種地鐵隧道施工工藝中，盾構(gòu)法因其施工安全、速度快且不影響地面交通、不受氣候條件影響和適用地層范圍廣等有點而備受關(guān)注。因而開發(fā)一套適用于地鐵隧道姿態(tài)測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)尤為重要，以Visual C++.NET與ObjectARX相結(jié)合的開發(fā)方法對AutoCAD進行二次開發(fā)，極大地提高了開發(fā)效率，并且AutoCAD還提供了強大的數(shù)據(jù)管理平臺和圖形處理能力。

[1] 李長勛.AutoCAD ObjectARX 程序開發(fā)技術(shù)[M].北京：國際工業(yè)出版社,2005.

[2] 張涿娃.盾構(gòu)施工測量方法淺探[J].市政技術(shù),2002,(1)：40-43.

[3] 張厚美,古力.盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)的測量及計算方法研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2004,41(2)：14-20.

[4] 張英杰.基于ARX與MFC的AutoCAD2006應(yīng)用程序開發(fā)[Z].機械工程師,2007,9.

[5] 劉英璐.ObjectARX與MFC相結(jié)合進行AutoCAD二次開發(fā)[Z].煤炭技術(shù),2007,12.