基于滚轮计量的顶管姿态预测方法
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，具体来说涉及一种基于滚轮计量的顶管姿态预测方法。
背景技术
随着我国经济高速发展，城市顶管法施工隧道越来越多，顶管法施工具有施工速度快、对周围环境影响小、地层适应性强、工程质量高等优点。为了保证顶管法隧道的施工质量，必须要对隧道轴线进行严格控制，顶管姿态是顶管隧道施工过程中轴线控制的关键因素。
目前国内外顶管姿态主要采取单环施工完成后人工测量，不能做到施工过程实时测量，需要操作人员根据最近一次顶管姿态进行预估当前姿态，缺点是容易受到操作人员经验、能力等个人因素影响，较差的预测结果不仅无法满足顶管对设计轴线拟合，而且会导致顶管跑偏、管片破碎等不良后果。施工过程中顶管姿态不可能完全遵循拟合设计轴线，要给出恰当预测姿态，并根据该姿态进行纠偏。
国内目前管片选型系统有以下几个方面不足，阻碍了他们在隧道施工中的推广应用：
1)顶管推进完成后在拼装过程中，千斤顶要回缩，一回缩，顶管机会稍微向后退些，但是在计算顶管姿态时，不考虑千斤顶回缩对里程的影响，导致系统精度不高；
2)通用性差，对管片姿态不具有纠偏指导。
发明内容
鉴于上述情况，本发明提供一种基于滚轮计量的顶管姿态预测方法，解决现有的顶管姿态预测时不考虑千斤顶回缩对里程的影响，导致系统精度不高、且顶管姿态预测通用性差，对管片姿态不具有纠偏指导的缺陷。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种基于滚轮计量的顶管姿态预测方法，包括以下步骤：
测量上个阶段顶管姿态的切口坐标(X切，Y切，Z切)，盾尾坐标(X尾，Y尾，Z尾)，并采用滚轮计数法计数上个阶段顶管推进里程C滚轮；
提供所要预测的顶管姿态的切口里程C预，计算所要预测的顶管推进距离D，所要预测的顶管推进距离D为C预与上个阶段顶管推进里程C滚轮之间的距离；
根据获得的顶管推进距离D及切口坐标(X切，Y切，Z切)与盾尾坐标(X尾，Y尾，Z尾)构成的两点式空间直线方程，计算所要预测的顶管姿态的切口坐标和盾尾坐标。
本发明实施例中，所述采用滚轮计数法计数顶管推进里程C滚轮的步骤包括：
在顶管机以外的固定参照物上安装滚轮定位机构，并将滚轮与所述滚轮定位机构活动连接，所述滚轮的滚动面抵压于所述顶管机上；
推进所述顶管机，所述滚轮随所述顶管机的推进滚动于所述顶管机上；
记录所述滚轮滚动的圈数及所述滚轮每圈所行走的路程，并根据所述滚轮滚动的圈数及所述滚轮每圈所行走的路程计算获得所述顶管推进里程。
本发明实施例中，所述滚轮上安装有编码器，所述编码器用于接收并发送所述滚轮计数的圈数及所述滚轮每圈所行走的路程。
本发明实施例中，所述滚轮的滚动面为防滑表面。
本发明实施例中，所述两点式空间直线方程为：
得到：
式中：(X、Y、Z)为所要预测顶管姿态的切口坐标；
k为系数。
本发明实施例中，所要预测的切口坐标的计算方法的步骤还包括：
根据所要预测的顶管推进距离D，得到
(X－X切)2+(Y－Y切)2+(Z－Z切)2＝D2 (2)
计算获得
将k值代入公式(1)中，即可得到所要预测的切口坐标为：
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
(1)本发明通过采集管节上滚轮读数，避免千斤顶伸缩对测量里程的影响，提高系统精度和适用性。
(2)本发明利用上阶段顶管姿态、管节滚轮读数等数据，结合空间方程自动计算顶管姿态，便于纠正管片姿态、指导隧道施工。
(3)本发明滚轮安装便捷、操作方便，适用于各种顶管，计算出来的管片姿态接近真实值，有利于提高顶管施工质量。
附图说明
图1是本发明基于滚轮计量的顶管姿态预测方法的原理图。
图2是本发明滚轮安装于顶管机上的结构示意图。
图3是本发明滚轮与滚轮定位结构的连接节点示意图。
图4是本发明顶管推进距离示意图。
图5是本发明顶管姿态描述示意图。
附图标记与部件的对应关系如下：
顶管机1；滚轮定位机构2；安装板21；定位轴22；连接件23；U形开口框231；连接轴232；连接杆233；滚轮3。
具体实施方式
为利于对本发明的了解，以下结合附图及实施例进行说明。
请参阅图1所示，本发明提供一种基于滚轮计量的顶管姿态预测方法，包括以下步骤：
(1)测量上个阶段顶管姿态的切口坐标(X切，Y切，Z切)，盾尾坐标(X尾，Y尾，Z尾)，并采用滚轮计数法计数上个阶段顶管推进里程C滚轮；
如图2、图3所示，所述采用滚轮计数法计数顶管推进里程C滚轮的步骤包括：
在顶管机1以外的固定参照物(如墙壁11)上安装滚轮定位机构2，并将滚轮3与所述滚轮定位机构2活动连接，所述滚轮3的滚动面抵压于所述顶管机1上；
推进所述顶管机1，所述滚轮3随所述顶管机的推进滚动于所述顶管机1上；
记录所述滚轮3滚动的圈数及所述滚轮3每圈所行走的路程，并根据所述滚轮3滚动的圈数及所述滚轮3每圈所行走的路程计算获得所述顶管推进里程C滚轮。
具体地，滚轮定位机构2的结构如图3所示，包括安装板21、定位轴22及连接滚轮3与定位轴22的连接件23，所述定位轴22的两端通过连接板24固定于安装板21上，所述连接件23包括有U形开口框231及连接U形开口框231与滚轮的连接轴232，所述U形开口框231上固定有连接杆233，所述连接杆233活动连接于定位轴22上。通过将滚轮3活动安装于顶管机1上，使得滚轮3能够随着顶管机1的推进上下波动，同时滚轮3利用自重(>15kg)抵压于顶管机1上。
优选地，所述滚轮3的滚动面为防滑表面，以防止各种工况下的滚轮3打滑，大幅提高滚轮计数精度；本发明实施例中，所述滚轮3采用冬季防滑设计的橡胶滚轮面。
优选地，滚轮3上安装有高精度编码器31，所述高精度编码器31具有无线接收和发送功能，从而可以接收滚轮3计数的圈数及所述滚轮3每圈所行走的路程并将滚轮计数数据发送至数据通讯接口。
本发明实施例中，上个阶段顶管姿态的切口坐标、盾尾坐标的测量可以采用现有的顶管姿态的常规测量方法，通常采用激光经纬仪配合顶管机自带的倾角仪推算顶管的姿态。
(2)提供所要预测的顶管姿态的切口里程C预，计算所要预测的顶管推进距离D，所要预测的顶管推进距离D为C预与上个阶段顶管推进里程C滚轮之间的距离；
如图4所示，所述顶管推进距离D为所要预测的顶管姿态的切口里程C预与上个阶段顶管姿态的切口里程C滚轮之间的距离，即计算的时候，直接用滚轮3的读数C滚轮作为切口里程，因为盾构机姿态坐标不是实时获取，所以用滚轮可以随时得到切口里程；
具体地，所要预测的顶管推进距离D的计算包括以下步骤：
如果C切>C尾那么
如果C预-C滚轮≥0那么
D＝C预-C滚轮
否则
报警，无法预测
结束
否则
如果C预-C滚轮≥0那么
报警，无法预测
否则
D＝-(C预-C滚轮)
结束
结束
其中，C切、C尾分别为隧道设计轴线(简称DTA)中对应的切口里程和盾尾里程，DTA中包含隧道设计轴线数据，每次测量顶管姿态坐标的时候，将测量获得的切口坐标、盾尾坐标分别与DTA进行比对计算，得到切口里程C切、盾尾里程C尾，切口里程C切、盾尾里程C尾的获得为本领域技术人员熟知的技术手段，在此不再赘述；
C预为人工输入的切口里程数据，盾构司机可以判断接下去1～3环顶管的姿态，并输入切口里程数据。
(3)根据获得的顶管推进距离D及切口坐标(X切，Y切，Z切)与盾尾坐标(X尾，Y尾，Z尾)构成的两点式空间直线方程，计算所要预测的顶管姿态的切口坐标和盾尾坐标。
本发明实施例中，可将切口坐标(X切，Y切，Z切)、盾尾坐标(X尾，Y尾，Z尾)及C滚轮通过数据通讯接口发送至计算机终端进行后续计算。
具体地，所要预测的切口坐标和盾尾坐标的计算方法包括以下步骤：
如图5所示，顶管机可是看作一个由切口和盾尾组成的刚体，切口和盾尾所在的空间直线方程为：
式中，k为常数。
对于预测顶管推进到任意距离时，所要预测的切口坐标(X，Y，Z)为：
根据预测的顶管推进距离为D、切口坐标(X切，Y切，Z切)及所要预测的切口坐标之间的距离关系，可以得到
(X－X切)2+(Y－Y切)2+(Z－Z切)2＝D2
计算得到
同理可得所要预测的盾尾坐标为：
以上结合附图及实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
