盾构位姿测量与导向中的优化问题研究
盾构法隧道施工是目前广泛应用的隧道建设方法，它是集机械、电子、液压、材料、控制、市政等多学科于一体的大型系统工程。利用盾构法建设隧道，安全可靠，施工效率高，可一次完成隧道建设，节省大量的人力和物力，并且对路面设施的影响非常小。通过盾构法建设的隧道，不仅工程质量高、结构坚固，并且使用年限长，维护方便。虽然如此，但是隧道建设依旧属于复杂的大型工程，投资大，耗时长。这给盾构装备的设计和制造提出了巨大的挑战，如何设计一套合理的盾构装备，也是一个非常复杂的工程。如果设计得好，方案选择合理，则不仅可以降低设备的制造成本，同时还可以提高隧道施工的效率。 目前，国内已有许多科研单位，公司和厂商开始从事或投资盾构装备的研发和制造，最终目标是制造出一套具有自主知识产权的盾构装备。不过，目前国内该型设备的水平参差不齐，只有部分设备的实现国产化，主体思路依然效仿国外的标准，还没能形成一套完整的设计理念和方法。本课题所在的国家重点基础研究发展计划正是在这种背景下形成的，在该计划的资助下，本课题针对盾构法隧道施工中的以下科学问题开展研究： 1.研究了基于全站仪和电子激光标靶的位姿测量系统，给出了盾构机位姿信息的计算方法。结合该系统的特点，分析了系统的局限性，根据这些局限性提出了技术需求。 2.提出了站点规划的概念以及方法。结合站点规划的要求，引入集合覆盖的数学模型来描述该过程。首先抽象出全站仪对激光标靶测量中的三种约束：量程约束、入射角约束和可视性约束。其中，利用GPU技术对可视性约束中的可视锥计算进行加速。然后，依据三种约束模型建立起一个0-1可测性矩阵来描述全站仪与激光标靶之间的可测性关系，进而将站点规划问题转化为集合覆盖问题，并通过贪婪算法得到近似最优解。经实例验证，规划结果符合工程中的经验准则。 3.开展了隧道建设中利用通用管片拼装成型隧道的方法的研究。首先分析了通用管片的几何结构，进而说明了其相对于传统管片拼装的优势所在。接着，研究了相邻通用管片环之间拼装的几何位置关系，利用坐标变换理论，给出了相邻环之间相对位置关系的计算方法。然后，分析了管片拼装对隧道设计轴线的拟合原理，将之前的局部计算方法扩展到整条隧道。最后，将该拼装方法引入到轴线纠偏策略。通过算例，验证了该方法的可行性。 论文的研究工作，作为基础研究将为实现具有自主知识产权，并且符合我国基本国情的盾构装备的设计和制造做一定的铺垫。
隧道施工;盾构法;位姿测量;站点规划;管片拼装
上海交通大学
硕士
机械电子工程
朱利民
2011
中文
U455.43
75
2015-09-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）