盾構(gòu)位姿測(cè)量與導(dǎo)向中的優(yōu)化問(wèn)題研究.pdf

1、盾構(gòu)法隧道施工是目前廣泛應(yīng)用的隧道建設(shè)方法，它是集機(jī)械、電子、液壓、材料、控制、市政等多學(xué)科于一體的大型系統(tǒng)工程。利用盾構(gòu)法建設(shè)隧道，安全可靠，施工效率高，可一次完成隧道建設(shè)，節(jié)省大量的人力和物力，并且對(duì)路面設(shè)施的影響非常小。通過(guò)盾構(gòu)法建設(shè)的隧道，不僅工程質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，并且使用年限長(zhǎng)，維護(hù)方便。雖然如此，但是隧道建設(shè)依舊屬于復(fù)雜的大型工程，投資大，耗時(shí)長(zhǎng)。這給盾構(gòu)裝備的設(shè)計(jì)和制造提出了巨大的挑戰(zhàn)，如何設(shè)計(jì)一套合理的盾構(gòu)裝備，也是一個(gè)

2、非常復(fù)雜的工程。如果設(shè)計(jì)得好，方案選擇合理，則不僅可以降低設(shè)備的制造成本，同時(shí)還可以提高隧道施工的效率。
　　目前，國(guó)內(nèi)已有許多科研單位，公司和廠商開始從事或投資盾構(gòu)裝備的研發(fā)和制造，最終目標(biāo)是制造出一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)裝備。不過(guò)，目前國(guó)內(nèi)該型設(shè)備的水平參差不齊，只有部分設(shè)備的實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，主體思路依然效仿國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)，還沒能形成一套完整的設(shè)計(jì)理念和方法。本課題所在的國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃正是在這種背景下形成的，在該計(jì)劃的資助

3、下，本課題針對(duì)盾構(gòu)法隧道施工中的以下科學(xué)問(wèn)題開展研究：
　　1.研究了基于全站儀和電子激光標(biāo)靶的位姿測(cè)量系統(tǒng)，給出了盾構(gòu)機(jī)位姿信息的計(jì)算方法。結(jié)合該系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了系統(tǒng)的局限性，根據(jù)這些局限性提出了技術(shù)需求。
　　2.提出了站點(diǎn)規(guī)劃的概念以及方法。結(jié)合站點(diǎn)規(guī)劃的要求，引入集合覆蓋的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述該過(guò)程。首先抽象出全站儀對(duì)激光標(biāo)靶測(cè)量中的三種約束：量程約束、入射角約束和可視性約束。其中，利用GPU技術(shù)對(duì)可視性約束中的可視錐計(jì)

4、算進(jìn)行加速。然后，依據(jù)三種約束模型建立起一個(gè)0-1可測(cè)性矩陣來(lái)描述全站儀與激光標(biāo)靶之間的可測(cè)性關(guān)系，進(jìn)而將站點(diǎn)規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為集合覆蓋問(wèn)題，并通過(guò)貪婪算法得到近似最優(yōu)解。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，規(guī)劃結(jié)果符合工程中的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則。
　　3.開展了隧道建設(shè)中利用通用管片拼裝成型隧道的方法的研究。首先分析了通用管片的幾何結(jié)構(gòu)，進(jìn)而說(shuō)明了其相對(duì)于傳統(tǒng)管片拼裝的優(yōu)勢(shì)所在。接著，研究了相鄰?fù)ㄓ霉芷h(huán)之間拼裝的幾何位置關(guān)系，利用坐標(biāo)變換理論，給出了相鄰環(huán)之間相對(duì)