專利名稱：一種圓形盾構隧道多弧段斷面擬合的方法
技術領域：
本發明專利屬于隧道結構變形觀測領域，具體是一種圓形盾構隧道多弧段斷面擬合的方法。
背景技術：
由于盾構隧道的自身結構、周邊水土壓力、行車動荷載等因素的影響，隨著時間的推移，盾構隧道大多產生“橫鴨蛋”形變形，為了了解這種變形量的大小，目前多采用全斷面收斂測量的方法。全斷面掃描收斂測量作為評價圓形盾構隧道斷面變形情況的重要指標，與沉降、平面位移、滲漏水調查等方法一起，從不同側面評價盾構隧道的健康狀況。目前，全斷面掃描收斂測量數據采集一般采用全站儀、附以機載程序、沿隧道剖面按20cm左右的步長自動逐點采集，數據處理一般采用以橢圓為數據模型進行全斷面整體擬合，以擬合的橢圓長軸和短軸與設計半徑的較差的大小來評價變形量。然而總體變形較 小時采用圓或橢圓擬合影響不大；但對局部變形量較大的區段，橢圓模型把隧道剖面描述為連續的曲線，不能反映相鄰管片間的錯臺、旋轉等實際情況。
發明內容
本發明的目的是根據上述現有技術的不足之處，提供一種圓形盾構隧道多弧段斷面擬合的方法，該方法將圓形盾構隧道看作由若干個弧段拼接而成，通過弧段各自的擬合，并把擬合后的各弧段連接成一不規則剖面，與設計斷面比較，從而計算斷面上各位置的變形量、橫向及豎向等典型位置變形量、相鄰管片間的相對錯臺量與相對旋轉量，實現對圓形盾構隧道的精確變形測量。本發明目的實現由以下技術方案完成:
一種圓形盾構隧道多弧段斷面擬合的方法，用于圓形盾構隧道的變形測量，所述圓形盾構隧道由若干呈圓弧狀的管片拼接而成，其特征在于:所述方法至少包括以下步驟:
(a)采集所述圓形盾構隧道的斷面觀測數據，該觀測數據包括所述管片之間拼裝縫的位置數據，且每個管片內圓周上的有效采集點不少于6個；
(b)把觀測數據以所述管片間的拼接縫作為分界點，將所述圓形盾構隧道斷面劃分為若干弧段，并通過步驟(a)中所采集到的有效采集點對所述弧段逐一進行數據擬合；
(c)結合步驟(b)中所述逐一進行數據擬合的結果，完成所述圓形盾構軌道的變形測量的整體擬合計算。步驟(b)中的所述數據擬合具體包括如下步驟:對所述弧段內的觀測數據進行有效性檢查，剔除粗差點；采用所述弧段內有效的觀測點，獨立進行最小二乘法圓弧擬合，計算所述弧段的圓心和半徑；以所述圓心和半徑，以及所述弧段的起始角和終止角定義該所述弧段。
步驟(c)中的所述變形測量的整體擬合計算具體包括:
計算所述圓形盾構隧道的橫徑變形量，所述橫徑變形量為最左側弧段的切點與最右側弧段的切點的距離，所述最左側弧段的切點、所述最右側弧段的切點分別根據各自圓心和半徑的擬合結果計算；
計算所述圓形盾構隧道的豎徑變形量，所述豎徑變形量為最上側弧段的切點與下部對中點的距離，所述最上側弧段的切點根據其圓心和半徑的擬合結果計算，下部對中點通過觀測儀器確定；
計算相鄰管片間的錯臺量，所述錯臺量為所有分界點處相鄰弧段沿半徑方向的錯開量，所述錯開量根據相鄰管片各自圓心和半徑的擬合結果計算；
計算相鄰弧段間的相對旋轉角，所述相鄰旋轉角為所有分界點處相鄰弧段切線的方位角之差，所述相對旋轉角根據相鄰管片各自圓心、起始角和終止角的擬合結果計算；
綜合上述數據整體擬合判斷所述圓形盾構隧道的變形量。本發明的優點是:能夠通過若干弧段的擬合，計算出斷面上各位置的變形量、橫向及豎向等典型位置變形量、相鄰管片的相對錯臺量與相對旋轉量，從而明顯說明每片管片內部線性的情況，變形、錯臺主要發生在接口部位。
圖1是本發明的觀測示意 圖2是本發明中錯臺量示意 圖3是本發明中相鄰管片旋轉角示意 圖4是傳統橢圓模型解算成果 圖5是本發明實施例橢圓模型解算成果圖。
具體實施例方式以下結合附圖通過實施例對本發明特征及其它相關特征作進一步詳細說明，以便于同行業技術人員的理解:
如圖1-5所示，圖中標記1-6分別為:觀測儀器1、管片2、管片3、管片4、管片5、管片6。實施例:如圖1所示，本實施中的圓形盾構隧道由呈圓弧狀的管片2、管片3、管片
4、管片5、管片6相互拼接而成，觀測儀器I放置于該圓形盾構隧道內部，以測試由上述管片拼接成的圓形盾構隧道的變形程度。本實施例的具體擬合方法如下:
I)使用觀測儀器I觀測采集該圓形盾構隧道的斷面觀測數據的同時，把管片之間的拼裝縫的位置也采集到，要求每個管片弧段內圓周上有效的采集點不少于六點，較短弧段內有效采集點點數不夠時進行補測直至滿足六點的要求。2)對采集到的數據進行處理，將圓形盾構隧道以管片之間的拼縫為分界點劃分為若干弧段。3)對單一弧段的數據處理過程如下:
a)對弧段內的觀測數據進行有效性檢查，剔除粗差點；b)采用弧段內有效的觀測點，獨立進行最小二乘法圓弧擬合，計算圓心與半徑；
C)以圓心、半徑、起始角、終止角這四個參數定義該弧段。4)按步驟3)對所有弧段逐一進行擬合計算以得到全部弧段的擬合結果。5)計算出最左側弧段的切點與最右側弧段的切點的距離，用來評價橫徑變形，最左側弧段的切點與最右側弧段的切點可通過其各自的圓心和半徑來計算得出。6)計算最上側弧段的切點與下部對中點的距離，用來評價豎徑變形，最上側弧段的切點根據其圓心和半徑的擬合結果計算，下部對中點通過觀測儀器I確定。7)計算所有分界點處相鄰弧段沿半徑方向的錯開量L，即為相鄰管片環該位置的錯臺量(如圖2所示)，錯開量根據相鄰管片各自圓心和半徑的擬合結果計算。8)計算所有分界點處相鄰弧段切線的方位角之差，即為相鄰弧段的相對旋轉角。如圖3所示管片5的圓心為O5，管片6的圓心為O6，兩者由于變形在其接縫處造成相對旋轉，其旋轉角度為a，該旋轉角度為兩個管片在接縫處的兩個切線之間的夾角，相對旋轉角根據相鄰管片各自起始角和終止角的擬合結果計算。本實施例在具體實施時:
某圓形盾構隧道的變形量在CAD中展點后，其橫徑變形為0.147，其縱徑變形為-0.167，針對此圓形盾構隧道分別采用現有技術的擬合方法(A)以及本實施例中的擬合方法(B)來測量其變形程度，該變形程度指的是實際測試的數據與理論數據的差異大小。A、采用傳統橢圓模型解算，按每15°計算圓周上各點與圓心的距離跟理論半徑比較、以向下為角度零方向、順時針為角度正方向展開如圖4所示。根據圖4，采用目前傳統的橢圓模型時:可解算出橫向變形(90°處變形量+270°處的變形量)、豎向變形(180°處變形量)，且變形量與CAD展點成果基本一致；但不能解算相鄰管片的錯臺量、旋轉角，使其無法全面地測量出該圓形盾構隧道的變形情況。B、按照本實施例，根據實測的數據，可解算出:
權利要求
1.種圓形盾構隧道多弧段斷面擬合的方法，用于圓形盾構隧道的變形測量，所述圓形盾構隧道由若干呈圓弧狀的管片拼接而成，其特征在于:所述方法至少包括以下步驟: Ca)采集所述圓形盾構隧道的斷面觀測數據，該觀測數據包括所述管片之間拼裝縫的位置數據，且每個管片內圓周上的有效采集點不少于6個； (b)把觀測數據以所述管片間的拼接縫作為分界點，將所述圓形盾構隧道斷面劃分為若干弧段，并通過步驟(a)中所采集到的有效采集點對所述弧段逐一進行數據擬合； (c)結合步驟(b)中所述逐一進行數據擬合的結果，完成所述圓形盾構軌道的變形測量的整體擬合計算。
2.據權利要求1所述的一種圓形盾構隧道多弧段斷面擬合的方法，其特征在于:步驟(b)中的所述數據擬合具體包括如下步驟:對所述弧段內的觀測數據進行有效性檢查，剔除粗差點；采用所述弧段內有效的觀測點，獨立進行最小二乘法圓弧擬合，計算所述弧段的圓心和半徑；以所述圓心和半徑，以及所述弧段的起始角和終止角定義該所述弧段。
3.據權利要求1所述的一種圓形盾構隧道多弧段斷面擬合的方法，其特征在于:步驟(C)中的所述變形測量的整體擬合計算具體包括: 計算所述圓形盾構隧道的橫徑變形量，所述橫徑變形量為最左側弧段的切點與最右側弧段的切點的距離，所述最左側弧段的切點、所述最右側弧段的切點分別根據各自圓心和半徑的擬合結果計算； 計算所述圓形盾構隧道的豎徑變形量，所述豎徑變形量為最上側弧段的切點與下部對中點的距離，所述最上側弧段的切點根據其圓心和半徑的擬合結果計算，下部對中點通過觀測儀器確定； 計算相鄰管片間的錯臺量，所述錯臺量為所有分界點處相鄰弧段沿半徑方向的錯開量，所述錯開量根據相鄰管片各自圓心和半徑的擬合結果計算； 計算相鄰弧段間的相對旋轉角，所述相鄰旋轉角為所有分界點處相鄰弧段切線的方位角之差，所述相對旋轉角根據相鄰管片各自圓心、起始角和終止角的擬合結果計算； 綜合上述數據整體擬合判斷所述圓形盾構隧道的變形量。
全文摘要
本發明屬于隧道結構變形觀測領域，具體是一種圓形盾構隧道多弧段斷面擬合的方法，其特征在于所述方法至少包括以下步驟采集弧段的數據，弧段的逐一數據擬合，圓形盾構隧道的整體擬合計算。本發明的優點是能夠通過若干弧段的擬合，計算出斷面上各位置的變形量、橫向及豎向等典型位置變形量、相鄰管片的相對錯臺量與相對旋轉量，從而明顯說明每片管片內部線性的情況，變形、錯臺主要發生在接口部位。
文檔編號G01B21/32GK103090842SQ20131004936
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月7日 優先權日2013年2月7日
發明者郭春生, 王吉, 侯敬宗, 付和寬, 許正文, 袁釗 申請人:上海巖土工程勘察設計研究院有限公司