盾構位姿測量與導向中的優(yōu)化問題研究.pdf

1、盾構法隧道施工是目前廣泛應用的隧道建設方法，它是集機械、電子、液壓、材料、控制、市政等多學科于一體的大型系統(tǒng)工程。利用盾構法建設隧道，安全可靠，施工效率高，可一次完成隧道建設，節(jié)省大量的人力和物力，并且對路面設施的影響非常小。通過盾構法建設的隧道，不僅工程質(zhì)量高、結構堅固，并且使用年限長，維護方便。雖然如此，但是隧道建設依舊屬于復雜的大型工程，投資大，耗時長。這給盾構裝備的設計和制造提出了巨大的挑戰(zhàn)，如何設計一套合理的盾構裝備，也是一個

2、非常復雜的工程。如果設計得好，方案選擇合理，則不僅可以降低設備的制造成本，同時還可以提高隧道施工的效率。
　　目前，國內(nèi)已有許多科研單位，公司和廠商開始從事或投資盾構裝備的研發(fā)和制造，最終目標是制造出一套具有自主知識產(chǎn)權的盾構裝備。不過，目前國內(nèi)該型設備的水平參差不齊，只有部分設備的實現(xiàn)國產(chǎn)化，主體思路依然效仿國外的標準，還沒能形成一套完整的設計理念和方法。本課題所在的國家重點基礎研究發(fā)展計劃正是在這種背景下形成的，在該計劃的資助

3、下，本課題針對盾構法隧道施工中的以下科學問題開展研究：
　　1.研究了基于全站儀和電子激光標靶的位姿測量系統(tǒng)，給出了盾構機位姿信息的計算方法。結合該系統(tǒng)的特點，分析了系統(tǒng)的局限性，根據(jù)這些局限性提出了技術需求。
　　2.提出了站點規(guī)劃的概念以及方法。結合站點規(guī)劃的要求，引入集合覆蓋的數(shù)學模型來描述該過程。首先抽象出全站儀對激光標靶測量中的三種約束：量程約束、入射角約束和可視性約束。其中，利用GPU技術對可視性約束中的可視錐計

4、算進行加速。然后，依據(jù)三種約束模型建立起一個0-1可測性矩陣來描述全站儀與激光標靶之間的可測性關系，進而將站點規(guī)劃問題轉化為集合覆蓋問題，并通過貪婪算法得到近似最優(yōu)解。經(jīng)實例驗證，規(guī)劃結果符合工程中的經(jīng)驗準則。
　　3.開展了隧道建設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構，進而說明了其相對于傳統(tǒng)管片拼裝的優(yōu)勢所在。接著，研究了相鄰通用管片環(huán)之間拼裝的幾何位置關系，利用坐標變換理論，給出了相鄰環(huán)之間相對