盾构隧道通用管片动态三维虚拟拼装系统技术方案

一种盾构隧道通用管片动态三维虚拟拼装系统，用于隧道技术领域。其中：几何建模模块通过参数化设计建立管片与隧道轴心线的几何模型，模型存入拼装数据库；通用管片选取模块从拼装数据库中获取几何模型数据，经处理获得隧道轴心线各段的管片点位序列，此点位数据存入拼装数据库；通用管片三维虚拟拼装及偏差检测模块为核心模块，此模块通过与拼装数据库的接口提取虚拟拼装所需的数据，在终端显示拼装过程，同时以文本与图形方式显示虚拟拼装的管片中心点与隧道理论轴心线的偏差；通用管片拼装数据处理模块执行数据维护任务，实现系统对拼装数据库的通讯。本发明专利技术实现了盾构隧道施工中通用管片的动态功能，以便施工人员及时调整盾构机姿态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种隧道工程
的盾构设备，具体是一种盾构隧道通用管片动态三维虚拟拼装系统。
技术介绍
由于盾构隧道施工技术可以最大限度地减少对城市其他设施的影响，因此已经成为世界各国城市隧道施工的主要形式。在我国上海、北京、广州、南京、深圳等地也都在地铁施工中使用盾构技术。管片拼装技术是盾构施工技术的重要组成部分。与普通管片不同，由通用管片组成的衬砌环只有一种楔形结构形式，通过楔形圆环的有序旋转和有序组合，使得在同一条隧道内仅采用一种通用管片就适用于直线、左转曲线、右转曲线、空间曲线等工矿情况。通用管片的引入极大的降低了管片的生产成本(仅使用一套刚模就可以满足生产要求)，方便管片的管理与拼装。但是通用管片的使用也为管片对隧道理论轴线拟合、管片排版、通缝检查及预测等方面带来了难题。经对现有技术的检索发现，国内外对管片的拼装机械设备，以及其控制算法研究较多，很少涉及虚拟拼装。然而，国外开发了一些盾构导向系统，将其作为盾构机掘控制系统的一部分。这些系统包含简单的管片选取、盾构机纠偏等功能，例如德国海瑞克(VMT)公司的SLS-T，tacs的acs等，其主要目的是为盾构司机提供盾构机轴线相对于隧道设计轴线的方位信息，以便盾构机沿着理论轴线行进。这些系统软件都是面向施工过程的，与盾构机的操作系统集成在一起，难以独立运行，且不提供可视化的三维拼装显示功能，对施工过程管理者，以及监控、评估者使用很不方便。在进一步的检索中，尚未发现与本专利技术主题相同或者类似的文献报道。
技术实现思路
本专利技术针对盾构隧道中通用管片选择的难点，提供一种盾构隧道通用管片动态三维虚拟拼装系统。使其实现了盾构隧道施工中通用管片的选取、拼装所需数据的管理、通用管片的三维虚拟拼装、拼装偏差的记录、拼装偏差的图形显示等功能。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括四个模块几何建模模块、通用管片选取模块、通用管片拼装数据处理模块、通用管片三维虚拟拼装及偏差检测模块。本专利技术系统采用模块化结构，各模块通过ADO标准接口单独与拼装数据库通信，各模块间存在层次化联系。几何建模模块通过参数化设计建立管片与隧道轴心线的几何模型，模型存入拼装数据库；通用管片选取模块从拼装数据库中获取几何模型数据，经处理获得隧道轴心线各段的管片点位序列，此点位数据存入拼装数据库；通用管片三维虚拟拼装及偏差检测模块为核心模块，此模块通过与拼装数据库的接口提取虚拟拼装所需的数据，在终端显示拼装过程，同时以文本与图形方式显示虚拟拼装的管片中心点与隧道理论轴心线的偏差；通用管片拼装数据处理模块执行数据维护任务，实现系统对拼装数据库的通讯。在具体实施时，各模块的执行存在一定的依赖关系几何建模模块为通用管片选取模块提供模型参数；几何建模模块与通用管片选取模块共同为管片三维虚拟拼装及偏差检测模块提供虚拟拼装所需的模型参数与点位参数；通用管片拼装数据处理模块在最顶层，管理、维护各模块所产生的数据。所述几何建模模块，根据工程中实际管片几何尺寸以及实地测量得到的理论隧道轴心线的特征点，对管片几何形状进行简化并提取关键参数，通过Unigraphics图形系统建立简化的参数化几何模型。所得的几何模型通过ADO接口存入拼装数据库系统，以备通用管片选取模块与管片三维虚拟拼装及偏差检测模块调用。所述几何建模模块建立虚拟拼装所需建模参数包括a.建立组成衬砌环的各个管片首先，由衬砌环外径、内径、衬砌环宽度、楔形角度参数建立整环的实体模型，然后再根据标准环数目及角度、封顶块角度、螺栓孔组数参数建立平面，并用此平面将此整环分割为各个管片。b.建立隧道设计轴线模型首先根据地质勘测结果建立隧道轴线上特征点数据文件，此文件满足Unigraphics系统的数据文件定义形式，然后将此数据文件作为输入参数，利用Unigraphics OPEN/API接口在图形空间中建立隧道设计轴线，线形采用光滑三次样条曲线。c.衬砌环模型空间该模型是为了真实模拟管片的拼装过程而引入的中间体，利用Unigraphics OPEN/API接口建立各组成元素，包括衬砌环两端面中心点，与两端面重合的两个辅助平面，坐标圆点位于衬砌环几何中心上的局部笛卡儿坐标系，其中x轴沿环的轴线方向，z轴指向封顶块中央，y轴与x、z轴满足右手法则。在不影响拼装结果的前提下，为了减小模型信息量，以便获得更快的计算机显示效果，该组几何模型在实际管片的基础上进行了简化处理，将部分几何细节隐去，保留管片基本几何尺寸。简化的几何元素有端面凸台；预埋件；真空吸盘工作孔；倒角；倒圆。所述通用管片选取模块，用于产生管片点位序列，并将点位值存入拼装数据库，以备核心模块调用。在满足错缝拼装、满足点位在上的条件下，基于通用管片的几何特征和满足水平与垂直两个方向上拟合的容差要求，使用以四个衬砌环为基本拼装单位的方法拟合隧道的三维轴心线。这种同时考虑平面线形与纵曲线的拟合的方法，显著提高了拟合精度。所述通用管片三维虚拟拼装及偏差检测模块，应用Unigraphics图形系统，使用虚拟装配技术，模拟通用管片实际的拼装过程，使用多层嵌套的树形装配结构，并引入衬砌环模型空间作为桥梁，先拼装模型空间，再完成管片在模型空间中的拼装，依次循环。同时该模块还以文本与图像的形式同时提供实际拼装形成的隧道轴线与理论设计轴线的偏差。并将三维拼装结果与偏差结果存入拼装数据库。所述通用管片拼装数据处理模块为拼装数据库应用模块，用来管理各模块产生的数据，包括数据的添加、插入、删除、查询等操作。此模块实现对拼装数据库管理与维护的功能，其存储的数据有衬砌环点位值、管片与轴线的几何模型、虚拟拼装结果文件、偏差结果文件。此模块利用ADO技术实现系统对拼装数据库的通讯。与现有技术相比本专利技术具有如下优点适用范围广，可以应用在施工过程的多个阶段。在施工前，应用通用管片选取模块可以根据隧道设计轴线的转弯半径选取不同转弯段下基本管片组合的点位序列，以便在正常施工段指导管片拼装；在施工过程中，通过核心模块进行三维虚拟拼装，预览拼装效果，例如通缝情况等，以便及时调整拼装方案。通过偏差显示功能可以查看管片偏离设计轴线的程度，以便施工人员及时调整盾构机姿态，防止更大的偏差。另外，还可以应用核心模块来对隧道拼装质量进行评估。附图说明图1为本专利技术系统结构2为本专利技术几何建模模块工作流程3为本专利技术整体工作过程图具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例涉及多个模块，包括几何建模模块、通用管片选取模块、通用管片拼装数据处理模块、通用管片三维虚拟拼装及偏差检测模块。几何建模模块通过参数化设计建立管片与隧道轴心线的几何模型，模型存入拼装数据库；通用管片选取模块从拼装数据库中获取几何模型数据，经处理获得隧道轴心线各段的管片点位序列，此点位数据存入拼装数据库；通用管片三维虚拟拼装及偏差检测模块为核心模块，此模块通过与拼装数据库的接口提取虚拟拼装所需的数据，在终端显示拼装过程，同时以文本与图形方式显示虚拟拼装的管片中心点与隧道理论轴心线的偏差；通用管片拼装数据处理模块执行数据维护任务，实现系统对拼装数据库的通讯。上述的几本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种盾构隧道通用管片动态三维虚拟拼装系统，其特征在于，包括：几何建模模块、通用管片选取模块、通用管片拼装数据处理模块、通用管片三维虚拟拼装及偏差检测模块；上述模块通过ＡＤＯ标准接口单独与拼装数据库通信，各模块间存在层次化联系：几何建模模块通过参数化设计建立管片与隧道轴心线的几何模型，模型存入拼装数据库；通用管片选取模块从拼装数据库中获取几何模型数据，经处理获得隧道轴心线各段的管片点位序列，此点位数据存入拼装数据库；通用管片三维虚拟拼装及偏差检测模块为核心模块，此模块通过与拼装数据库的接口提取虚拟拼装所需的数据，在终端显示拼装过程，同时以文本与图形方式显示虚拟拼装的管片中心点与隧道理论轴心线的偏差；通用管片拼装数据处理模块执行数据维护任务，实现系统对拼装数据库的通讯。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵志杰，金先龙，曹源，沈建奇，李政，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]