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。