盾構掘進姿態實時測量系統的製作方法

2023-05-16 01:12:21

專利名稱：盾構掘進姿態實時測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種盾構掘進的控制裝置，特別涉及一種盾構掘進姿態的 實時測量系統。
背景技術：
盾構掘進技術是地下暗挖隧道的一種工程技術，而確定盾構機在掘進 施工中的實時姿態是該工程技術的關鍵之一，盾構掘進姿態實時測量系統 就是在盾構掘進施工中用以檢測盾構機實時姿態的控制裝置。盾構掘進姿 態實時測量系統利用先進的測量、傳感和計算機等技術，實時檢測盾構機 的位置、姿態和趨勢信息，並隨時將之與設計隧道軸線(Designed Tunnel Alignment,以下簡稱DTA)進行比較，以直觀的圖文方式向盾構機操控人 員提供實時信息，以便操控人員及時對盾構機採取糾偏等控制措施。隨著 盾構法施工在地鐵、公路、電廠、電訊、上下水道等城市基礎建設中的廣 泛應用，盾構掘進姿態實時測量系統也得到了飛速發展和日臻完善。盾構掘進姿態實時測量系統，又稱為盾構姿態自動引導系統，主要分 為陀螺法、雷射法和稜鏡法三種，陀螺慣性系統法因其操作複雜、精度低 而逐步被淘汰，目前工程中主要採用的方法是利用雷射媒介的雷射法和直 接觀測稜鏡的稜鏡法兩種，該兩種方法都是基於通過觀測目標來進行導向 的工作原理。應用雷射法的測量系統以國外的產品為主，如英國ZED'公司 和德國VMT公司的產品，其系統的價格高達一、二百萬，而且要在施工完 成後繼續使用還必須支付服務費，使用成本之高昂使人不堪重負。因此國 內施工一般都採用稜鏡法的測量系統。稜鏡法是基於帶自動目標識別的全站儀技術的完善而發展起來的，其 基本原理和系統結構參見圖1。在盾構機13'安裝之後，將全站儀1'、若干目標稜鏡2'、 3'、 4'和後視稜鏡5'安置在盾構機13'內外，構成三維局部坐 標系，然後通過對目標稜鏡2'、 3'、 4'信號的測量，測定盾構機13，的切口 中心14，及盾尾中心ll，在該三維局部坐標系中的坐標，隨後在掘進施工中 把全站儀l'和目標稜鏡2'、 3'、 4'自動採集的實時測量數據通過數據傳輸 裝置7'傳送到控制室12'內的工控機8'進行處理，從而得出盾構機13，上當 時切口中心14，及盾尾中心ll，所處的三維坐標、盾構機13，的坡度和滾角 等，再與儲存有DTA的資料庫進行比較，就能得到相應的盾構姿態偏差數 據並實時地顯示出來，同時通過數據交換盒9'、可編程邏輯控制器(PLC) 10'輸出控制信號至控制裝置6'以對盾構機13'實施實時控制。目前全站儀1， 對目標稜鏡2'、 3'、 4'信號的搜索方式有兩種 一種是主動式、 一種是被動 式；主動式是通過全站儀l'自身的搜索，對目標稜鏡2，、 3，、 4，的反射信 號進行識別，而被動式是通過目標稜鏡2'、 3，、 4'自身發射信號，供全站儀r搜索識別。上海巿第二市政工程有限公司申請的中國專利《盾構三維姿態精密監 測系統》(公開號CN 1584290A)就披露了一種如上所述的主動式稜鏡法 盾構掘進姿態實時測量系統，其中目標稜鏡的數量採用三個，具體布置的 方式可以參閱圖2和圖3，該三個目標稜鏡2，、 3，、 4'橫向地布設於盾構機 13'內的前部，檢測過程中全站儀l'依次對它們進行觀測。稜鏡法測量系統 的測量精度與目標稜鏡2'、 3，、 4'所布設的位置有關，三個目標稜鏡2'、 3，、 4'所布設位置之間的橫向間距越大，則系統的測量精度越高，當它們之間 的距離在lm之內時就可能造成稜鏡信號難以識別，從而導致系統無法正 常工作。然而，如果目標稜鏡2'、 3'、 4'之間的距離過大、它們位置的布設 面過寬，就會使全站儀l'的觀測視角過大，這就給隧道施工帶來了極大的 困難。這是因為盾構法掘進施工的現場條件是很苛刻的，施工隧道中的通 視區域是一個狹長的筒狀區域，特別是在小直徑、小曲率半徑的隧道施工中， 一個過寬的面狀通視區域幾乎是不可能存在的。如果目標稜鏡2'、 3'、 4'所布設的範圍過寬，那麼全站儀r同時能連續觀測所有目標稜鏡的直接 距離長度就會縮短，尤其當較小直徑的隧道在小半徑的轉彎施工時，就會造成頻繁的換站以向前移動全站儀r，有時甚至只推進io多環就不得不換 站，其工作量是相當繁重的。而如果將目標稜鏡所布設的範圍放窄，則勢 必造成系統的測量精度降低，由於目標稜鏡還存在著最小識別角度，因此 甚至還會由此導致目標稜鏡無法識別的後果。由此可見，採用三個目標稜 鏡的盾構掘進姿態實時測量系統在提高系統測量精度與展延可連續觀測距 離之間存在著矛盾，二者往往不能兼顧。此外，全站儀r對目標稜鏡2'、 3'、 4'的觀測是依次進行的，每次觀測之間有時間間隔，然而此時盾構機是在 不斷掘進的，因此每次觀測之間的時間間隔越長，所需觀測的目標稜鏡越 多，系統的測量精度也就越低。這也就是為什麼在國際上三稜鏡方法大多 只用於系統的安裝檢測，而不用於自動測量引導的原因。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有盾構掘進姿態實時測量系統存 在的提高測量精度與展延可連續觀測距離之間的矛盾，提供一種盾構掘進 姿態實時測量系統，其能夠適應通視條件較差的工作環境，具有測量精度 高、安裝簡易便捷的優點。本發明解決其技術問題所採取的技術方案如下一種盾構掘進姿態實時測量系統，包括有設置於盾構機後方的具有自 動目標識別功能的全站儀和固定於盾構機內的多個目標稜鏡，該多個目標 稜鏡沿盾構機的縱向逐個設置。本發明所述盾構掘進姿態實時測量系統的目標稜鏡的數量為2個或'2 個以上；所述系統還包括有雙軸角度傳感器，該雙軸角度傳感器裝置於固 定於盾構機內的安裝基座上，它和與其連接的其它附件一起被封閉於設置 於安裝基座上的金屬罩殼中；該安裝基座包括有底板、三爪基座和旋轉底盤；所述底板固定於盾構機內；所述三爪基座設置於該底板的上面，其具 有水平調節件和鎖固件，該水平調節件為三個均布於該三爪基座底面上的 垂直螺旋件，該鎖固件為一緊定螺釘；所述旋轉底盤設置於三爪基座的上 面，其具有用以安裝雙軸角度傳感器的固定板和鎖定件，該固定板能夠繞 垂直於其板面的軸線進行旋轉，其板面上沿其縱向刻有與固定的雙軸角度 傳感器軸線方向相一致的中線，該旋轉底盤的鎖定件為一緊固螺釘。與現有的稜鏡法盾構掘進姿態實時測量系統相比，本發明的目標稜鏡 是沿盾構機的縱向布設的，因此無論目標稜鏡之間的距離有多長，始終滿 足通視區域是一個狹長區域的要求，所以在提高系統測量精度的同時不會 降低同一測站的可連續觀測的距離；同時由於目標稜鏡是縱向布設的，因 此雖然全站儀的測角誤差對測量結果的精度仍有影響，但是測邊誤差的影 響幾乎為零，從而提高了系統的測量精度。此外，本發明的安裝基座具有 靈活的三維立體位置調節機構，其固定板板面上刻有中線，因而能夠方便 雙軸角度傳感器的安裝並提高安裝精度，該安裝基座上的金屬罩殼同時對 雙軸角度傳感器起到防護作用。綜上所述，本發明所述的盾構掘進姿態實時測量系統消除了提高測量 精度與展延可連續觀測距離之間的矛盾，尤其能夠適應通視條件較差的工 作環境，與此同時，本發明還採用了雙軸角度傳感器專用的安裝基座，使 雙軸角度傳感器的安裝和系統的初始化調試都非常簡易快捷。總之，本發 明具有測量精度高、安裝簡易便捷的優點，能夠適應各類條件的隧道盾構 掘進施工，尤其是小直徑、小曲率半徑的隧道施工。


圖1為現有稜鏡法系統的基本結構硬體布置圖。圖2為現有三稜鏡法系統的目標稜鏡布置的後視圖。圖3為現有三稜鏡法系統的目標稜鏡布置的側視圖。圖4為本發明的基本結構硬體布置圖。圖5為本發明的雙軸角度傳感器及安裝基座的結構示意圖。圖6為圖5的俯視圖。
具體實施例方式現結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。 請參閱圖4本發明的基本結構硬體布置圖，圖示盾構掘進姿態實時測 量系統包括有具有自動目標識別功能的全站儀8、兩個目標稜鏡4和5、 一 個後視稜鏡IO、雙軸角度傳感器6、工控機9和可編程邏輯控制器(PLC) 7。所述全站儀8設置於盾構機1的後方，所述後視稜鏡10設置於該盾構 機1的後方，其反射信號給全站儀8以提供準確的固定參考目標的方位， 所述兩個目標稜鏡4、 5設置於盾構機1內的前部，其所反射的信號與後視 稜鏡10反射的信號一起被全站儀8所接收以建立三維局部坐標系，從而確 定切口中心3及盾尾中心2在該三維局部坐標系中的坐標，以便在此後的 掘進過程中測定盾構機1的實時姿態。所述雙軸角度傳感器6裝置於安裝 基座上(參見圖5)，其用以實時測定盾構機1的坡度和滾角，該安裝基座 固定於盾構機1的內部。所述可編程邏輯控制器7設置於盾構機1的內部， 其能夠在解算盾構機1實時姿態數據的過程中提供盾構機1是否推進的工 作狀態參數。所述工控機9是整個盾構掘進姿態實時測量系統的數據處理 中心，其與全站儀8、雙軸角度傳感器6和可編程邏輯控制器7相連接並且 接收來自它們的檢測信號，通過預先儲存其中的DTA數據與盾構機1實時 姿態參數的比較，該工控機9就能得到包括切口中心3及盾尾中心2的平 面和高程偏差在內的盾構姿態偏差數據並實時地顯示出來，然後輸出控制 信號對盾構機l實施實時控制。本發明所述盾構掘進姿態實時測量系統的兩個目標稜鏡4和5是沿盾 構機1的縱向逐個設置的，兩者之間的間距儘可能地大以提高測量精度， 其中靠前的一個目標稜鏡4儘量接近切口中心3的位置。因為目標稜鏡4 和5是縱向布設的，所以無論兩個稜鏡之間的距離有多遠，對於全站儀8來說它們始終處於一個狹長的通視區域內，因此在提高系統測量精度的同 時延展了同一測站的可連續觀測的距離，從而避免了現有三稜鏡法目標稜 鏡橫向布置導致的提高測量精度與展延可連續觀測距離之間的矛盾，不必 頻繁地換站，這尤其有利於小直徑、小曲率半徑的隧道施工。此外由於目標稜鏡4和5是縱向布設的，所以全站儀1的測邊誤差對測量精度的影響 幾乎為零，從而提高了系統的測量精度。除了上述採用兩個目標稜鏡的實 施例之外，本發明還可以布設2個以上的目標稜鏡以作備用，使用中只要 保證有兩個目標稜鏡被同時觀測到，就可使盾構掘進姿態的實時測量工作 正常進行。再請參閱圖5和圖6，圖示本發明的雙軸角度傳感器6裝置於安裝基座 上，該安裝基座包括有底板61、三爪基座62和旋轉底盤65。所述底板61 通過緊固件穩固地安裝在盾構機1內。所述三爪基座62設置於該底板61 的上面，其具有水平調節件63和鎖固件64，該水平調節件63為三個均布 於該三爪基座62'底面上的垂直螺旋件，該鎖固件64為一緊定螺釘；通過 水平調節件63可以將雙軸角度傳感器6的初始感應角度精確地調節到與盾 構機1相一致的狀態，然後用鎖固件64鎖定。所述旋轉底盤65設置於三 爪基座62的上面，其具有固定板66和鎖定件67，該固定板66能夠繞垂直 於其板面的軸線進行360。旋轉，該板面上沿其縱向刻有與固定的雙軸角度 傳感器6軸線方向相一致的中線68 (見圖6)，該中線68的長度為雙軸角 度傳感器6長度的兩倍；該旋轉底盤65的鎖定件67為一緊固螺釘。'所述 雙軸角度傳感器6裝置於固定板66上，通過水平調節件63和旋轉底盤65 的精密微調可以將雙軸角度傳感器6的中軸線調節得與盾構機1的中軸線 平行，中線68在雙軸角度傳感器6的安裝中起到了標示其中軸線的放樣作 用，大大方便了安裝雙軸角度傳感器6的操作；調準雙軸角度傳感器6軸 線的方向後，可以通過鎖固件64和鎖定件67將雙軸角度傳感器6的位置鎖定。該雙軸角度傳感器6和與其連接的其它附件，如數據轉換模塊、電 源等， 一起被封閉於設置於安裝基座上的金屬罩殼69中，該金屬罩殼69 對雙軸角度傳感器6和其它附件起到了防護作用，如防水、防塵、防碰撞等。 '綜上所述，本發明所述的盾構掘進姿態實時測量系統消除了提高測量 精度與展延可連續觀測距離之間的矛盾，尤其能夠適應通視條件較差的工 作環境，同時還採用了專用的安裝基座，使雙軸角度傳感器的安裝和系統 的初始化調試都非常簡易快捷，因此具有測量精度高、安裝簡易便捷的優 點，能夠適應各類條件的隧道盾構掘進施工，尤其是小直徑、小曲率半徑 的隧道施工。
權利要求
1、一種盾構掘進姿態實時測量系統，包括有設置於盾構機後方的具有自動目標識別功能的全站儀和固定於盾構機內的多個目標稜鏡，其特徵在於所述多個目標稜鏡沿盾構機的縱向逐個設置。
2、 根據權利要求1所述的盾構掘進姿態實時測量系統，其特徵在於所 述目標稜鏡的數量為2個。
3、 根據權利要求1或2所述的盾構掘進姿態實時測量系統，其特徵在於: 所述系統還包括有雙軸角度傳感器，該雙軸角度傳感器裝置於固定於盾構機內 的安裝基座上。
4、 根據權利要求3所述的盾構掘進姿態實時測量系統，其特徵在於所 述安裝基座包括有底板、三爪基座和旋轉底盤，所述底板固定於盾構機內，所 述三爪基座設置於該底板的上面，其具有水平調節件和鎖固件，所述旋轉底盤 設置於三爪基座的上面，其具有用以安裝雙軸角度傳感器的固定板和鎖定件， 該固定板能夠繞垂直於其板面的軸線進行旋轉。
5、 根據權利要求4所述的盾構掘進姿態實時測量系統，其特徵在於所 述固定板的板面上沿其縱向刻有與固定的雙軸角度傳感器軸線方向相一致的 中線。
6、 根據權利要求4所述的盾構掘進姿態實時測量系統，其特徵在於所 述三爪基座的水平調節件為三個均布於該三爪基座底面上的垂直螺旋件，所述鎖固件為一緊定螺釘。
7、 根據權利要求4所述的盾構掘進姿態實時測量系統，其特徵在於所述旋轉底盤的鎖定件為一緊固螺釘。 '
8、 根據權利要求3所述的盾構掘進姿態實時測量系統，其特徵在於所 述雙軸角度傳感器和與其連接的其它附件一起被封閉於設置於安裝基座上的 金屬罩殼中。
9、 根據權利要求1所述的盾構掘進姿態實時測量系統，其特徵在於所 述目標稜鏡的數量為2個以上。
全文摘要
本發明公開了一種盾構掘進姿態實時測量系統，其包括有設置於盾構機後方的具有自動目標識別功能的全站儀和固定於盾構機內的多個目標稜鏡，該多個目標稜鏡沿盾構機的縱向逐個設置；所述系統還包括有雙軸角度傳感器，該雙軸角度傳感器裝置於固定於盾構機內的專用安裝基座上。本發明消除了提高測量精度與展延可連續觀測距離之間的矛盾，尤其能夠適應通視條件較差的工作環境，同時具有測量精度高、安裝簡易便捷的優點，其能夠適應各類條件的隧道盾構掘進施工，尤其是小直徑、小曲率半徑的隧道施工。
文檔編號G01B11/00GK101251367SQ20081003550
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月2日 優先權日2008年4月2日
發明者唐震華, 連 孫, 楊宏燕, 浩 王 申請人:上海隧道工程股份有限公司