CN102679974A - 高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法及系统，将一全站仪固定于一与盾构机同步运动的车架上；对所述全站仪进行瞬时定位；通过所述全站仪进行盾构掘进姿态测量。包括一全站仪、后视基准点和固定于所述盾构机内的复数个目标基准点，所述全站仪紧固于所述盾构机的车架上，且所述全站仪和一油缸行程传感器以及一双轴倾斜传感器通信连接。由于采用了本发明的高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法及系统，实现了一种能够不进行换站而连续地工作的盾构掘进姿态实时测量方法及系统，具有免换站、节约工作量、使用方便、系统适应性好、精度高的优点。

Description

高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种测量系统及方法，尤指一种高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法及系统。

背景技术

盾构掘进姿态实时测量系统是盾构法隧道工程施工的关键部件。盾构掘进姿态实时测量系统利用先进的测量、电子传感器和计算机技术，计算盾构机的位置、姿态和趋势信息，并与设计隧道轴线（Designed TunnelAlignment,以下简称DTA）进行比较，以直观的方式图文并茂地给盾构机操控人员实时地提供信息。

目前采用的方法主要有激光方法和直接观测棱镜的棱镜法两种。激光法和棱镜法是按照观测目标的不同进行导向系统的分类。

激光法盾构自动导向系统采用基于带隧道激光的全站仪1和激光感应器2（ELS标靶）的隧道施工连续测量方案，在盾构机安装时，可以测定盾构机切口中心与盾尾中心在相对于ELS标靶中心建立的三维局部坐标系中的坐标，这些参数在盾构机推进施工中是固定的。然后在施工中通过固定于成型衬砌管片的工作测站上的全站仪1自动采集的测量数据及ELS标靶采集的数据传送到PC，再由PC中软件系统对数据进行处理，结合初始参数进行逆算，从而得出盾构机切口及盾尾的三维坐标，再结合DTA数据库就能生成相应的盾构偏差报表，实时地显示盾构切口及盾尾的平面和高程偏差。具体的硬件布置图如图1所述。

棱镜法是基于带自动目标识别的测量机器人的技术的完善，而发展起来的。目前的搜索方式有两种一种是主动式、一种式被动式。主动式是通过全站仪自身的搜索功能，通过棱镜对信号的反射来识别，而被动式是通过棱镜自身发射信号，供全站仪搜索识别。无论主动与被动均是通过固定于成型衬砌管片的工作测站上的全站仪自动采集的。

然而目前所有的导向系统在使用过程中均需进行换站工作从而对系统重新定向，来克服因隧道掘进而引起的目标不通视和观测距离超限等情况，使系统能够完成在整个隧道掘进施工中实现导向功能，这已经成为了隧道施工中的一个常识。所有的导向系统由于均需要换站因而都存在以下问题：

1）对应一个工程必须进行多次换站，工作量大，耗时长。

由于所有测量系统都采用测站固定于成型衬砌管片的工作模式，所以都有单站最长观测距离，一般为100m-150m，达到该距离则必须进行换站工作，将测量系统的工作测站向靠近盾构机中观测目标的方向前移，并重新给测量系统进行定向，使其继续工作。而在实际施工中，特别是在小直径和小曲率的隧道施工中，由于通视空间受限且线型的不断变化，很容易发生安装于盾构机内的观测目标不可见的情况，这时唯一的解决办法就是进行换站工作，而这时的单站观测距离要远远小于系统允许的最大观测距离，一般平均换站距离为60m左右，在一些线型特别困难的工程中，甚至每15m左右就要进行一次换站工作。每次换站工作需要3-4名测量工作人员在1-2个小时内完成。

2）换站时需停止工作，无法实现全过程的实时动态观察，影响工程质量。

在换站期间，盾构机由于没有导向一般不进行施工，这样不但影响进度，而且，在困难地段还会增加施工的风险，例如：盾构机在穿越重要的建构筑物时，换站造成的不连续施工可能造成地面沉降控制困难，如果，换站时推进有可能造成盾构姿态超限影响工程质量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，而提供一种高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法及系统，实现了一种能够不进行换站而连续地工作的盾构掘进姿态实时测量系统及方法，具有免换站、节约工作量、使用方便、可连续施工、系统适应性好、精度高的优点。

实现上述目的的技术方案是：

本发明的一种高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法，将一全站仪固定于一与盾构机同步运动的车架上；

对所述全站仪进行瞬时定位；

通过所述全站仪进行盾构掘进姿态测量。

通过盾构油缸行程数据、上一次盾构掘进姿态数据以及上一次全站仪坐标数据模拟获得一虚拟轨迹，并利用所述虚拟轨迹进行所述全站仪的瞬时定位。

设置两个固定后视基准点，建立带移动轨迹推算的后方交会的计算模型，推算出全站仪的坐标数据。

通过一自动安平装置保持所述全站仪处于平整状态。

利用所述虚拟轨迹辅助所述全站仪搜索。

上述全站仪进行瞬时定位和所述盾构掘进姿态测量步骤之间还包括一检测步骤，所述检测步骤进一步包括：

判断全站仪瞬时定位是否成功；

如判断为异常，判断当前锁定的后视基准点是否可见；如不可见，更换当前锁定后视基准点并返回全站仪瞬时定位步骤；如可见，诊断排除问题后返回全站仪瞬时定位步骤；

若判断为正常，继续后一步骤。

本发明的一种高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量系统，包括一全站仪、后视基准点和固定于所述盾构机内的复数个目标基准点，所述全站仪紧固于所述盾构机的车架上，且所述全站仪和一油缸行程传感器以及一双轴倾斜传感器通信连接。

上述全站仪通过一自动安平装置固定于所述车架上。

上述全站仪采用高速马达全站仪。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果是：

将全站仪固定于与盾构机同步运动的车架上，实现了一种不进行换站而连续地为盾构提供导向的测量系统和方法，虚拟轨迹的采用实现了全站仪的瞬时定位，并辅助了全站仪对目标的搜索，配合高速马达全站仪，实现超高速的目标锁定，省略了很多搜索步骤，节省了搜索时间，从而提高了系统精度。而自动安平装置的采用保证了全站仪实时处于可工作的平整状态，具有免换站、节约工作量、使用方便、可连续施工、系统适应性好、精度高的优点。

附图说明

图1为现有激光法盾构自动导向系统的结构示意图；

图2为本发明高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量系统的结构示意图；

图3为本发明高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法的流程图；

图4为本发明高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法的带移动轨迹推算的后方交会计算原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

请参阅图2，本发明的一种高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量系统，包括一全站仪1、后视基准点4和固定于盾构机9内的复数个目标基准点3，全站仪1紧固于盾构机9的车架10上，且全站仪1和一油缸行程传感器7以及一双轴倾斜传感器5通信连接。油缸传感器7为系统提供了行程数据，而双轴倾斜传感器5提供了盾构机9的行进方向数据。全站仪1采用高速马达全站仪，并通过一自动安平装置6固定于车架10上。

自动安平装置6可采用指示方式为电子气泡管水平传感的自动整平台，可自动修正±4°的倾斜，可以设定和各种测量仪器的自动水平维持，在不平整环境状况下可以自动确保精密水平。

自动安平装置6、全站仪1均安装于盾构车架10上，随着盾构机9的掘进而前进，自动安平装置6可以确保全站仪1在运动状态的平整并满足其工作状态的要求，两个一组的后视基准点4及油缸行程传感器7为全站仪1的瞬时定位提供了硬件基础，其余装置的作用和现有的自动导向系统的功能类似。

请参阅图1、3，本发明通过以下方法实现一种高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法：

首先将一全站仪1固定于一与盾构机9同步运动的车架10上对全站仪1进行瞬时定位；

然后判断全站仪瞬时定位是否成功；

如判断为异常，判断当前锁定的后视基准点是否可见；如不可见，更换当前锁定后视基准点并返回全站仪瞬时定位步骤；如可见，诊断排除问题后返回全站仪瞬时定位步骤；

若判断为正常，接着通过全站仪1进行盾构掘进姿态测量。

通过盾构油缸行程数据、上一次盾构掘进姿态数据以及上一次全站仪坐标数据模拟获得一虚拟轨迹，并利用虚拟轨迹进行全站仪1的瞬时定位。

设置两个固定后视基准点4，建立带移动轨迹推算的后方交会的计算模型，推算出全站仪1的坐标数据。

通过一自动安平装置6保持全站仪1处于平整状态。

利用虚拟轨迹辅助全站仪1搜索。由于系统工作的状态中全站仪1一直随着盾构机9的掘进而前进，且移动距离与推进千斤顶的行程是一致的，这样可以把盾构机9和位于车架10上的全站仪1看成一个整体，把盾构机9中轴线向量的前进方向认为是全站仪1的前进方向，这样就像汽车移动中的导航一样，全站仪1的概略坐标和概略方位始终是可以获取的。有了全站仪1的概略坐标和方位，而固定后视点4的坐标已知，盾构机9中的目标采用上次观测的成果近似替代，根据这些数据可以反算出全站仪1需要自动搜索和锁定的目标的转动水平角和垂直角，这样结合有高速马达及ATR（自动目标识别）功能的全站仪1，就能够实现超高速的目标锁定，省略了很多搜索步骤，节省了搜索时间，从而提高了系统精度。

为了测量系统能够不进行换站而连续地工作，本发明在把原有的固定式工作全站仪改为安装于车架10上的跟随式工作全站仪，并在全站仪1上设置自动安平装置6，从而使安置于全站仪1上的全站仪1能够实时处于可工作的平整状态，然而由于全站仪1是随动式的，全站仪1的空间坐标也是实时变化的，由于盾构机9推进速度是不可控的，因而须采用带高速马达的全站仪1，并优化搜索定位的方式，实现瞬时定位，这样必须通过采集油缸行程传感器7的行程数据，及上一次的盾构姿态和全站仪坐标数据来推算全站仪1的虚拟移动轨迹，从而实现瞬间定位，同时虚拟移动轨迹的数据又可以参与到全站仪1空间坐标的优化计算中，从而实现无论什么工作状态下，都可以获取实时准确的全站仪1坐标和方位。有了这个基础，再根据成熟的盾构姿态自动测量技术，就可以实现不进行换站而连续地为盾构提供导向。

请参阅图4，带移动轨迹推算的后方交会计算原理如下：

图中C″为全站仪1完成上次盾构姿态测量所在的位置，C′点为全站仪1观测A点所在位置，C点为全站仪1观测B点所在位置，而A、B两点为系统中安装于稳固的衬砌管片上的后视基准点4。由于A，B点的平面坐标是已知的，全站仪1又分别观测了边长S2、S3、α角，S4可通过油缸行程传感器7获取，因而S1、S2、S3、S4、α角均为已知数据，只需求解出β角或S5，则三角形ABC就可解算出来，C点的坐标也就很容易求解了。

由于，盾构在两个后视基准点4照准之间移动的距离很小，即S4很小，S5近似于S2，则可先用S2代替S5来判断β角是锐角还是钝角，这里假设判断为锐角，并设距离C′D为X，则可以列出以下方程：

$\frac{\mathrm{Sin\β}}{S_2+X}=\frac{\sin \mathrm{\α}}{S_1}$ ①；

设sinβ＝Y，则方程①可以展开为：S₁.Y＝S₂.sina-X.sina    ②；

在三角形ABC中：

S₅ ²＝S₁ ²+S₂ ²-2.S₁.S₂.cosβ

＝S₁ ²+S₂ ²-2.S₁.S₂+2.S₁.S₂.Y²    ③；

在三角形CC′D中：

$\sin \mathrm{\γ}=\frac{X.\sin \mathrm{\α}}{S_4}$     ④；

在三角形CC′A中： $\cos [\mathrm{\π}-(\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})]=\frac{{S_2}^2+{S_4}^2-{S_5}^2}{2.S_2.S_2};$

等式两边展开把③、④式代入，则得到：

$2.S_1.S_2.Y^2+\frac{2.S_2.{\mathrm{ain}}^2\mathrm{\α}.\mathrm{coa\α}}{S_4}.X+2.S_2.{\sin }^2\mathrm{\α}.X=2.S_2.S_4.\cos \mathrm{\α}-{S_1}^2-{S_2}^2+$ ${S_2}^2+{S_4}^2+2.S_1.S_2$                    ⑤

联合②式和⑤式，就可以解算出X、Y，也就可以求解出β和S₅，这样就可求解出移动全站仪1位于C点处的平面坐标，从而实现全站仪1的定位。

另外，本系统采用采用3″级的带高速马达的自动全站仪1，测距精度可以达到1+1ppm，通过多次的试验，完成一次完整盾构姿态测量，包括全站仪定位及盾构姿态测量，所需时间大约为20s左右，假设后视基准点4与全站仪1距离150m，传统方法一般为100m以内，取全站仪1定位时的测角精度为4.2″，假定单次照准为3″的精度，根据粗略的精度估算移动全站仪瞬时定位的点位精度为4mm，照准盾构内目标基准点3的方位精度为5.9″，而全站仪1到盾构机9内的目标基准点一般为50m，如果假设全站仪是固定的，则盾构中目标基准点3的观测的点位误差为4.4mm。如果考虑全站仪1的移动，在全站仪1定位成功到搜索测量完盾构机9内的目标基准点3一般为12s左右，这里取值为15s，盾构推进速度一般为每分钟40mm，取其推进速度为每分钟60mm，在不考虑油缸行程传感器7行程数据对全站仪1坐标修正的情况下，则盾构中目标基准点3的观测的点位误差为15.6mm。因此可以看到最主要的精度影响来源于全站仪1的前进，但由于盾构姿态体现的都是相对于隧道轴线的横向偏差，因而全站仪1移动对于盾构姿态影响的分量很小，在300M半径的圆曲线隧道中，其分量只有1.7‰，几乎可以忽略，因此，系统的盾构姿态精度考虑到传感器及其他因素的影响其中误差一般为4.8mm，成果极限误差小于10mm，满足施工的要求和需要。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法，其特征在于，

将一全站仪固定于一与盾构机同步运动的车架上；

对所述全站仪进行瞬时定位；

通过所述全站仪进行盾构掘进姿态测量。

2.根据权利要求1所述的高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法，其特征在于，通过盾构油缸行程数据、上一次盾构掘进姿态数据以及上一次全站仪坐标数据模拟获得一虚拟轨迹，并利用所述虚拟轨迹进行所述全站仪的瞬时定位。

3.根据权利要求2所述的高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法，其特征在于，设置两个固定后视基准点，建立带移动轨迹推算的后方交会的计算模型，推算出全站仪的坐标数据。

4.根据权利要求3所述的高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法，其特征在于，通过一自动安平装置保持所述全站仪处于平整状态。

5.根据权利要求4所述的高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法，其特征在于，利用所述虚拟轨迹辅助所述全站仪搜索。

6.根据权利要求1-4任一项所述的高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法，其特征在于，所述全站仪进行瞬时定位和所述盾构掘进姿态测量步骤之间还包括一检测步骤，所述检测步骤进一步包括：

判断全站仪瞬时定位是否成功；

如判断为异常，判断当前锁定的后视基准点是否可见；如不可见，更换当前锁定后视基准点并返回全站仪瞬时定位步骤；如可见，诊断排除问题后返回全站仪瞬时定位步骤；

若判断为正常，继续后一步骤。

7.一种高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量系统，包括一全站仪、后视基准点和固定于所述盾构机内的复数个目标基准点，其特征在于，所述全站仪紧固于所述盾构机的车架上，且所述全站仪和一油缸行程传感器以及一双轴倾斜传感器通信连接。

8.根据权利要求7所述的高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量系统，其特征在于，所述全站仪通过一自动安平装置固定于所述车架上。

9.根据权利要求8所述的高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量系统，其特征在于，所述全站仪采用高速马达全站仪。

Images