CN103322989A - 一种动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置及其方法，方法包括设置全站仪及后视棱镜于始发井内，通过全站仪获得激光靶坐标，通过激光靶坐标、方位角、滚动角及俯仰角获得顶管机坐标；在管节上安装前视棱镜获得隧道轨迹线；将全站仪移入管节上，通过轨迹线反算全站仪的实时坐标，实时测量顶管机的位置和姿态；将后视棱镜移入管节上，通过轨迹线反算后视棱镜实时坐标，实时测量顶管机位置和姿态。装置包括设置于顶管机上的激光靶；安装于隧道内管节上的前视棱镜；在激光靶后方依次设置的前视棱镜、全站仪、后视棱镜；与激光靶相连接的控制器。采用本发明可解决管节紧随顶管机一起移动，位置坐标动态变化不易测量的问题。

Description

一种动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种工程建设领域，尤其涉及一种动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置及其方法。

背景技术

顶管隧道掘进技术是地下暗挖的一种工程建设技术，是随着现代地下工程、交通运输、市政建设以及电气通讯设施的发展而发展起来的在水利输水、给水及灌溉工程中管路铺设的新技术，运用顶管技术能在管路穿越道路、河流时不用明挖，在施工过程中对道路交通、河流泄流不造成任何影响。顶管隧道掘进技术具有自动化程度高、节省人力、施工速度快的优势，并且在开挖时可以控制地面沉降，同时可以减少对地面建筑物的影响，另外在水下开挖时不会影响水面交通。一般地，在隧道轴线较长、埋深较大的情况下，采用顶管技术更为经济合理。

顶管施工是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，就是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推进到接收井内吊起。管道紧随工具管或掘进机后，埋设在两坑之间。

顶管施工涉及的是利用少开挖，即工作井与接收井要开挖，以及不开挖，即管道不开挖技术来进行地下管线的铺设或更换，顶管直径DN800-4500。通过工作井把要埋设的管子顶入土内，一个工作井内的管子可在地下穿行1500米以上，并且还能曲线穿行，以绕开一些地下管线或障碍物。

顶管施工在我国沿海经济发达地区广泛用于城市地下给排水管道、天燃气石油管道、通讯电缆等各种管道的非开挖铺设。它能穿越公路、铁路、桥梁、高山、河流、海峡和地面任何建筑物。采用该技术施工，能节约一大笔征地拆迁费用、减少对环境污染和道路的堵塞，具有显著的经济效益和社会效益。

目前顶管技术已经发展到了十分成熟的阶段，其通风系统、注浆减摩技术、排渣技术、刀盘切削系统、推进系统、出土输送系统、供电液压系统等都得到了充分的发展和完善，中继间技术的突破解决了长距离曲线顶管的推力问题，已经能实现距离大于2500米的长距离顶管施工。

尽管顶管的这些技术已经非常成熟，但是其顶管测量导向没有新技术的应用，长距离的顶管施工中，测量工作占据大量的时间，严重影响顶管施工的进度及其经济效益。目前顶管施工的测量导向技术为：人工测量、激光经纬仪导向和测量机器人导向三种技术，都能测量顶管机的位置和姿态，但是均存在数据实时性、准确性方面的问题，达不到预期的顶管测量导向要求的效果。

目前，常用的顶管导向测量有三种方法：传统的人工测量方法、VMT激光靶导向系统、单台全站仪导向系统和多台全站仪联动系统。他们都能够测量盾构机在施工过程中的姿态，得到顶管机任意时刻姿态数据，实时获取顶管机俯仰角、滚动角和方位角。但是各自实现的原理不同。

目前，顶管工程中顶管机位置姿态测量采用的方法有人工测量、激光经纬仪导向测量和全站仪自动测量三种测量种方法。这些方法都可以准确的测定顶管机的位置和姿态，但是实现原理不同，应用效果不同。

1、传统的测量方法：在顶管机上安装棱镜，每一次从头到尾(即从始发井内)进行测量，计算出顶管机上棱镜坐标，再根据棱镜坐标换算出机头中心坐标。但当随着施工的不断进行，隧道越来越长，进行测量的时间也越来越长，不能满足施工的要求。利用传统的测量方法的另一个不利之处是测量工作只能在停止掘进的情况下进行，在掘进的过程中机器处于“失明”状态。因此在机器掘进的过程中发生的任何偏差只能等过后进行人工测量，并确定机器的位置以后才能被纠正.不能进行即时的补救措施。

2、人工测量：在管节顶进前，通过常规的测量手段测量顶管机的位置和姿态，人工计算偏差，顶管机操作工程师根据测量工程师给定的偏差掘进下一环。整环掘进的过程中操作工程师无法得知当前顶管机的位置姿态，仅根据经验和感觉进行判断，无法实现顶管施工测量导向实时性的要求。另外当顶进一定距离后，测量工程师测量顶管机需要从工作井将坐标基准引测至顶管机的位置，测量顶管机位置和姿态需要大量的时间，无法满足顶管施工要求测量准确高效的要求。

3、激光经纬仪导向：在顶管机上安装标靶，在工作井安装激光经纬仪，激光经纬仪发射激光束，在标靶上形成红色的光斑，事先已将激光束与设计轴线调整至平行，标靶上激光斑的位置变化即为顶管机的位置变化。该技术能够直观的给操作工程师顶管机的位置变化，也具备数据的实时性。但是存在如下的缺陷：①测量数据不能保存；②只能用于顶进距离小于400米的直线顶管工程；③不能测量顶管机的姿态角。由于存在以上的问题，不能满足目前发展的长距离曲线顶管工程的测量需求。

4、测量机器人导向：在井口安装测量机器人，在顶管机上安装反射棱镜，编制工程软件控制测量机器人测量顶管机上的反射棱镜的坐标，计算顶管机的位置和偏差并实时的显示。该种方法亦可在工作井与顶管机之间增加测量机器人，到达坐标基准传递的目的，以便应用于长距离的曲线顶管工程。该技术具备数据实时性，但是经现场应用存在如下的问题：①由于顶管隧道内存在严重的大气折光，当测量机器人与顶管机的距离超过100米时，测量高程误差太大，数据准确度不能满足要求；②若在工作井与顶管机之间增加测量机器人，以便减小大气折光的影响，此时平面坐标(X，Y)的传递误差太大，并且数据的一致性较差，不能达到测量导向的目标，另外增加测量机器人，增加的成本太大。

5、单台全站仪导向系统：在顶管机头安装一个棱镜和一个角度传感器。自动驱动全站仪固定在始发井内，配合控制计算机、自动测量软件。在井口附近设置若干个固定控制点，自动全站仪利用后方交会的方法定出测站的坐标并且设定方向，然后跟踪测量顶管机头棱镜的目标点坐标。再根据倾角仪传过来的角度。由软件的自动解算功能最终获取顶管的姿态。单台全站仪导向系统缺点：该系统只能测量直线顶管系统，无法测量曲线顶管系统。且若测量距离过长，隧道内外的温差较大，高程测量不准确。

6、米度MTG-D多台全站仪联动系统：在顶管机头安装一个棱镜(目标棱镜安装在顶管机前进方向的右侧，确保和邻近全站仪保持良好的通视)和一个角度传感器。多台全站仪为过渡的导线点，其中始发井内的全站仪坐标是通过安装在竖井壁上的棱镜的坐标，经过后方交会计算获得。自动引导测量系统在无法通视各点同时架设有全站仪，除井口全站仪不需安置安平基座，在管中的全站仪都需加安平基座，保证在顶管推进过程管道发生转动时，实时给全站仪提供水平基准面，保证测量的准备性。且每台全站仪都通过无线电台与计算机进行通讯。在计算机软件的指挥下，各站点上的全站仪相互配合，按导线测量的测量程序，自动有序地测量导线各点的转折角、垂直角以及导线各点之间的边长，并把角度和边长测量数据自动传回给计算机，由计算机进行数据处理。由于机头目标棱镜无法安置在顶管的机头中心轴位置，因此顶管的中心位置坐标须由目标棱镜点换算。计算结果自动和设计轴线比较并在计算机屏幕上显示机头中心相对于设计轴线的左右偏差、上下偏差、机头俯仰角和滚动角、以及测量时的里程和时间如图2所示。系统整个测量过程在计算机的控制下自动运行，无需人工干预。多台全站仪联动系统缺点：该系统采用多台全站仪成本较大，硬件较多，通讯安装较难，在隧道复杂环境中容易出现故障。

有鉴于此，如何设计一种动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置及其方法，在合理的成本内为顶管施工提供实时准确的测量数据，是业内人士亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中，在对顶管机位置姿态测量中，存在测量经济成本高，误差较大这一缺陷，本发明提供了一种动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置及其方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种动态实时测量顶管机位置和姿态的方法，其中，包括以下步骤：

设置全站仪及后视棱镜于始发井内，所述全站仪测量激光靶上的第一棱镜，获得所述激光靶的坐标，并获得所述激光靶的方位角，通过所述激光靶内置的第一角度传感器获得所述激光靶的滚动角及俯仰角，通过所述激光靶的坐标、所述激光靶的方位角、滚动角及俯仰角获得所述顶管机的坐标及姿态角；

装入管节于隧道内，在所述管节上设置前视棱镜以获得隧道轨迹线；

将所述全站仪移入隧道内的管节上，通过里程传感器获得所述全站仪的实时里程，通过所述隧道轨迹线反算所述全站仪的实时坐标，然后获得所述顶管机的坐标；

将所述后视棱镜移入隧道内的管节上，通过所述里程传感器获得全站仪的实时里程和后视棱镜的实时里程，通过所述隧道轨迹线反算所述全站仪和所述后视棱镜的实时坐标，然后获得所述顶管机的坐标。

根据本发明的另一个方面，提供了一种动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置，隧道内设置有管节，其中，包括设置于所述顶管机上的激光靶；在所述激光靶后方依次设置的前视棱镜、全站仪、后视棱镜；以及与所述激光靶相连接的控制器。

优选的，所述激光靶上具有第一棱镜、前屏、后屏。

优选的，所述前视棱镜的数量为两个，两个所述前视棱镜设置于所述隧道内管节的同一断面上。

优选的，更包括第一角度传感器，设置于所述激光靶内。

优选的，所述前视棱镜设置于所述隧道内管节上，且所述前视棱镜与所述激光靶相距20～60米。

优选的，所述全站仪及所述后视棱镜都固定于所述始发井内。

优选的，所述全站仪固定于所述管节内，且所述前视棱镜与所述全站仪相距2～30米，所述后视棱镜固定于所述始发井内。

优选的，所述全站仪及所述后视棱镜都固定于所述管节内，且所述后视棱镜与所述全站仪相距30～120米。

优选的，更包括：

里程传感器，连接于所述控制器；

第二角度传感器，连接于所述全站仪；以及

第三角度传感器，连接于所述后视棱镜。

本发明的优点是：1.解决了管节紧随顶管机一起移动时后视坐标和激光站坐标的计算方法；2.整个系统解决了各种直径的长距离曲线测量的要求；3.该系统硬件集成度高，经济成本降低，整个系统随顶管机一起前进，解决了以前顶管系统测量的高程测量不准确影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了依据本发明的一个实施例的动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置的结构剖面图。

图2示出了依据本发明的另一个实施例的动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置的结构剖面图。

图3示出了依据本发明的又一个实施例的动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置的结构剖面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了依据本发明的一个实施例的动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置的结构剖面图。参照图1，动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置1包括顶管机、激光靶10、全站仪14、后视棱镜16及控制器19。其中，顶管机位于始发井18的前方，顶管机在隧道掘进的过程中不断地向前推进。激光靶10设置于顶管机上，激光靶10具体的还包括第一棱镜(未绘示)、前屏(未绘示)、后屏(未绘示)，本实施例中，在激光靶10内还设置有第一角度传感器。在激光靶10的后方依次设置有全站仪14及后视棱镜16，本实施例中，全站仪14与后视棱镜16都固定于始发井18内，全站仪14测量激光靶10上的第一棱镜，再发射激光至激光靶10的前屏，全站仪14发出的激光束先到达激光靶10上的第一棱镜，再转向激光靶10的前屏。后视棱镜16的坐标可以被全站仪14测量获得，其可以接收到从全站仪14发出的激光束。控制器19与激光靶10、全站仪14，用来接收整个系统数据，对数据进行处理，计算顶管机的位置。当掘进一段时间后，在始发井18内放置管节，然后不断地将管节推入隧道内，随着掘进的时间，此时在隧道内的管节12上设置前视棱镜11，前视棱镜11与激光靶10相距20～60米，更为具体的，前视棱镜11与激光靶10相距40～50米。前视棱镜11可以接收到从全站仪14发出的激光束。本实施例中，前视棱镜11有两个，两个前视棱镜11设置于管节12的同一断面上。

图2示出了依据本发明的另一个实施例的动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置的结构剖面图。参照图2，动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置2同样包括顶管机、激光靶10、全站仪14、后视棱镜16、控制器19、第一角度传感器及前视棱镜11。与图1所示的实施例不同的是，本实施例中，全站仪14固定于隧道内的管节12上，并且前视棱镜11与全站仪14相距2～30米，更为具体的，前视棱镜11与全站仪14相距10～20米，例如15米。而后视棱镜16同样还固定于始发井内18内，另外，动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置2还包括：里程传感器13、第二角度传感器15。其中，里程传感器13安装在始发井18内的管道正上方，用来测量管节12移动的距离，并且里程传感器13和控制器19相连接。当然，管节12移动的距离还可以通过激光测得。第二角度传感器15与控制器19连接，用来修正全站仪14的位置。

图3示出了依据本发明的又一个实施例的动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置的结构剖面图。参照图3，动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置3同样包括顶管机、激光靶10、全站仪14、后视棱镜16、控制器19、第一角度传感器、第二角度传感器15、前视棱镜11及里程传感器13。与图2所示的实施例不同的是，本实施例中，后视棱镜16也固定于隧道内的管节12上，并且后视棱镜16与全站仪14相距30～120米，具体的，后视棱镜16与全站仪14相距50～100米，更为具体的，后视棱镜16与全站仪14相距70～80米，例如75米。另外，还有一第三角度传感器17与控制器19相连接，用来修正后视棱镜16的位置。

本发明中动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置的原理是：当在刚刚开始掘进时，以顶管机的中心位置作为隧道轨迹线，此时全站仪14与后视棱镜16都固定于始发井18内，全站仪14发出激光至后视棱镜16上进行定向，并且全站仪14可以测得后视棱镜16的坐标。激光靶10的滚动角和俯仰角可以通过激光靶10内的传感器测得。全站仪14发出一束激光至激光靶10的第一棱镜上，由于全站仪14与后视棱镜16的坐标可以测得，所以可以获得激光靶10的第一棱镜的坐标。接着全站仪14的激光束转向激光靶10的前屏，通过激光靶10内的第一角度传感器接收激光，获取激光的像素可计算激光靶10的方位角。采用激光靶上10的第一棱镜的坐标、激光靶10的方位角、滚动角和俯仰角输入控制器19，控制器19可以计算出激光靶10的坐标，根据顶管机和激光靶10的相对位置关系，采用坐标转换，从而可以确定出顶管机的坐标。

当掘进一段时间后，有若干个管节12从始发井18内进入隧道内，此时在管节12的同一断面上设置两个前视棱镜11，两个前视棱镜11与激光靶10相距20～60米，更为具体的，两个前视棱镜11与激光靶10相距40～50米。全站仪14打出激光至两个前视棱镜11上，分别获得两个前视棱镜11的坐标，由于两个前视棱镜11在管节12的同一断面上且已知该断面的半径，所以可以确定出管节12的中心，即整个管道的中心，此时以管道中心作为隧道轨迹线。

当顶管机进一步往前推进时，不断地在隧道内安装管节12，由于全站仪14与激光靶10不通视，所以要将全站仪14设置于隧道内的管节12上，而后视棱镜16同样还固定于始发井18内，并且前视棱镜11与全站仪14相距2～30米，更为具体的，前视棱镜11与全站仪14相距10～20米，例如15米。由于全站仪14的位置在不断变化，要获得全站仪14的坐标，只能通过轨迹线来推算全站仪14的实时坐标。全站仪14的起始里程(即全站仪14距离设计线起点的位置)可以预先测得，然后通过里程传感器13测出管节12移动的距离，这样全站仪14的起始里程加上管节12移动的距离就为全站仪14的实时里程，再利用全站仪14的实时里程和隧道轨迹线反算出全站仪14的实时坐标。后视棱镜16的坐标是已知的，同样可以利用全站仪14向激光靶10发出激光获得激光靶10上第一棱镜的坐标，激光靶10方位角、俯仰角及滚动角同样可以通过前述方式获得，然后利用控制器算出激光靶10的坐标，由此获得顶管机的坐标。

当顶管机继续往前推进时，由于全站仪14与后视棱镜16也不通视，所以同样要将后视棱镜16和第三角度传感器17设置于隧道内的管节12上，此时全站仪14和后视棱镜16都设置于管节12上，并且后视棱镜16与全站仪14相距30～120米，具体的，后视棱镜16与全站仪14相距50～100米，更为具体的，后视棱镜16与全站仪14相距70～80米，例如75米。此时全站仪14和后视棱镜16的位置都在不断变化，要获得全站仪14和后视棱镜16的坐标，同样还是通过隧道轨迹线来推算全站仪14和后视棱镜16的实时坐标。与前述方式相同获得全站仪14的实时坐标，而后视棱镜16的起始里程也可以预先测得，并通过里程传感器13测出管节12移动的距离，用后视棱镜16的起始里程加上管节12移动的距离就为后视棱镜16的实时里程，再利用后视棱镜16的实时里程和轨迹线反算出后视棱镜16的实时坐标。接着同样利用全站仪14向激光靶10发出激光获得激光靶10上第一棱镜的坐标，第一角度传感器同样获得全站仪14的方位角、俯仰角及滚动角，然后利用控制器算出激光靶10的坐标，由此获得顶管机的坐标。

本发明的优点是：1.解决了管节紧随顶管机一起移动时后视坐标和激光站坐标的计算方法；2.整个系统解决了各种直径的长距离曲线测量的要求；3.该系统硬件集成度高，整个系统随顶管机一起前进，解决了以前顶管系统测量的高程不准确问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种动态实时测量顶管机位置和姿态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置全站仪及后视棱镜于始发井内，所述全站仪测量激光靶上的第一棱镜，获得所述激光靶的坐标，并获得所述激光靶的方位角，通过所述激光靶内置的第一角度传感器获得所述激光靶的滚动角及俯仰角，通过所述激光靶的坐标、所述激光靶的方位角、滚动角及俯仰角获得所述顶管机的坐标及姿态角；

装入管节于隧道内，在所述管节上设置前视棱镜以获得隧道轨迹线；

将所述全站仪移入隧道内的管节上，通过里程传感器获得所述全站仪的实时里程，通过所述隧道轨迹线反算所述全站仪的实时坐标，然后获得所述顶管机的坐标；

将所述后视棱镜移入隧道内的管节上，通过所述里程传感器获得全站仪的实时里程和后视棱镜的实时里程，通过所述隧道轨迹线反算所述全站仪和所述后视棱镜的实时坐标，然后获得所述顶管机的坐标。

2.一种动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置，隧道内设置有管节，其特征在于，包括设置于所述顶管机上的激光靶；在所述激光靶后方依次设置的前视棱镜、全站仪、后视棱镜；以及与所述激光靶相连接的控制器。

3.如权利要求2所述的动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置，其特征在于，所述激光靶上具有第一棱镜、前屏、后屏。

4.如权利要求3所述的动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置，其特征在于，所述前视棱镜的数量为两个，两个所述前视棱镜设置于所述隧道内管节的同一断面上。

5.如权利要求4所述的动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置，其特征在于，更包括第一角度传感器，设置于所述激光靶内。

6.如权利要求5所述的动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置，其特征在于，所述前视棱镜设置于所述隧道内管节上，且所述前视棱镜与所述激光靶相距20～60米。

7.如权利要求6所述的动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置，其特征在于，所述全站仪及所述后视棱镜都固定于所述始发井内。

8.如权利要求6所述的动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置，其特征在于，所述全站仪固定于所述管节内，且所述前视棱镜与所述全站仪相距2～30米，所述后视棱镜固定于所述始发井内。

9.如权利要求6所述的动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置，其特征在于，所述全站仪及所述后视棱镜都固定于所述管节内，且所述后视棱镜与所述全站仪相距30～120米。

10.如权利要求9所述的动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置，其特征在于，更包括：

里程传感器，连接于所述控制器；

第二角度传感器，连接于所述控制器；以及

第三角度传感器，连接于所述控制器。

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