CN106123776B - 一种顶管智能顶进测量系统以及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种顶管智能顶进测量系统，包括：工控机，安装在工作井的操作台上；后视棱镜，全站仪以及前视棱镜，安装在顶管壁上；测距传感器，安装在工作井内，与所述工控机通讯连接，所述测距传感器测量所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头的顶进距离；多个倾角传感器，分别安装在所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头所在位置的顶管处。本发明还提供一种顶管智能顶进测量系统的测量方法。本发明提供的顶管智能顶进测量系统，采用管道内一站式测量方法，解决长距离顶管轴线控制的先进导向技术，测量方法简单、精度高。

Description

一种顶管智能顶进测量系统以及测量方法

技术领域

本发明涉及工程建设技术领域，特别涉及一种顶管智能顶进测量系统以及测量方法。

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。长距离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。一管节子完成顶入土层之后，再下第二管节子继续顶进。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，达到非开挖铺设地下管道的目的。工程的技术要点在于就纠正长距离顶管在地下推进时的偏差，因此长距离顶管导向测量很关键。

顶管施工导向测量就是依据具体工程布设的平面和高程控制网，通过工作井、周期性测量工具头顶管中心横向和竖向的偏差以及机头姿态角，指导工具头推进的方向，最终使得管子能与接收井内接受孔准确贯通。目前的长距离顶管施工导向测量需要利用多台全站仪及繁琐的人工测量，且测量精度偏低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种顶管智能顶进测量系统以及测量方法，以解决目前长距离顶管施工导向测量繁琐以及测量精度偏低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种顶管智能顶进测量系统，包括：工控机，安装在工作井的操作台上；后视棱镜，全站仪以及前视棱镜，安装在顶管壁上；测距传感器，安装在工作井内，与所述工控机通讯连接，所述测距传感器测量所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头的顶进距离；多个倾角传感器，分别安装在所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头所在位置的顶管处。

进一步地，顶管智能顶进测量系统还包括工具头棱镜，设置在工具头顶管中心位置。

进一步地，所述全站仪位于所述前视棱镜和所述后视棱镜的中间位置处。

进一步地，所述测距传感器与所述工控机通过RS232进行通讯。

进一步地，所述全站仪与所述工控机的通讯采用光纤配合蓝牙。

进一步地，所述倾角传感器与所述工控机的通讯采用光纤配合蓝牙。

本发明还提供一种顶管智能顶进测量系统的测量方法，包括：将后视棱镜、全站仪、前视棱镜以及顶管工具头分别安装在设定位置；人工测量所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头的初始坐标以及初始管道中心线轨迹；测距传感器测量所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头的顶进距离，倾角传感器测量所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头的姿态角度。根据所述后视棱镜、所述全站仪的顶进距离以及姿态角度，推算所述前视棱镜以及所述顶管工具头的坐标，根据所述前视棱镜的坐标以及所述前视棱镜的顶进距离拟合新的管道中心线轨迹与初始管道中心线轨迹比较，如果偏差超过预定目标值，进行人工纠偏；顶管工具头的坐标与管道移动的预设值进行比较，得到工具头的偏差。

进一步地，工控机控制测距传感器以及倾角传感器，所述测距传感器以及所述倾角传感器测量的数据录入所述工控机。

进一步地，所述预定目标值为2cm。

本发明提供的顶管智能顶进测量系统，采用管道内一站式测量方法，解决长距离顶管轴线控制的先进导向技术，测量方法简单、精度高。

本发明提供的顶管智能顶进测量系统的测量方法，在测量仪器初始位置时以及利用前视棱镜进行纠偏时用到人工测量，其余都通过仪器测量得到的数据反馈至工控机进行处理，对工具头实时进行纠偏，测量方法简单，并且测量精度高。

附图说明

下面结合附图对发明作进一步说明：

图1为本发明实施例提供的顶管智能顶进测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的顶管智能顶进测量系统的测量方法的步骤流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的顶管智能顶进测量系统以及测量方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，本发明提供的本发明提供的顶管智能顶进测量系统，采用管道内一站式测量方法，解决长距离顶管轴线控制的先进导向技术，测量方法简单、精度高；本发明提供的顶管智能顶进测量系统的测量方法，在测量仪器初始位置时以及利用前视棱镜进行纠偏时用到人工测量，其余都通过仪器测量得到的数据反馈至工控机进行处理，对工具头实时进行纠偏，测量方法简单，并且测量精度高。

图1为本发明实施例提供的顶管智能顶进测量系统的结构示意图。参照图1，提供一种顶管智能顶进测量系统，包括：工控机11，安装在工作井的操作台上；后视棱镜12，全站仪13以及前视棱镜14，安装在顶管15壁上；测距传感器16，安装在工作井内，与所述工控机11通讯连接，所述测距传感器16测量所述后视棱镜12、所述全站仪13、所述前视棱镜14以及所述顶管工具头17的顶进距离；多个倾角传感器18，分别安装在所述后视棱镜12、所述全站仪13、所述前视棱镜14以及所述顶管工具头17所在位置的顶管15处。

在本发明实施例中，顶管智能顶进测量系统还包括工具头棱镜，设置在工具头顶管中心位置。所述全站仪位于所述前视棱镜和所述后视棱镜的中间位置处。

进一步地，所述测距传感器与所述工控机通过RS232进行通讯，所述全站仪与所述工控机的通讯采用光纤配合蓝牙，所述倾角传感器与所述工控机的通讯采用光纤配合蓝牙。

图2为本发明实施例提供的顶管智能顶进测量系统的测量方法的步骤流程示意图。参照图2，本发明提供一种顶管智能顶进测量系统的测量方法，包括以下步骤：

S21、将后视棱镜、全站仪、前视棱镜以及顶管工具头分别安装在设定位置；

S22、人工测量所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头的初始坐标以及初始管道中心线轨迹；

S23、测距传感器测量所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头的顶进距离，倾角传感器测量所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头的姿态角度；

S24、根据所述后视棱镜、所述全站仪的顶进距离以及姿态角度，推算所述前视棱镜以及所述顶管工具头的坐标，根据所述前视棱镜的坐标以及所述前视棱镜的顶进距离拟合新的管道中心线轨迹与初始管道中心线轨迹比较，如果偏差超过预定目标值，进行人工纠偏；顶管工具头的坐标与管道移动的预设值进行比较，得到工具头的偏差。

在本发明实施例中，所述预定目标值为2cm，如果通过前视棱镜拟合的新的管道中心线轨迹与初始管道中心线轨迹比较超过了2cm，则进行人工纠偏。工控机控制测距传感器以及倾角传感器，所述测距传感器以及所述倾角传感器测量的数据录入所述工控机。

中心线轨迹和顶进距离的对应关系是整个测量的基础，为方便日常简化计算，采用“以直代曲”思路——中心线按一定间距(如3米或每管节长度)表达成有序点串，顶进距离与平面坐标、高程对应，中心线表示为：l(顶进距离、中心坐标，i＝1,2,3,…,n)；

若点P(顶进距离)为中心线上k与k+1之间的点，则有P点坐标计算公式为：

日常跟班测量按设定时间间隔定期自动测量，因此每节管段前视棱镜点测量了若干次，这些坐标将拟合成学习测量形成中心线轨迹的一个点。

以(x_i y_i)^T(i＝1,2,…,n)表示n个点的坐标，基于小段范围“以直代曲”的思路，设这些点满足直线方程2-1：

式中，

(x_p y_p)^T为直线上离开原点最近点的坐标；

t为p点至直线上任意点的距离。

过测得点(x_i y_i)^T与拟合直线垂直的直线上任意点的坐标满足2-2：

式中D是垂直线上任意点(x y)^T与(x_i y_i)^T之间的距离。

垂直线与拟合直线的交点满足直线方程2-1和2-2，

由上式，解得：

D＝a(y_p-x_i)-b(x_p-y_i)

上式就是至直线的距离v_i为：

v_i＝a(y_p-x_i)-b(x_p-y_i)

上式中的参数为a、b、x_p、y_p，共4个参数。

顾及两个约束条件，条件一为(a b)^T为单位矢量，即：

第二个条件式定义(x_p y_p)^T是直线上离原点最近的点，即原点至(x_p y_p)^T的方向与直线方向垂直：

按附有条件的平差方法平差确定直线方程。

根据设计中心线里程处的坐标，计算其到拟合直线的垂足，即为管段中心处的坐标。

根据现场实际条件，后视棱镜、全站仪、前视棱镜等观测设备设置在顶管截面几何中心是不现实的，一般只能安装在顶管壁上，因此需要根据设备所在的顶管处里程和中心线坐标得到观测设备后视棱镜、全站仪、前视棱镜的实际坐标，进而进行后面的测量。

在顶管推进过程中，后视棱镜、全站仪、前视棱镜等安装设备所在的顶管截面会存在旋转的情况，旋转对计算得到的后视棱镜、全站仪、前视棱镜的实际坐标是有影响的，因此为了得到所在断面旋转角ɑ，在后视棱镜、全站仪、前视棱镜等设备同一断面上大约相对位置安装一个辅助棱镜，定期观测后视棱镜、全站仪、前视棱镜与对应辅助棱镜的高差，从而计算得到断面旋转角ɑ。

以后视棱镜Pb为例，为简化计算，Pb所在顶管断面为圆截面。首先设备安装完成后，首先人工实测得到Pb点、辅助点Pb′点及断面中心lPb三维坐标，通过计算可以得到初始状态时断面半径和Pb-lPb、Pb-Pb′连线方位角，确定根据中心坐标进行管壁坐标转换的初始参数。后续定期测量Pb点和Pb′点高差，根据高差变化可以计算当前断面处Pb-Pb′连线方位角，与初始方位角比较得到当前断面的旋转角ɑ，进而得到Pb-lPb连线方位角，通过已知的断面半径可以确定当前断面坐标转换的参数，从而实现管段中心坐标到全站仪、棱镜坐标的转换。

实施例一

为了能评定智能顶进测量系统的精度，我们采用人工测量的方法进行比对。系统首先应用于常州市江边污水处理厂管网扩建工程二标W8-W7井的长距离曲线顶管管道内径为2.2m，顶管长度764m。系统采用1台全站仪和5个棱镜组成，曲率半径800m。

1)平面控制测量：利用提供的两个平面控制点Z1、Z2，按国家四等导线测量技术要求(测角4测回、往返2测回测距)联测工作井仪器台(T)和附近定向点(A)的平面坐标，作为后续人工轴线测量的平面起算点。

2)顶管中心线平面测量：由T设站定向A点，支导线测量自动化设备安装区域(约100m)的顶管中心坐标。测角4测回，距离往返2测回测量。于2015年12月24日、2015年12月25日、2015年12月27日进行了三次测量。

3)顶管中心线高程测量：由于现场测量时间限制，高程采用三角高程4测回直接测量高差，和平面测量时同步进行，由固定仪器台T提供高程进行起算。

智能顶进测量系统在常州市江边污水处理厂管网扩建工程二标W8-W7井曲线顶管中共进行3次人工测量对比，从对比中可以看出，智能顶进测量和人工测量的中误差不会随距离的增大而增大。

平面：2015年12月24日、2015年12月25日、2015年12月27日进行了三次轴线测量，包含工作井内定向测量误差的轴线点测量见图1。

为统计误差分布,以2015年12月24日测得中心线散点数据在CAD连线，将三次重叠区域中2015年12月25日、2015年12月27日的散点向2015年12月24日连线做垂线，统计垂距如下表1。

表1

扣除工作井定向测量的误差，轴线测量一致性(包含轴线实际偏差和极坐标测量误差)较好(数据级在1cm)。

剔除个别高程点测量的误差，轴线高程趋势基本一致。

由此可以得出结论智能顶进测量系统的测量精度与人工测量的精度是一致的，测量数据是同样可靠的。由于智能顶进测量在顶管管道内瞄准精度高、测量速度快，测量精度是高于人工测量的，人工测量反复的测量误差在±1-2cm。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种顶管智能顶进测量系统的测量方法，其特征在于，

所述顶管智能顶进测量系统包括：

工控机，安装在工作井的操作台上；

后视棱镜，全站仪以及前视棱镜，安装在顶管壁上；

测距传感器，安装在工作井内，与所述工控机通讯连接，所述测距传感器测量所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头的顶进距离；

多个倾角传感器，分别安装在所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头所在位置的顶管处；

所述测量方法包括：

将后视棱镜、全站仪、前视棱镜以及顶管工具头分别安装在设定位置；

人工测量所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头的初始坐标以及初始管道中心线轨迹；

测距传感器测量所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头的顶进距离，倾角传感器测量所述后视棱镜、所述全站仪、所述前视棱镜以及所述顶管工具头的姿态角度；

根据所述后视棱镜、所述全站仪的顶进距离以及姿态角度，推算所述前视棱镜以及所述顶管工具头的坐标，根据所述前视棱镜的坐标以及所述前视棱镜的顶进距离拟合新的管道中心线轨迹与初始管道中心线轨迹比较，如果偏差超过预定目标值，进行人工纠偏；顶管工具头的坐标与管道移动的预设值进行比较，得到工具头的偏差。

2.如权利要求1所述的顶管智能顶进测量系统的测量方法，其特征在于，工控机控制测距传感器以及倾角传感器，所述测距传感器以及所述倾角传感器测量的数据录入所述工控机。

3.如权利要求1所述的顶管智能顶进测量系统的测量方法，其特征在于，所述预定目标值为2cm。

4.如权利要求1所述的顶管智能顶进测量系统的测量方法，其特征在于，所述顶管智能顶进测量系统，还包括工具头棱镜，设置在工具头顶管中心位置。

5.如权利要求1所述的顶管智能顶进测量系统的测量方法，其特征在于，所述全站仪位于所述前视棱镜和所述后视棱镜的中间位置处。

6.如权利要求1所述的顶管智能顶进测量系统的测量方法，其特征在于，所述测距传感器与所述工控机通过RS232进行通讯。

7.如权利要求1所述的顶管智能顶进测量系统的测量方法，其特征在于，所述全站仪与所述工控机的通讯采用光纤配合蓝牙。

8.如权利要求1所述的顶管智能顶进测量系统的测量方法，其特征在于，所述倾角传感器与所述工控机的通讯采用光纤配合蓝牙。