CN107525497A - 用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统及方法，在盾构施工前,在盾构机千斤顶底座顶板处设置两个目标棱镜，在盾构机拼装机固定立柱上安装坡度角及回转角的测量仪，在盾构机台车后部的测量平台上设置全站仪一，位于全站仪一后方的测量平台上设置后视棱镜，位于全站仪一前方的可移动测量平台上通过自动整平基座安装全站仪二；全站仪二通过目标棱镜及全站仪二上的棱镜和全站仪一通过后视棱镜及全站仪一上的棱镜测量盾构机不断前行的轨迹，坡度角及回转角的测量仪测量盾构机的坡度角和回转角，由监视摄像头通过无线路由器传输坡度角及回转角的图像中的测量数据到计算机，由计算机计算出盾构机切口、盾尾的平面偏差和高程偏差值。
Description
技术领域
本发明涉及一种盾构法隧道施工自动测量导向系统，具体为一种用于泥水平衡盾构机自动测量导向系统及方法，属于泥水平衡盾构机导向技术领域。
背景技术
随着我国隧道盾构发施工不断发展，现代化盾构机自动导向系统也不断推陈出新，其左右可以在盾构推进的过程中实时测量，直接把信息反馈给操作人员，这不但减轻了测量人员劳动强度，还有测量数据反馈的实时性，做到随时都可以检查挖掘点的位置和姿态，很好的提高了隧道控制的精确度。
在盾构区间施工过程中泥水平衡盾构机不断向前推进，全站仪在一次测量中要搜索目标棱镜，目标棱镜随着盾构推进位置变化的时候，无法保持锁定棱镜的状态，直线段掘进时随着距离拉长，对棱镜目标点的搜寻很容易出错，由于泥水平衡盾构机前部构造的局限性，尤其是盾构机在小半径、小管径的圆弧形隧道内掘进时，转弯较大，棱镜位置变化较快，前视安装三个目标棱镜容易被管片内壁以及台车顶部设备遮挡，导致全站仪搜索目标棱镜失败，有效观测距离大大缩短，频繁的更换迁移测量吊点，直接造成测量工作任务的繁重。 因此，研发具有自主知识产权的盾构掘进自动导向系统，寻求一套独立的自动测量导向系统和多元化测量模式，方便应用在泥水平衡盾构机施工隧道工程的施工条件中，是目前隧道施工管理和国产化盾构急需解决的问题。
发明内容
本发明就是为了解决上述自动测量导向系统的缺陷，提供一种用于泥水平衡盾构机自动测量导向系统及方法，该系统及方法操作简单，做到延长转站距离、不停机转站，有效提高测量进度、施工质量及施工进度。
为了实现上述的目的，本发明的技术方案是：一种用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统，包括计算机、全站仪、自动整平基座、坡度角及回转角的测量装置、地址通讯装置，在盾构施工前,在盾构机千斤顶底座顶板处设置两个目标棱镜，在盾构机拼装机固定立柱上安装坡度角及回转角的测量仪，由两个前视的目标棱镜和坡度角及回转角的测量仪组合进行出盾构姿态的测量；在盾构机台车后部的测量平台上设置全站仪一，位于全站仪一后方的测量平台上设置后视棱镜，位于全站仪一前方的可移动测量平台上通过自动整平基座安装全站仪二；所述全站仪二通过目标棱镜及全站仪二上的棱镜和全站仪一通过后视棱镜及全站仪一上的棱镜测量盾构机不断前行的轨迹，并将测量信号通过地址通讯装置传输给计算机；所述坡度角及回转角的测量仪测量盾构机的坡度角和回转角，由监视摄像头通过无线路由器传输坡度角及回转角的测量仪测量的盾构机的坡度角及回转角图像中的测量数据到工业计算机，由计算机及应用程序控制全站仪的运行，并计算出盾构机切口、盾尾的平面偏差和高程偏差值。
所述盾构机的坡度角和回转角包括水平角,垂直角和边长及各棱镜的三维坐标。
所述全站仪一、二分别通过Y线电缆连接地址通讯装置，所述的地址通讯装置包括RS232串口转无线通信传输子盒和12V直流移动电源。
所述计算机的接口上设置网络通讯装置，所述的网络通讯装置包括RS232串口转无线通信传输母盒和交流电源220V。
一种用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统的使用方法，通过用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统，实时获得盾构机相对于盾构区间设计中心线的偏差及其姿态，为盾构机严格按照设计路线前进提供重要施工依据，保证盾构施工的质量及盾构区间的准确贯通，该方法包括以下步骤：
a. 开机打开用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统，完成测站与目标点位之间的学习，控制点上全站仪一通过后视棱镜进行自身定位，控制点上全站仪二以全站仪一上的棱镜作后视进行自身定位；
b.通过计算机驱动全站仪一先照准后视棱镜，然后照准全站仪二上方的棱镜，进行正倒镜测量，完成全站仪一到全站仪二方位、距离信息的数据传递，全站仪一5工作完成；通过计算机驱动全站仪二6旋转镜头搜索全站仪一上的棱镜，此时将全站仪一上的棱镜默认为后视，完成方位定向后转至盾构方向搜索盾构机上的目标棱镜一、目标棱镜二，并根据计算机程序依次瞄准测量盾构机上固定位置上目标棱镜一、目标棱镜二；进行正倒镜测量，通过测量得到与两个目标棱镜的斜距和水平角度垂直角度并传输工业计算机，利用监视摄像头通过无线路由器传输坡度角及回转角的测量仪测量的盾构机的坡度角及回转角图像中的测量数据，输入到计算机程序内；
c. 计算机通过程序计算得到目标棱镜一、目标棱镜二的三维坐标，程序利用目标棱镜一、目标棱镜二的三维坐标和盾构机的坡度角及回转角进行坐标换算，得到盾构的切口中心坐标和盾尾中心坐标；计算机程序会自动与预先输入计算机内的隧道设计轴线数据上等距离分布的点坐标，进行比较计算，得出此时的盾构机的切口和盾尾中心的位置误差即盾构机切口、盾尾的平面偏差和高程偏差，即最后的测量成果。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明通过采用两台全站仪进行自动导向测量并采用无线通讯模式，解决了盾构机前部结构原因只能设置两个前视目标棱镜，并在盾构机前部设置坡度角及回转角的测量仪，加大了测量的有效观测距离，在小半径盾构的曲线区间中优势尤为明显，大大拉长了测量吊点间距，直线段中更换一次测量吊点跟踪测量间距可达100米至150米。减少测量人员人力成本，降低测量工作的劳动强度，提高盾构导向测量的工作效率与测量精度，提高盾构施工的工作效率与施工质量，通过本自动测量导向系统的实时测量及数据分析处理，实时显示盾构位置的偏差值，方便项目施工方的下一步施工决策，从而最终保证盾构区间的贯通精度。
附图说明
图1是本发明的用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统示意图；
图2是本发明的计算机工作流程图；
图中：后视棱镜1； RS232串口转无线通信传输子盒2； 12V直流移动电源3；全站仪专用Y线电缆4；全站仪一5；可移动测量平台6；自动整平基座7；全站仪二8；目标棱镜一9；坡度角及回转角的测量仪10；目标棱镜二11； RS232串口转无线通信传输母盒12；串口连接线13；计算机14；监视摄像头15；无线路由器16。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统，包括计算机14、全站仪、自动整平基座7、坡度角及回转角的测量装置10、地址通讯装置，在盾构施工前,在盾构机千斤顶底座顶板处设置两个目标棱镜，在盾构机拼装机固定立柱上安装坡度角及回转角的测量仪10，由两个前视的目标棱镜和坡度角及回转角的测量仪10组合进行出盾构姿态的测量；在盾构机台车后部的测量平台上设置全站仪一5，位于全站仪一5后方的测量平台上设置后视棱镜1，位于全站仪一5前方的可移动测量平台6上通过自动整平基座7安装全站仪二8；所述全站仪二8通过目标棱镜及全站仪二上的棱镜和全站仪一5通过后视棱镜1及全站仪一上的棱镜测量盾构机不断前行的轨迹，并将测量信号通过地址通讯装置传输给计算机14；所述坡度角及回转角的测量仪10测量盾构机的坡度角和回转角，由监视摄像头15通过无线路由器16传输坡度角及回转角的测量仪10测量的盾构机的坡度角及回转角图像中的测量数据到计算机14，由计算机14及应用程序控制全站仪的运行，并计算出盾构机切口、盾尾的平面偏差和高程偏差值。
盾构机的坡度角和回转角包括水平角,垂直角和边长及各棱镜的三维坐标。全站仪一、二5，8分别通过Y线电缆4连接地址通讯装置。地址通讯装置包括RS232串口转无线通信传输子盒2和12V直流移动电源3。计算机14的接口上设置网络通讯装置，网络通讯装置包括RS232串口转无线通信传输母盒12和交流电源220V，RS232串口转无线通信传输母盒12通过串口连接线13连接。
本发明采用的自动导向测量系统的结构和计算机及应用工具、包括前后视的三维坐标、计算偏差的公式对本专业的人来说是十分清楚的，本发明的创新点在于公知技术的组合，采用RS232串口转无线通信传输设备进行两台全站仪来进行传递测量，采用两个前视目标棱镜和坡度角及回转角的测量仪组合进行盾构姿态的测量，能加大在盾构隧道内数据传输的距离，减少测量时人工排布通讯电缆线的时间，降低测量人员在盾构机上作业的风险，能极大加快测量工作的时间及效率，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
实施例一：
如图2所示，盾构自动测量导向系统的使用方法如下：
通过使用自主研发的泥水平衡盾构机自动测量导向系统，能实时获得盾构机相对于盾构区间设计中心线的偏差及其姿态，为盾构机严格按照设计路线前进提供重要施工依据，保证盾构施工的质量及盾构区间的准确贯通，该方法包括以下步骤：
a.开机打开自动测量导向系统，首先进行数据通讯判断，若数据通讯无法连接，进行数据通讯检查，若数据通讯连接成功后进行测站与目标点位之间的学习，控制点上全站仪一5通过后视棱镜1进行自身定位，控制点上全站仪二8以全站仪一5上的棱镜作后视进行自身定位。
b.利用计算机程序驱动全站仪一5先照准后视棱镜1，然后照准全站仪二8上方的棱镜，进行正倒镜测量。完成全站仪一5到全站仪二8方位、距离信息的数据传递，全站仪一5工作完成。利用计算机程序驱动全站仪二8旋转镜头搜索全站仪一5的棱镜，此时将全站仪一5上的棱镜默认为后视，完成方位定向后转至盾构方向搜索盾构机上的目标棱镜一9、目标棱镜二11，并根据计算机程序依次瞄准测量盾构机上固定位置上目标棱镜一9、目标棱镜二11。进行正倒镜测量，通过测量得到与目标棱镜一9、目标棱镜二11的斜距、水平角度、垂直角度，并传输计算机14。利用监视摄像头15由无线路由器16传输坡度角及回转角的测量仪10测量的盾构机的坡度角及回转角图像中的测量数据，输入到工业计算机14程序内。
c. 计算机通过程序计算得到目标棱镜一9、目标棱镜二11的三维坐标 (X1，Y1，Z1)、(X2，Y2，Z2)。程序利用两个目标棱镜点的坐标和盾构机的坡度角及回转角进行坐标换算，就可以得到盾构的切口中心坐标和盾尾中心坐标。计算机程序会自动与预先输入系统内隧道设计轴线数据上等距离分布的点坐标，进行比较计算，得出此时的盾构机的切口和盾尾中心的位置误差即盾构机切口、盾尾的平面偏差和高程偏差，即最后的测量成果。
实施例二：
以潘广路~逸仙路电力电缆隧道工程二标工程为例。该工程隧道全长5.18Km，分四个工作井进行施工，本标段隧道全长5.18Km，其中8#~9#、9#~10#区间隧道采用一台Φ4320泥水平衡盾构机施工，隧道内径为3.5m；隧道轴线分为直线段、左转弯段、右转弯段三种形式。由于盾构区间转弯半径小，盾构机前方设备较多，测量空间狭小，造成隧道内通视条件差，测量条件恶劣，故采用本方法进行自动导向测量。
由于盾构机头部的局限性再加上该段盾构区间转弯半径小，导致传统自动导向测量需要频繁转站，而每一个测站的距离又很短，不能保证相对测量的相对精度。利用自动测量导向系统的同时，还需人工测量进行复核，从而进一步确定该方法的优缺点、精度等问题。
Claims (5)
1.一种用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统，包括计算机(14)、全站仪、自动整平基座(7)、坡度角及回转角的测量装置(10)、地址通讯装置，其特征在于：在盾构施工前,在盾构机千斤顶底座顶板处设置两个目标棱镜，在盾构机拼装机固定立柱上安装坡度角及回转角的测量仪(10)，由两个前视的目标棱镜和坡度角及回转角的测量仪(10)组合进行出盾构姿态的测量；在盾构机台车后部的测量平台上设置全站仪一(5)，位于全站仪一(5)后方的测量平台上设置后视棱镜(1)，位于全站仪一(5)前方的可移动测量平台(6)上通过自动整平基座(7)安装全站仪二(8)；所述全站仪二(8)通过目标棱镜及全站仪二(8)上的棱镜和全站仪一(5)通过后视棱镜(1)及全站仪一(5)上的棱镜测量盾构机不断前行的轨迹，并将测量信号通过地址通讯装置传输给计算机(14)；所述坡度角及回转角的测量仪(10)测量盾构机的坡度角和回转角，由监视摄像头(15)通过无线路由器(16)传输坡度角及回转角的测量仪(10)测量的盾构机的坡度角及回转角图像中的测量数据到计算机(14)，由计算机(14)及应用程序控制全站仪的运行，并计算出盾构机切口、盾尾的平面偏差和高程偏差值。
2.根据权利要求1所述的用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统，其特征在于：所述盾构机的坡度角和回转角包括水平角,垂直角和边长及各棱镜的三维坐标。
3.根据权利要求1所述的用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统，其特征在于：所述全站仪一、二（5，8）分别通过Y线电缆(4)连接地址通讯装置，所述地址通讯装置包括RS232串口转无线通信传输子盒(2)和12V直流移动电源(3)。
4.根据权利要求1所述的用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统，其特征在于：所述计算机(14)的接口上设置网络通讯装置，所述的网络通讯装置包括RS232串口转无线通信传输母盒（12）和交流电源220V。
5.一种权利要求1-4任一所述的用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统的使用方法，其特征在于，通过用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统，实时获得盾构机相对于盾构区间设计中心线的偏差及其姿态，为盾构机严格按照设计路线前进提供重要施工依据，保证盾构施工的质量及盾构区间的准确贯通，该方法包括以下步骤：
a. 开机打开用于泥水平衡盾构机的自动测量导向系统，完成测站与目标点位之间的学习，控制点上全站仪一(5)通过后视棱镜(1)进行自身定位，控制点上全站仪二(8)以全站仪一(5)上的棱镜作后视进行自身定位；
b.通过计算机驱动全站仪一(5)先照准后视棱镜(1)，然后照准全站仪二(8)上方的棱镜，进行正倒镜测量，完成全站仪一(5)到全站仪二(8)方位、距离信息的数据传递，全站仪一(5)工作完成；通过计算机驱动全站仪二(8)旋转镜头搜索全站仪一(5)上的棱镜，此时将全站仪一(5)上的棱镜默认为后视，完成方位定向后转至盾构方向搜索盾构机上的目标棱镜一(9)、目标棱镜二(11)，并根据计算机程序依次瞄准测量盾构机上固定位置上目标棱镜一(9)、目标棱镜二(11)；进行正倒镜测量，通过测量得到与两个目标棱镜的斜距和水平角度垂直角度并传输工业计算机(14)，利用监视摄像头(15)通过无线路由器(16)传输坡度角及回转角的测量仪(10)测量的盾构机的坡度角及回转角图像中的测量数据，输入到计算机(14)程序内；
c. 计算机通过程序计算得到目标棱镜一(9)、目标棱镜二(11)的三维坐标，程序利用目标棱镜一(9)、目标棱镜二(11)的三维坐标和盾构机的坡度角及回转角进行坐标换算，得到盾构的切口中心坐标和盾尾中心坐标；计算机程序会自动与预先输入计算机内的隧道设计轴线数据上等距离分布的点坐标，进行比较计算，得出此时的盾构机的切口和盾尾中心的位置误差即盾构机切口、盾尾的平面偏差和高程偏差，即最后的测量成果。
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2017
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