CN110763144A - 一种快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置及方法，该装置包括支架、双头激光测距仪和转动机构，支架包括底部横梁、立柱、连接梁和支腿；在立柱的顶端设置有安装板，转动机构包括固定在安装板上的测量伺服电机和角度传感器，双头激光测距仪的壳体背面中心位置通过螺栓与角度传感器的中心螺杆固定连接，测量伺服电机的输出轴与角度传感器对应连接，在横梁两端的底部以及支腿的底端均设有万向轮。本发明能够快速、准确测量盾构管片隧道的内径尺寸，明确管片隧道内径与标准圆模型之间的偏差，便于根据实时测量数据及时纠偏，对控制管片隧道结构的安全性具有重要意义。

Description

一种快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及盾构掘进施工地下隧道工程技术领域，具体涉及一种快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置及方法。

背景技术

随着我国大量地铁、地下管廊的施工建设，大量地下工程采用盾构法隧道施工，地铁盾构隧道的衬砌一般由管片拼装而成，存在大量接头是其最显著的特征，接头的存在对于隧道结构的力学性能有极大的影响，一旦拼装尺寸（圆度）偏差过大，接头发生较大变形将会产生应力集中现象，导致管片错台，严重时会致使管片开裂，引起渗漏水等一系列危害，拼装尺寸（圆度）偏差过大将导致盾尾刷与管片外部贴合不紧密，盾尾密封失效，管片外泥浆涌入在建隧道内，管片隧道外泥土流失造成空洞，导致地面沉降坍塌，影响地表道路及建筑物的安全。对盾构设备及人员生命安全构成严重威胁。因此，准确全面地及时测量盾构管片隧道的拼装圆度尺寸偏差，根据实时测量数据及时纠偏，对控制管片隧道结构的安全性具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置及方法，能够快速测量管片隧道内径尺寸及变形。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置，包括支架、双头激光测距仪和转动机构，

所述支架包括底部横梁、竖向垂直固定在所述横梁中心上部的立柱、横向垂直设置在所述横梁中心位置一侧的连接梁，以及斜向设置的支腿，所述支腿的底端与所述连接梁的外端铰接，所述连接梁与横梁之间通过转轴铰接，使所述连接梁可沿转轴上下转动；在所述立柱的顶端固定设置有安装板，所述支腿的顶端与所述安装板底部铰接；

所述转动机构包括固定设置在所述安装板上的测量伺服电机和角度传感器，所述双头激光测距仪的壳体背面中心位置通过螺栓与所述角度传感器的中心螺杆固定连接在一起，所述测量伺服电机的输出轴与角度传感器对应连接，所述测量伺服电机的输出轴、角度传感器和双头激光测距仪三者的中心线位于同一轴线上；所述测量伺服电机、角度传感器分别通过导线与双头激光测距仪的内置控制器连接；

在所述横梁两端的底部以及支腿的底端均设有万向轮。

在上述技术方案中，支架用于放置在待测量的管片隧道的底部，并保持调平状态，测量伺服电机用于带动角度传感器和双头激光测距仪转动，角度传感器用于预设转动角度，控制双头激光测距仪的测量点，在不同的角度测量点测量管片隧道一个断面的内部直径，得到的测量数据与标准圆数据进行对比，即可得到测量的管片隧道内径尺寸的偏差，根据实时测量数据及时纠偏。

优选的，所述支腿为可伸缩支腿，包括中空结构的上部套筒和下部套筒，所述下部套筒的顶部套装在所述上部套筒内，在所述上部套筒内固定设置有调节伺服电机，所述调节伺服电机的输出轴连接有丝杆，所述下部套筒的顶部端口处固定设置有丝杆螺母，所述丝杆螺母转动套装在所述丝杆上，所述调节伺服电机带动丝杆转动，用于调整下部套筒上下移动。采用可伸缩支腿，可以调整支腿的高度，用于在测量前调平支架，使支架上部的安装板处于水平位置。

优选的，在所述底部横梁下部设有重力水囊；所述重力水囊为橡胶材质，其边缘通过螺栓固定于所述横梁的下部。通过在重力水囊内注水，在水的重力作用下，支架会在管片隧道底部左右移动，直至重心稳定时，测量装置中心线最终与隧道底中心线自动重合一致，在这一位置上对支架进行调平即可开始测量，有利于增加测量的准确性，减少误差。

优选的，所述双头激光测距仪包括壳体，在所述壳体的上端面和下端面各设有一组激光发射和接收窗，在所述壳体内部对应位置分别设置有激光发射器和激光接收器，在所述壳体的上端面和下端面上还分别设有圆水准器。双头激光测距仪上下两端各设置一组激光测距部件，双头激光测距仪在一个角度上测量一次，就可以测出管片隧道在该角度上的直径大小，测量伺服电机带动角度传感器和双头激光测距仪转动180度，即可完成对管片隧道一个断面360度的测点测量。壳体上下两端面上设置的圆水准器用于显示该双头激光测距仪的初始位置是否调平（竖直状态）。

优选的，在所述安装板上设有圆形水准泡，用于监测安装板是否调平。

优选的，在所述安装板上还设置有重力传感器。

本发明还涉及一种快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的方法，采用上述的测量装置，包括下列步骤：

（1）将该测量装置置于管片隧道内底部，向所述重力水囊内注水，底部横梁两端的万向轮在重力水囊内水的重力作用下在隧道底部左右滑移，测量装置中心线最终与隧道底中心线自动重合一致；通过调节伺服电机带动丝杆转动，调节支腿伸缩，使安装板上的圆形水准泡居中，实现测量装置的调平；

（2）检查所述双头激光测距仪的水准泡是否居中，打开双头激光测距仪；打开平板电脑，通过无线蓝牙连接激光测距仪，实现无线通信；设置双头激光测距仪上端和下端的测量起点为测距仪的中点，模式设置为测量距离；

（3）设置每测点偏转角度或测点数，控制双头激光测距仪开始工作，测量伺服电机及角度传感器旋转，带动双头测距仪旋转，当双头激光测距仪旋转到设定角度时，测量伺服电机停止转动，双头激光测距仪上下两端分别发出测试激光并存储测试距离数据，即完成一次测试；然后测量伺服电机再次转动，带动双头激光测距仪旋转到下一个设定角度，进行下一次测试，如此循环，完成管片隧道圆周数据的测量；

（4）将步骤（3）所得的测量数据与标准管片圆模型进行对比，即可获得管片隧道的尺寸偏差量。

优选的，步骤（4）中，平板电脑通过无线接收器将步骤（3）获得的测量数据发送到上位机，根据测量数据拟合生成隧道断面图形，与标准理论数据偏差分别显示在相应断面空间位置，如此即可直观反映出测量的管片隧道尺寸偏差量。

本发明的有益效果在于：

本发明采用双头激光测距仪对管片隧道的断面内径进行测量，通过测量伺服电机带动角度传感器和双头激光测距仪转动，通过角度传感器预设转动的角度和测量点，双头激光测距仪转动180度即可完成对管片隧道一个断面的内径测量，将获得的测量数据与标准圆数据进行对比，即可获得该管片隧道的内径尺寸偏差，便于工作人员及时纠偏。本发明中的支架采用可伸缩支腿，便于调节支架的水平位置，采用重力水囊，通过水的重力作用使支架左右摆动直至重心稳定，使支架中心线与隧道底中心线自动重合一致，以提高测量精度，减少误差。

本发明测量装置便于操作，支架方便调平，测量精度高、误差小，能够实现管片隧道断面内径尺寸的快速测量，测量结果更加准确，使工作人员能够快速获取管片隧道内径尺寸的偏差，有利于快速获取管片的状态、及时纠偏，，对控制管片隧道结构的安全性具有重要意义。

附图说明

图1是本发明快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置的结构示意图；

图2是图1中测量装置支架上部的放大图；

图3是图1中测量装置的正面结构示意图；

图4是图1中测量装置在管片隧道内的工作状态图；

图中标号：1双头激光测距仪；2激光发射和接收窗；3圆水准器；4存储卡槽；5 type-c充电、数据二合一接口；6角度传感器；7测量伺服电机；8安装板；9重力传感器；10横梁，11支腿，12调节伺服电机；13立柱，14丝杆；15连接梁，16重力水囊，17万向轮；18上部套筒，19下部套筒，20管片隧道。

具体实施方式

下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。

实施例1：快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置，参见图1-图2，包括支架、双头激光测距仪1和转动机构。

支架包括底部横梁10、竖向垂直固定在横梁10中心上部的立柱13、横向垂直设置在横梁10中心位置一侧的连接梁15，以及斜向设置的支腿11，支腿11的底端与连接梁15的外端铰接，连接梁15与横梁10之间通过转轴铰接，使连接梁15可沿转轴上下转动；在立柱13的顶端固定设置有安装板8，支腿11的顶端与安装板8底部铰接。

转动机构包括固定设置在安装板8上的测量伺服电机7和角度传感器6，双头激光测距仪1的壳体背面中心位置通过螺栓与角度传感器6的中心螺杆固定连接在一起，测量伺服电机7的输出轴与角度传感器6对应连接，测量伺服电机7的输出轴、角度传感器6和双头激光测距仪1三者的中心线位于同一轴线上；测量伺服电机7、角度传感器6分别通过导线与双头激光测距仪1的内置控制器连接；在横梁10两端的底部以及支腿11的底端均设有万向轮17。

其中，支腿11为可伸缩支腿，包括中空结构的上部套筒18和下部套筒19，下部套筒19的顶部套装在上部套筒18内，在上部套筒18内固定设置有调节伺服电机12，调节伺服电机12的输出轴连接有丝杆14，下部套筒19的顶部端口处固定设置有丝杆螺母，丝杆螺母转动套装在丝杆14上，调节伺服电机12带动丝杆14转动，用于调整下部套筒19上下移动。

在底部横梁10下部设有重力水囊16；重力水囊16为橡胶材质，其边缘通过螺栓固定于横梁10的下部。

述双头激光测距仪1包括壳体，在壳体的上端面和下端面各设有一组激光发射和接收窗2，在壳体内部对应位置分别设置有激光发射器和激光接收器，在壳体的上端面和下端面上还分别设有圆水准器3。该双头激光测距仪1的工作原理与现有的单向激光测距仪工作原理相同，不同之处在于上下两端同时测量，直接测量出管片隧道20的内径大小。本实施例中，该双头激光测距仪1还具体包括设置在壳体内的电源开关、内置测量控制器、数据存储卡、数据处理器、无线发送器、长续航锂电池，以及设置在壳体上的功能选择键FNC、清除键C、增加键、减少键、2.2吋液晶显示屏、type-c充电、数据二合一接口5、存储卡槽4、快插控制线接口、螺栓连接口。本领域技术人员可以理解该双头激光测距仪的结构和工作原理，并选择适合的元器件来实现该双头激光测距仪的功能。

在安装板8上设有圆形水准泡。在安装板8上还设置有重力传感器9。

实施例2：一种快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的方法，采用实施例1中的测量装置，包括下列步骤：

（1）将该测量装置置于管片隧道内底部，向重力水囊内注水，底部横梁两端的万向轮在重力水囊内水的重力作用下在隧道底部左右滑移，测量装置中心线最终与隧道底中心线自动重合一致；通过调节伺服电机带动丝杆转动，调节支腿伸缩，使安装板上的圆形水准泡居中，实现测量装置的调平；

（2）检查双头激光测距仪的水准泡是否居中，打开双头激光测距仪；打开平板电脑，通过无线蓝牙连接激光测距仪，实现无线通信；设置双头激光测距仪上端和下端的测量起点为测距仪的中点，模式设置为测量距离；

（3）设置每测点偏转角度或测点数，控制双头激光测距仪开始工作，测量伺服电机及角度传感器旋转，带动双头测距仪旋转，当双头激光测距仪旋转到设定角度时，测量伺服电机停止转动，双头激光测距仪上下两端分别发出测试激光并存储测试距离数据，即完成一次测试；然后测量伺服电机再次转动，带动双头激光测距仪旋转到下一个设定角度，进行下一次测试，如此循环，完成管片隧道圆周数据的测量；

（4）将步骤（3）所得的测量数据与标准管片圆模型进行对比，即可获得管片隧道的尺寸偏差量。

步骤（4）中，平板电脑通过无线接收器将步骤（3）获得的测量数据发送到上位机，，根据测量数据拟合生成隧道断面图形，与标准理论数据偏差分别显示在相应断面空间位置，如此即可直观反映出测量的管片隧道尺寸偏差量。

本发明提供的测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置，测量工作由角度传感器根据设定的旋转角度发送测量指令，通过测量伺服电机工作带动双头激光测距仪旋转，双头激光测距仪接收到指令开始测量并记录存储。测量伺服电机旋转180°即可完成一个断面360°的测点测量。

上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (8)

1.一种快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置，其特征在于，包括支架、双头激光测距仪和转动机构，

所述支架包括底部横梁、竖向垂直固定在所述横梁中心上部的立柱、横向垂直设置在所述横梁中心位置一侧的连接梁，以及斜向设置的支腿，所述支腿的底端与所述连接梁的外端铰接，所述连接梁与横梁之间通过转轴铰接，使所述连接梁可沿转轴上下转动；在所述立柱的顶端固定设置有安装板，所述支腿的顶端与所述安装板底部铰接；

所述转动机构包括固定设置在所述安装板上的测量伺服电机和角度传感器，所述双头激光测距仪的壳体背面中心位置通过螺栓与所述角度传感器的中心螺杆固定连接在一起，所述测量伺服电机的输出轴与角度传感器对应连接，所述测量伺服电机的输出轴、角度传感器和双头激光测距仪三者的中心线位于同一轴线上；所述测量伺服电机、角度传感器分别通过导线与双头激光测距仪的内置控制器连接；

在所述横梁两端的底部以及支腿的底端均设有万向轮。

2.根据权利要求1所述的快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置，其特征在于，所述支腿为可伸缩支腿，包括中空结构的上部套筒和下部套筒，所述下部套筒的顶部套装在所述上部套筒内，在所述上部套筒内固定设置有调节伺服电机，所述调节伺服电机的输出轴连接有丝杆，所述下部套筒的顶部端口处固定设置有丝杆螺母，所述丝杆螺母转动套装在所述丝杆上，所述调节伺服电机带动丝杆转动，用于调整下部套筒上下移动。

3.根据权利要求1所述的快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置，其特征在于，在所述横梁下部设有重力水囊；所述重力水囊为橡胶材质，其边缘通过螺栓固定于所述横梁的下部。

4.根据权利要求1所述的快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置，其特征在于，所述双头激光测距仪包括壳体，在所述壳体的上端面和下端面各设有一组激光发射和接收窗，在所述壳体内部对应位置分别设置有激光发射器和激光接收器；在所述壳体的上端面和下端面上还分别设有圆水准器。

5.根据权利要求1所述的快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置，其特征在于，在所述安装板上设有圆形水准泡。

6.根据权利要求1所述的快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的测量装置，其特征在于，在所述安装板上还设置有重力传感器。

7.一种快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的方法，其特征在于，采用权利要求1中所述的测量装置，包括下列步骤：

（1）将该测量装置置于管片隧道内底部，向所述重力水囊内注水，底部横梁两端的万向轮在重力水囊内水的重力作用下在隧道底部左右滑移，测量装置中心线最终与隧道底中心线自动重合一致；通过调节伺服电机带动丝杆转动，调节支腿伸缩，使安装板上的圆形水准泡居中，实现测量装置的调平；

（2）检查所述双头激光测距仪的水准泡是否居中，打开双头激光测距仪；打开平板电脑，通过无线蓝牙连接激光测距仪，实现无线通信；设置双头激光测距仪上端和下端的测量起点为测距仪的中点，模式设置为测量距离；

（3）设置每测点偏转角度或测点数，控制双头激光测距仪开始工作，测量伺服电机及角度传感器旋转，带动双头测距仪旋转，当双头激光测距仪旋转到设定角度时，测量伺服电机停止转动，双头激光测距仪上下两端分别发出测试激光并存储测试距离数据，即完成一次测试；然后测量伺服电机再次转动，带动双头激光测距仪旋转到下一个设定角度，进行下一次测试，如此循环，完成管片隧道圆周数据的测量；

（4）将步骤（3）所得的测量数据与标准管片圆模型进行对比，即可获得管片隧道的尺寸偏差量。

8.根据权利要求7中所述的快速测量盾构管片隧道内径尺寸偏差的方法，其特征在于，步骤（4）中，平板电脑通过无线接收器将步骤（3）获得的测量数据发送到上位机，根据测量数据拟合生成隧道断面图形，与标准理论数据偏差分别显示在相应断面空间位置，如此即可直观反映出测量的管片隧道尺寸偏差量。

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