CN115522931A - 盾构姿态免搬站测量导向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构姿态免搬站测量导向方法，通过棱镜位置的设置以及全站仪周期交替测量，解决现有技术测量成本高且可靠性低的技术问题。其包括如下步骤：（1）设置激光靶；（2）前后交错设置各棱镜；（3）设置全站仪于盾构机后配套车架；（4）初次设站；（5）全站仪观测激光靶；（6）再次设站并判断所搜索到的棱镜是否正确；（7）按照交替观测法进行观测，完成再次设站；（8）重复步骤（5）‑步骤（7），根据激光靶的测量结果对盾构机前进姿态进行导向。具有测量导向装置成本低、布设操作简单、结果可靠性高的优点。

Description

盾构姿态免搬站测量导向方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种盾构姿态免搬站测量导向方法。

背景技术

隧道盾构法开挖逐渐成为城市地下工程施工的主要手段，盾构机在向前推进以及转弯过程中，要通过导向系统时刻监控盾构机的位置信息，以确定盾构机的掘进轴线，通过调整盾构机的掘进姿态，保证掘进轴线与设计的理论轴线尽量吻合。

现有技术对盾构机的姿态管理主要采用激光导向系统，参见图1，其主要包含全站仪、激光靶和后视棱镜，全站仪与隧道管片固定连接，激光靶与盾构机中盾固定连接，在转弯过程中，随着盾构机的前进，全站仪位置保持不变，而固定在中盾上的激光靶相对全站仪的位置就会越来越远。在掘进一段距离和角度后，由于角度偏差或者盾构机内部设备阻挡，激光靶无法捕捉全站仪发射的激光，这时就需要全站仪向前搬站。全站仪搬站后要对其位置坐标重新进行标定，操作复杂；若在小半径曲线上，由于测量窗口开设较小，需要将全站仪的位置尽量靠前，但由于刚拼装完成的管片会发生上浮或转动，全站仪的位置也会随之发生变化，造成激光全站仪超出坐标误差，需要人员对其坐标重新标定，并造成一定的定位误差。

发明人知晓的 一种免换站式的盾构导向系统（CN215057377U）公开了该导向系统全站仪底端固定设有自动安平基座，所述全站仪通过自动安平基座固定安装在台车上，所述后视棱镜顶部设有垂直机构。

但本申请发明人在实现本申请实施例中技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：设备复杂且可靠性低，该技术方案中后视棱镜为马达棱镜，测量时需要通过通讯接口与全站仪连接对其进行控制，不仅增加了成本，同时也增加了导向系统的故障发生率。

公开于该背景技术部分的信息仅用于加深对本公开的背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了一种盾构姿态免搬站测量导向方法，通过棱镜位置的设置以及全站仪周期交替测量，解决现有技术测量成本高且可靠性低的技术问题。

根据本公开的一个方面，提供一种盾构姿态免搬站测量导向方法，包括如下步骤：

（1）设置激光靶于盾构机测量窗口内，调整所述激光靶使其轴线与盾构机轴线平行；

（2）固定棱镜一、棱镜二于隧道管壁上，且各棱镜于盾构前进方向上前后交错设置；

（3）通过自动安平基座设置全站仪于盾构机后配套车架上，所述自动安平基座与全站仪间设有减震螺栓；

（4）初次设站，全站仪采用后方交会法设站，驱动全站仪分别观测两棱镜，获取全站仪距两棱镜的距离S1、S2及夹角α；

（5）驱动全站仪观测激光靶，获取盾构机姿态信息；

（6）再次设站，全站仪根据初始设站观测角度自动搜寻两棱镜，并通过全站仪前进距离L预估全站仪距两棱镜距离

=S1+L、

=S2+L，根据全站仪距离两前后交错布设棱镜的距离差异，判断所搜索到的棱镜是否正确，若搜索正确，重复步骤（5），否则将此测量信息记录至另一棱镜下，且根据两棱镜间距离S，预估

和

间夹角

,并驱动全站仪转动

角度寻找另一棱镜；

（7）根据上次设站最后观测棱镜，按照棱镜一-棱镜二-棱镜一或棱镜二-棱镜一-棱镜二的交替观测法进行三次观测，对于重复观测的棱镜信息进行均化计算，根据均化结果和另一棱镜测量信息完成再次设站；

（8）重复步骤（5）-步骤（7），根据激光靶的测量结果对盾构机前进姿态进行导向。

在本公开的一些实施例中，在所述步骤（2）中，所述两棱镜沿盾构前进方向上前后距离差值为30-50m。

在本公开的一些实施例中，在所述步骤（3）中，所述全站仪安装位置保证其与所述两棱镜视野通透无遮挡。

在本公开的一些实施例中，在所述步骤（6）中，判断所搜索到的棱镜是否正确是通过比较该棱镜实际观测距离与预估距离

，若二者间差值小于0.02m，则判断为搜索正确。

在本公开的一些实施例中，在所述步骤（6）中，所述夹角

。

在本公开的一些实施例中，在所述步骤（7）中，所述均化计算包括计算两次观测距离值的平均数、计算两次观测方位角的平均值。

在本公开的一些实施例中，在所述步骤（8）中，由于盾构机转弯导致全站仪与任一棱镜间不通透或者当全站仪连续出现棱镜搜寻错误三次以上且确认全站仪与棱镜间无遮挡时，需要按步骤（2）所述布设方法前移棱镜。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下任一技术效果或优点：

1.再次设站前根据全站仪随盾构机前进距离进行预估计算，且各棱镜在沿盾构前进方向上前后交错布设，提供了棱镜搜寻结果的判断依据，因此有效解决了现有技术中采用马达棱镜所导致的安装布线及移动时繁琐复杂的操作、成本增加、系统故障率提升的问题，进而实现了普通棱镜代替马达棱镜，在降低施工成本的同时保证测量导向效果。

2.采用了交替测量法设站，将全站仪随盾构机前进的动态过程引入，通过对同一棱镜的首尾两组测量数据均化处理，有效减小全站仪位置移动所导致的测量误差，保证了测量数据的可靠性。

3.全站仪与自动安平基座间采用减震螺栓连接，较大程度的减小了掘进震动对全站仪稳定状态的影响，解决了自动安平底座只能在大倾斜角度下才能进行调整，且无法实现减震的技术问题，实现了全站仪相对稳定状态的保持，进而保证了导向系统工作的连续性和稳定性。

附图说明

图1为现有盾构姿态导向系统结构示意图。

图2为本申请一实施例中盾构姿态免搬站导向方法流程图。

图3为本申请一实施例中全站仪与自动安平基座连接结构示意图。

图4为本申请一实施例中全站仪、棱镜及激光靶的布设示意图。

图5为本申请一实施例中棱镜布设及预估算法示意图。

以上各图中，1为隧道管壁，2为盾构机刀盘，3为后视棱镜，31为棱镜1，32为棱镜2，4为全站仪，40为移动后的全站仪，5为激光靶，6为中央控制箱，7为工业电脑，8为无线收发模块，9为自动安平基座，10为减震螺栓，11为盾构机后车架。

具体实施方式

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位，因此不能理解为对本申请的限制。

以下实施例中所涉及或依赖的程序均为本技术领域的常规程序或简单程序，本领域技术人员均能根据具体应用场景做出常规选择或者适应性调整。

以下实施例中所涉及的器件，如无特别说明，则均为常规市售产品。

为了更好的理解本申请技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本例公开一种盾构姿态免搬站测量导向方法，参见图2，包括如下步骤：

（1）设置激光靶于盾构机测量窗口内，调整所述激光靶使其轴线与盾构机轴线平行。

盾构机在设计和制造时会预留测量窗口，用于盾构机掘进姿态的测量。本实施例中，在盾构机测量窗口内安装激光靶，通过全站仪发射出的激光束实现盾构机前进角度和距离的判断。激光靶在安装时，需要调整其轴线与盾构机轴线大致平行，倾斜值小于1度，且需保证全站仪对激光靶进行测量时入射角保持在可靠测量区间内，横向每米偏差不超过12cm，坡度不大于每米15cm，由此避免入射角过大导致光斑过大进而影响测量精度的问题。

（2）固定棱镜一、棱镜二于隧道管壁上，且各棱镜于盾构前进方向上前后交错设置。

本实施例中，采用两个棱镜参与设站测量，全站仪采用边角后方交会设站，两棱镜分别装设于隧道管壁两侧，尽可能增大其二者与全站仪间的夹角，避免夹角过小导致全站仪观测困难造成的测量失误，且各棱镜的布设位置需与全站仪间视野通透，避免内隧洞内其他设施或结构影响全站仪观测各棱镜。且两棱镜为普通棱镜，无需布线通讯等操作，有效减少了装机工作量和故障发生率。两棱镜可直接通过对应的架体通过螺栓固定于隧洞管壁上，且两者在沿盾构机前进方向上前后交错布置，二者沿盾构机前进方向上前后差异距离处于30-50m范围内，以便于全站仪工作时能正确搜寻棱镜，在本实施例中，两棱镜在沿盾构机前进方向上的距离差值设为40m。

在其它的一些实施例中，设置三个棱镜于隧道内，用以提高测量的精度，三个棱镜分别沿盾构机前进方向上前后交错布设，任意相邻两棱镜间沿盾构机前进方向上前后差异距离为30-50m，且任意两棱镜与全站仪间的夹角尽可能的设为最大，避免夹角过小导致全站仪观测困难造成的测量失误，且各棱镜的布设位置需与全站仪间视野通透，避免内隧洞内其他设施或结构影响全站仪观测各棱镜。

（3）通过自动安平基座设置全站仪于盾构机后配套车架上，所述自动安平基座与全站仪间设有减震螺栓。

为了避免现有固定于管壁上的全站仪多次搬站所导致复杂搬站操作，以及全站仪搬站后为比较搬站前后测量结果所导致的盾构机停机影响施工进度，参见图3，故将全站仪设置在盾构机后配套车架上，随盾构机的掘进而持续前进，且需保证全站仪与管壁上各棱镜间视野通透，参见图4，避免车架上设备遮挡观测视线。由于车架在隧洞内前进时受平整度的影响，会到这车架移动过程中出现倾斜的现象，进而使的全站仪水准气泡来回移动，无法达到工作要求，故在全站仪与车架间设置自动安平基座，以抵消车架的倾斜，保证全站仪水准气泡始终处于居中状态。此外，自动安平基座并不具备减震效果，而盾构机在掘进时，由于刀盘切削岩体会导致震动，此震动会沿着车架传递给全站仪，造成测量误差甚至是测量失败，因此，在全站仪和自动安平基座间设置减震螺栓，以减小掘进时震动对全站仪稳定状态的影响。

（4）初次设站，全站仪采用后方交会法设站，驱动全站仪分别观测两棱镜，获取全站仪距两棱镜的距离S1、S2及夹角α。

各棱镜、激光靶及全站仪安装设置完毕后即可开始进行测量工作。初始时，首先根据控制网已知点在全站仪中记录各棱镜位置坐标信息，然后由人工操控全站仪分别对棱镜一和棱镜二进行粗瞄，并由全站仪自动进行棱镜搜索，分别获取全站仪距棱镜一的距离S1，全站仪距棱镜二的距离S2，以及全站仪与两棱镜间夹角α，通过全站仪的后方交会功能，由此自动计算全站仪所在点坐标位置信息。

（5）驱动全站仪观测激光靶，获取盾构机姿态信息。

根据步骤（4）中全站仪的坐标位置信息，即已知全站仪的确定坐标信息，由此驱动全站仪观测激光靶，获取激光靶位置信息如水平角、距离L等，进而判断盾构机实际前进的姿态是否与设计前进曲线一致，并做出相应适应性调整。

（6）再次设站，全站仪根据初始设站观测角度自动搜寻两棱镜，并通过全站仪前进距离L预估全站仪距两棱镜距离

=S1+L、

=S2+L，根据全站仪距离两前后交错布设棱镜的距离差异，判断所搜索到的棱镜是否正确，若搜索正确，重复步骤（5），否则将此测量信息记录至另一棱镜下，且根据两棱镜间距离S，预估

和

间夹角

,并驱动全站仪转动

角度寻找另一棱镜。

由于全站仪设置在盾构机后配套车架上，会随着盾构机的前进与之一起前移，故全站仪的坐标位置会发生变化，因此无法以初次设站所获取的全站仪坐标位置信息为基础，对激光靶进行观测，需要对全站仪进行再次设站，重新获取全站仪坐标位置信息，以最新设站数据对激光靶进行观测，得到盾构机前进姿态信息。

再次设站时，仍需对两棱镜进行观测，但由于盾构机外部环境的限制或前进距离较远后会导致两棱镜与全站仪间的夹角过小，出现全站仪搜寻目标棱镜错误的情况。参见图5，为了保证全站仪搜寻目标棱镜的准确性，需要对目标棱镜的位置进行预估，由于全站仪随盾构机移动且移动距离为L，预估计算移动后全站仪距两棱镜间距离

=S1+L、

=S2+L，并以此为根据判断棱镜搜寻的正确性。

由于两棱镜在沿盾构机前进方向上前后交错布置，故根据全站仪距离两前后交错布设棱镜的距离差异，判断所搜索到的棱镜是否是目标棱镜。全站仪根据初始设站进行棱镜观测时所使用的角度自动转动至对应位置，在该位置附近进行棱镜的自动搜寻，搜索到棱镜后，经测量，比较测量信息与对应预估距离

间的差异，若实测距离与预估距离差值小于0.02m，则可判定为搜寻正确，否则，将测量信息记录至与目标棱镜相异的另一棱镜信息下，并由控制网已知坐标所得到两棱镜距离S，根据余弦定理预估

和

间夹角

，以此夹角为搜寻依据，驱动全站仪转动相应角度搜索目标棱镜。由于两棱镜前后交错布置，且距离差异为30-50m，该较大的距离差异保证了判断的准确性，提高了其可靠性，避免了使用复杂棱镜装置，减少了工作量和出错率。

（7）根据上次设站最后观测棱镜，按照棱镜一-棱镜二-棱镜一或棱镜二-棱镜一-棱镜二的交替观测法进行三次观测，对于重复观测的棱镜信息进行均化计算，根据均化结果和另一棱镜测量信息完成再次设站。

根据步骤（6）可完成对两棱镜的再次测量，但是由于在对两棱镜的测量的过程中，全站仪并非静止状态，其随盾构机前移，故为保证设站准确性，采用交替观测法进行测量。其按照棱镜一-棱镜二-棱镜一或棱镜二-棱镜一-棱镜二的顺序进行观测，由于首尾观测棱镜为同一棱镜，因此引入了该动态过程中起始和结束位置信息，对首尾同一棱镜的观测信息进行均化计算，即对其距离观测值和水平角观测值分别取平均数，以该均化结果和另一棱镜的测量信息完成较高可信度的再次设站。

在其他的一些实施例中设有三个后视棱镜，在对其采用交替观测法进行再次设站时，依照棱镜一-棱镜二-棱镜三-棱镜一或棱镜二-棱镜三-棱镜一-棱镜二或棱镜三-棱镜一-棱镜二-棱镜三的顺序进行观测，对首尾重复测量的棱镜信息取平均值，由此完成再次设站。

（8）重复步骤（5）-步骤（7），根据激光靶的测量结果对盾构机前进姿态进行导向。

再次设站完成后，即可以该站点信息对激光靶进行观测，指导盾构机姿态调整。但当由于盾构机掘进距离较远导致全站仪与个棱镜间夹角过小，观测经常出现后视困难，或者在曲线线路上由于盾构机转弯，全站仪无法观测到后视棱镜时，需要调整各棱镜位置，对各棱镜进行前移，且前后交错布置规则和距离不变。由此实现低成本高可靠性的对盾构机前进姿态进行测量导向。

尽管已描述了本发明的一些优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型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申请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 (7)

1.一种盾构姿态免搬站测量导向方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）设置激光靶于盾构机测量窗口内，调整所述激光靶使其轴线与盾构机轴线平行；

（2）固定棱镜一、棱镜二于隧道管壁上，且各棱镜于盾构前进方向上前后交错设置；

（3）通过自动安平基座设置全站仪于盾构机后配套车架上，所述自动安平基座与全站仪间设有减震螺栓；

（4）初次设站，全站仪采用后方交会法设站，驱动全站仪分别观测两棱镜，获取全站仪距两棱镜的距离S1、S2及夹角α；

（5）驱动全站仪观测激光靶，获取盾构机姿态信息；

（6）再次设站，全站仪根据初始设站观测角度自动搜寻两棱镜，并通过全站仪前进距离L预估全站仪距两棱镜距离

=S1+L、

=S2+L，根据全站仪距离两前后交错布设棱镜的距离差异，判断所搜索到的棱镜是否正确，若搜索正确，重复步骤（5），否则将此测量信息记录至另一棱镜下，且根据两棱镜间距离S，预估

和

间夹角

，并驱动全站仪转动

角度寻找另一棱镜；

（7）根据上次设站最后观测棱镜，按照棱镜一-棱镜二-棱镜一或棱镜二-棱镜一-棱镜二的交替观测法进行三次观测，对于重复观测的棱镜信息进行均化计算，根据均化结果和另一棱镜测量信息完成再次设站；

（8）重复步骤（5）-步骤（7），根据激光靶的测量结果对盾构机前进姿态进行导向。

2.根据权利要求1所述的盾构姿态免搬站测量导向方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，所述两棱镜沿盾构前进方向上前后距离差值为30-50m。

3.根据权利要求1所述的盾构姿态免搬站测量导向方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，所述全站仪安装位置保证其与所述两棱镜视野通透无遮挡。

4.根据权利要求1所述的盾构姿态免搬站测量导向方法，其特征在于，在所述步骤（6）中，判断所搜索到的棱镜是否正确是通过比较该棱镜实际观测距离与预估距离

，若二者间差值小于0.02m，则判断为搜索正确。

5.根据权利要求1所述的盾构姿态免搬站测量导向方法，其特征在于，在所述步骤（6）中，所述夹角

。

6.根据权利要求1所述的盾构姿态免搬站测量导向方法，其特征在于，在所述步骤（7）中，所述均化计算包括计算两次观测距离值的平均数、计算两次观测方位角的平均值。

7.根据权利要求1所述的盾构姿态免搬站测量导向方法，其特征在于，在所述步骤（8）中，由于盾构机转弯导致全站仪与任一棱镜间不通透或者当全站仪连续出现棱镜搜寻错误三次以上且确认全站仪与棱镜间无遮挡时，需要按步骤（2）所述布设方法前移棱镜。

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