本发明涉及箱涵顶进施工技术，特别是涉及一种箱涵顶进纵向坡度的调整装置及其控制方法。
背景技术：
近年来，随着我国道路建设步伐的加快，出现了许多铁路与公路的平交路口，为了缓解交通压力，提高通行的安全性，下穿铁路箱涵成为解决这一问题的常见形式。箱涵顶进方法是在既有线路下方顶进钢筋混凝土箱涵，形成不同的地下交通通道，以方便车辆的通行。箱涵顶进一般的施工流程为，在铁路线顶进的一侧开挖工作基坑，并做好工作基坑防护，然后在坑内浇筑滑板，在滑板上现场浇筑钢筋混凝土箱涵，再在离箱涵尾部不远处打入板桩修筑后背，在后背与箱涵底板之间安装顶进设备，加固既有线路。当箱涵顶进前方挖土完成一个顶程后，开动高压油泵，使千斤顶受液压力而产生顶力，推动箱身前进，箱身前进后使千斤顶的活塞回复原位，在空挡处填放顶铁，以待下次开镐，如此循环往复，直至箱身就位。该方法具有造价低，施工速度快，不中断交通的特点，因此被广泛用于箱形桥、地道桥和涵洞工程中。
然而在实际的施工过程中，箱涵顶进过程是一个较难控制的过程，经常会产生一系列的施工问题。最常见的工程问题是箱涵顶进时的“扎头”现象，这种现象出现的主要原因有：(1)软土地基地下水位高导致的地基承载力小；(2)工作面开挖方式不当；(3)滑板设置方式不合理；(4)线上荷载及施工机械的外力作用。除此之外，不同的施工方法，顶程的大小，箱涵顶部有无覆盖土也会影响箱涵“扎头”。与箱涵顶进“扎头”现象相对的工程问题就是“抬头”现象，引起箱涵“抬头”的原因主要有：(1)为预防“扎头”在箱涵前端设置的船头坡或者滑板预留仰坡过大；(2)在开挖工作面时欠挖导致箱涵底板切土高度过大。总的来说，上述两种工程问题可以归结为顶进箱涵过程中高程的变化问题，在jtg/tf50-2011《公路桥涵施工技术规范》中规定的高程允许偏差：当涵长<15m，允许偏差30mm，-100mm；当15m≤涵长≤30m，允许偏差40mm，-150mm，当30m≤涵长，允许偏差50mm，-200mm。在tb10203-2002《铁路桥涵施工规范》中规定高程偏差为顶程的1％，但不得超过150mm，-200mm。由规范可以看出，在箱涵顶进过程出现轻微的“扎头”和“抬头”属于正常现象，但一旦超过规范允许的高程误差就需要调整。
解决箱涵“扎头”问题的传统方法可以分为两类，预防措施和纠偏措施。预防措施中常见的方法包括：(1)箱涵初顶时，滑板预抬头一定的坡度；(2)在箱体预制时，在底部1m内设置船头坡；(3)做好施工降水；(4)减少顶进前端附加重量对高程的影响；(5)采取合理的工作面开挖方式，控制好开挖面的坡度、宽度和高度；纠偏措施中常见的方法包括：(1)通过换填、注浆、打水泥(生石灰)桩等方法加固前方软弱土体，提高土体的承载力；(2)通过铺筑快硬水泥甚至基底投入轨枕、钢轨滑道抑制“扎头”；(3)采用薄壁钢筋混凝土基础或者铺垫薄钢板与混凝土滑板、后背梁联接成整体(4)对于底板前端安装钢刃角的箱涵可采用两侧刃角上部支顶法(5)也可采用气垫技术抑制“扎头”。
箱涵“抬头”问题相对“扎头”较容易处理，常用的措施有(1)当箱涵抬头量不大时，将开挖底面超挖直到与涵身底面一致；(2)当箱涵抬头量较大时，可在箱涵前挖一定深度的坑，利用箱涵底板带动土体挤入坑内，降低抬头量；(3)还可以在箱涵前端压重物，进行负重顶进。
上述提到的调整箱涵纵向坡度的措施存在一定的缺陷，例如滑板预抬头的坡度，船头坡的坡度往往不可控制，坡度过大会造成箱涵前端“抬头”；坡度过小对箱涵遇软弱地基仍然会“扎头”。其他纠偏措施通过换填地基土、采用滑道接长的方法来提高地基承载力，都需要在连续监测高程的基础上进行，这就需要连续的观测，这对监测人员来说是个不小的挑战。特别是当箱涵的顶进距离较长，需要加固地基的长度很难确定。如果箱涵一旦“扎头”，就将前进方向上剩余所有地基土加固或者滑板接长，难免造成一定的损失。所以整个的纠偏过程需要大量的人力物力，且很难做到实时监控，实时调整。
目前针对上述箱涵纵向坡度的调整方法中存在的问题还没能提出智能化的解决方法。
技术实现要素：
发明目的：为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种箱涵顶进纵向坡度的调整装置及其控制方法，以实现顶进过程中对箱涵的高程实时监控，并及时调整，从而抑制箱涵的“扎头”和“抬头”现象，保证箱涵高程偏差在规范允许的范围内。
技术方案：本发明提供了一种箱涵顶进纵向坡度的调整装置，包括监测系统、分析系统和调整系统，所述监测系统将实时监测到的箱涵前端高程信息传递给分析系统，所述分析系统用于分析高程信息，并将相对高程差与设定预警阈值进行对比，若相对高程差超出设定预警阈值，则向调整系统发出调整指令；所述调整系统根据调整指令控制箱涵顶进的纵向坡度。
优选的，所述检测系统包括后视反射棱镜、激光全站仪和目标棱镜，所述后视反射棱镜作为已知高程的参照点，所述激光全站仪作为测站点用于测量箱涵前端的高程信息，所述目标棱镜布置在箱涵前端顶部中间，作为目标测点反映箱涵前端的高程，所述激光全站仪将监测到的目标棱镜的高程信息传递给分析系统，所述分析系统为计算机。
优选的，所述激光全站仪架设在滑板的侧面，顶进箱涵的后面，保证激光全站仪与目标棱镜能够通视，同时不影响箱涵顶进过程。
优选的，所述调整系统包括控制器、液压千斤顶和切土装置，所述液压千斤顶设置在箱涵底板的前端，分上下两排布置，所述切土装置设置在液压千斤顶的前端，控制器根据分析系统发出的调整指令控制上下两排液压千斤顶的顶力，从而控制切土装置的方向和角度，以调整箱涵顶进的纵向坡度。
优选的，所述每排液压千斤顶的数量根据箱涵的宽度等间隔设置，所述切土装置的侧面形状为坡形，增加抬升力，前端设置成锯齿状，便于快速切土。
优选的，该装置还包括移动终端，所述激光全站仪监测的高程信息上传至局域网，通过移动终端进行查询和实时监督。
本发明还提供了一种箱涵顶进纵向坡度的监测控制方法，该方法采用上述的箱涵顶进纵向坡度的调整装置，包括以下步骤：
(1)监测系统将实时测量到的箱涵前端高程值传递给分析系统；
(2)分析系统将初始测量的高程值与已知高程的参照点的高程值进行比较，得到初始高程差，并将每次测量的高程值与已知高程的参照点的高程值进行比较，得到两者的高程差，然后将该高程差与初始高程差进行比较得到相对高程差，将相对高程差与设定的预警阈值进行对比，根据比较结果向调整系统发出调整指令；
(3)调整系统根据调整指令改变箱涵顶进方向的纵向坡度。
进一步的，所述步骤(2)中预先设定箱涵顶进过程中的预警阈值，采用△hb表示“扎头”阈值，△ht表示“抬头”阈值，具体为：已知高程的参照点的高程值为h0，第一次监测的高程值为h1，初始高程差为h1-h0，然后每顶进一次的高程值为hi，高程差为hi-h0，计算相对高程差δh＝hi-h0-(h1-h0)；判断相对高程差的正负，若为负值，进一步判断其是否大于△hb，若满足，则表明箱涵“扎头”，并计算相对高程差值δh与箱涵长度l的比值的正切值，根据反三角函数求出倾斜的角度α＝arctan(|δh/l|)，即为顶进装置抬升的纵向坡度，同时将抬升的倾角指令发送给控制器；当相对高程差值为正值，进一步判断其是否大于△ht，若满足，则表明箱涵“抬头”，并计算相对高程差值δh与箱涵长度l的比值的正切值，根据反三角函数求出倾斜的角度β＝arctan(|δh/l|)，即为顶进装置下降的纵向坡度，同时将下降的倾角指令发送给控制器；当不满足上述两种情况时，不发出调整指令。
进一步的，所述步骤(3)具体为：当控制器接收到抬升角度α的指令时，根据切土装置前端高度d，计算出液压千斤顶的水平进油量为dtanα，为了保证上下排液压千斤顶的有相同的位移量，加大下排千斤顶的进油量使其伸长0.5dtanα，同时减少上排千斤顶的进油量使其缩短0.5dtanα，从而使切土装置抬升角度为α；当控制器接收到下降角度β的指令时，计算出液压千斤顶的水平进油量为dtanβ，为了保证上下排液压千斤顶的有相同的位移量，减少下排千斤顶的进油量使其缩短0.5dtanβ，加大上排千斤顶的进油量使其伸长0.5dtanβ，从而使切土装置下降角度为β。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)激光全站仪能够自动照准，能自动显示箱涵前端高程并将数据传输给计算机，省去了监测人员手动测量读数的过程，实现了自动跟踪，移动监测、实时共享数据的动态处理程序。
(2)信号接收和指令传输均通过无线通讯技术进行数据的传递，克服了有线传输电缆笨重，容易损坏等缺点，更加方便稳定，实现了对顶进施工现场的远程实时控制。
(3)利用分析程序能更精确的根据高程相对值计算需要调整的角度，准确的计算液压千斤顶的进油量，避免了复杂繁琐的人工测量计算。
(4)本发明组合了监测系统、分析系统和调整系统，使三者系统合作实时控制箱涵顶进时的纵向坡度，是一套自动监测、自动分析、自动调整的全方位一体化系统，可以实现箱涵在高程方向自动纠偏，具有全自动化、坡度易于调整等优势。
附图说明
图1是本发明箱涵顶进纵向坡度调整装置的整体布置图；
图2为箱涵顶进施工立面图；
图3为监测控制过程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。需要说明的是，附图采用非常简化的形式和非精确的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明的目的。
如图1和图2所示，本发明提出的一种箱涵顶进纵向坡度的调整装置，所示调整装置包括监测系统、分析系统和调整系统，所述监测系统包括后视反射棱镜1、激光全站仪2和目标棱镜3；所述后视反射棱镜作为已知高程的参照点；所述激光全站仪作为测站点用于测量箱涵前端的高程信息，所述目标棱镜布置在箱涵8前端顶部中间，作为目标测点反映箱涵前端的高程；所述激光全站仪将监测到的目标棱镜的高程信息传递给分析系统，所述分析系统为计算机4，所述计算机用于分析高程信息，并将相对高程差与预警阈值对比，超出预警阈值范围，发出调整指令；所述调整系统包括控制器5，液压千斤顶6和切土装置7，所述液压千斤顶设置在箱涵底板的前端，分上下两排布置，所述切土装置设置在液压千斤顶的前端，控制器根据分析系统发出的调整指令控制上下两排液压千斤顶的顶力，从而控制切土装置的方向和角度，以调整箱涵顶进的纵向坡度。
在本发明中，在顶进箱涵后方已知高程点处安装后视反射棱镜，已知高程点是根据施工现场提供的测绘数据选取确定的，用于定位激光全站仪的高程。激光全站仪架设在滑板的一侧，顶进箱涵的后面，保证初始顶进时及顶进过程中激光全站仪与目标棱镜能够通视，同时不影响箱涵顶进过程。该激光全站仪具有自动照准、自动识别、自动跟踪和自动传输功能，能对箱涵前端的目标棱镜进行识别并显示高程，同时将高程信息传递给计算机。激光全站仪采用可见激光束，激光等级为最安全的1级，操作时需要注意安全。目标棱镜设置在箱涵顶板前端的中间位置，作为目标测点反映箱涵前端的高程变化，为了使测得的高程数据更加准确，其安装要固定可靠，包裹一层外壳，能防尘、防水。
本发明中，计算机位于工地现场的主控室，该计算机是工业电脑，用于实时接收激光全站仪测量的高程信息数据，其内部集成有智能算法，能进行大量复杂数据实时处理和分析，由于箱涵顶进缓慢，在顶进过程中的高程信息每10s更新一次。计算机中内置预警阈值，该预警阈值参考箱涵施工规范。计算机根据设定的算法和预警阈值，进行实测高程的实时分析，当相对高程差超过预警阈值时，计算出切土装置需要改变的坡度，进而发出调整指令送给控制器；当相对高程差在预警阈值范围内，不做调整。具体为：
计算机中内置《公路桥涵施工技术规范》和《铁路桥梁施工规范》所允许的高程偏差作为顶进过程中的预警阈值，采用△hb表示箱涵“扎头”阈值，该实施例中取30mm，△ht表示箱涵“抬头”阈值，该实施例中取150mm。具体为：已知高程的参照点的高程值为h0，第一次监测的高程值为h1，初始高程差为h1-h0，然后第i次顶进的高程值为hi，高程差为hi-h0，计算该次相对高程差δh＝hi-h0-(h1-h0)；判断相对高程差的正负，若为负值，进一步判断其是否大于△hb，若满足，则表明箱涵“扎头”，并计算相对高程差值δh与箱涵长度l的比值的正切值，根据反三角函数求出倾斜的角度α＝arctan(|δh/l|)，即为顶进装置抬升的纵向坡度，同时将抬升的倾角指令发送给控制器；当相对高程差值为正值，进一步判断其是否大于△ht，若满足，则表明箱涵“抬头”，并计算相对高程差值δh与箱涵长度l的比值的正切值，根据反三角函数求出倾斜的角度β＝arctan(|δh/l|)，即为顶进装置下降的纵向坡度，同时将下降的倾角指令发送给控制器；当不满足上述两种情况时，不发出调整指令。
本发明中，调整系统用来调整该调整装置的纵向坡度，控制器分别与液压千斤顶和计算机连接，内置控制程序，主要实现指令的接收和驱动的传出。液压千斤顶固定安装在顶进箱涵底板的前端，分上下两排布置，每排液压千斤顶的数量根据箱涵的宽度等间隔设置。切土装置设置在液压千斤顶的前端，侧面形状为坡形，增加抬升力，前端设置成锯齿状，便于快速切土。当相对高程差超过预警阈值，控制器根据计算机发出的调整指令，通过一定的控制算法和控制策略，输出驱动指示，从而控制上下两排液压千斤顶的进油量以控制其顶力。当箱涵前端“扎头”时，减少上排千斤顶的进油量，同时增加下排千斤顶的进油量；当箱涵前端“抬头”时，增加上排千斤顶的进油量，同时减少下排千斤顶的进油量；从而控制切土装置的方向和角度，以调整箱涵顶进的纵向坡度。具体为：
当控制器接收到抬升角度α的指令时，根据切土装置前端高度d，计算出液压千斤顶的水平进油量为dtanα，为了保证上下排液压千斤顶的有相同的位移量，加大下排千斤顶的进油量使其伸长0.5dtanα，同时减少上排千斤顶的进油量使其缩短0.5dtanα，从而使切土装置抬升角度为α；当控制器接收到下降角度β的指令时，计算出液压千斤顶的水平进油量为dtanβ，为了保证上下排液压千斤顶的有相同的位移量，减少下排千斤顶的进油量使其缩短0.5dtanβ，加大上排千斤顶的进油量使其伸长0.5dtanβ，从而使切土装置下降角度为β。
本发明中，箱涵顶进纵向坡度的调整装置只包括箱涵纵向高程的监控模块，箱涵水平方向的监控不再叙述，或者通过水平导向墩设置来对箱涵进行水平方向的纠偏。在箱涵顶进前的初始状态下，利用激光全站仪通过瞄准后视反射棱镜确定激光全站仪处的高程。在自动照准模式下，当激光全站仪的目镜大致对准目标棱镜时，激光全站仪就能自动搜索照准目标棱镜的中心；在箱涵顶进过程中，激光全站仪切换到自动跟踪模式，在该模式下，激光全站仪能实时跟踪测量目标棱镜的高程信息，并储存测量数据，同时自动将其传递给计算机，整个过程中，都要保证激光全站仪与目标棱镜通视。计算机将初始测量的高程值与已知高程点的高程值的差值定为初始高程差，并将每次测量的高程值与已知高程点的高程值进行比较，得到两者的高程差值，该高程差与初始高程差进行比较得到相对高程差；在计算机中内置根据规范设定的预警阈值，当相对高程差在预警阈值范围内，不做调整。当相对高程差超过预警范围，计算机输出调整指令给控制器，控制器改变液压千斤顶的进油量，调整切土装置的方向和角度，从而实现对箱涵前端坡度进行控制，防止箱涵前端进一步的“扎头”和“抬头”。
本发明中，激光全站仪测得的原始数据通过无线通讯技术传输到主控室的计算机，同时，监控信息也可以上传至施工现场局域网，现场施工人员可以通过智能手机上网随时查看重要信息，对整个的监测、调整过程进行实时监督。一旦发现系统出现偏差，也可以进行人为的干预和调整，保证箱涵顶进施工顺利进行。
如图3所示，本发明的一种箱涵顶进纵向坡度的监测控制方法，该方法采用上述的箱涵顶进纵向坡度的调整装置，包括以下步骤：
(1)监测系统将实时测量到的箱涵前端高程值传递给分析系统；
(2)分析系统将初始测量的高程值与已知高程的参照点的高程值进行比较，得到初始高程差，并将每次测量的高程值与已知高程的参照点的高程值进行比较，得到两者的高程差，然后将该高程差与初始高程差进行比较得到相对高程差，将相对高程差与设定的预警阈值进行对比，根据比较结果向调整系统发出调整指令。具体为：
预先设定箱涵顶进过程中的预警阈值，采用△hb表示“扎头”阈值，△ht表示“抬头”阈值，具体为：已知高程的参照点的高程值为h0，第一次监测的高程值为h1，初始高程差为h1-h0，然后每顶进一次的高程值为hi，高程差为hi-h0，计算相对高程差δh＝hi-h0-(h1-h0)；判断相对高程差的正负，若为负值，进一步判断其是否大于△hb，若满足，则表明箱涵“扎头”，并计算相对高程差值δh与箱涵长度l的比值的正切值，根据反三角函数求出倾斜的角度α＝arctan(|δh/l|)，即为顶进装置抬升的纵向坡度，同时将抬升的倾角指令发送给控制器；当相对高程差值为正值，进一步判断其是否大于△ht，若满足，则表明箱涵“抬头”，并计算相对高程差值δh与箱涵长度l的比值的正切值，根据反三角函数求出倾斜的角度β＝arctan(|δh/l|)，即为顶进装置下降的纵向坡度，同时将下降的倾角指令发送给控制器；当不满足上述两种情况时，不发出调整指令。
(3)调整系统根据调整指令改变箱涵顶进方向的纵向坡度。具体为：
当控制器接收到抬升角度α的指令时，根据切土装置前端高度d，计算出液压千斤顶的水平进油量为dtanα，为了保证上下排液压千斤顶的有相同的位移量，加大下排千斤顶的进油量使其伸长0.5dtanα，同时减少上排千斤顶的进油量使其缩短0.5dtanα，从而使切土装置抬升角度为α；当控制器接收到下降角度β的指令时，计算出液压千斤顶的水平进油量为dtanβ，为了保证上下排液压千斤顶的有相同的位移量，减少下排千斤顶的进油量使其缩短0.5dtanβ，加大上排千斤顶的进油量使其伸长0.5dtanβ，从而使切土装置下降角度为β。
本发明中，所有的硬件组件的设计开发都以能适应现场的恶劣环境为前提。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。