专利名称：三光束顶管机导向测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型是地下非开挖顶管机的导向测量系统。涉及其它类不包括的测量技术领域。
背景技术：
在管道运输、电力、通信、供水、供暖等许多领域的工程建设中，经常需要穿越公路、铁路、固定建筑物和河渠等。如穿越的距离长可用定向钻或盾构穿越，对于短距离的穿越一般采用顶管机穿越。而顶管机穿越虽然距离短，但也需要按预定的方向或路线穿越，否则偏离设计的方向和路线将会给工程带来极大的麻烦和损失。为此，顶管机一般均配有导向测量和控制装置。现在顶管机采用的导向测量方法有拉线、激光定轴端等方法，其测量仅限于跟踪顶管机前端面中心，无法测量顶管机轴向中心的三维状态，测量的结果严重滞后于顶管机的实际偏离状态，滞后的测量结果导致了滞后的纠偏动作，使顶管机偏离了预定的顶管轨迹，顶管质量下降，严重时将导致顶管工程的失败。据此，引起了业内众多人士的关注并力图解决之。如德国生产了一种单激光束面传感器激光靶的导向测量方法和装置。该装置可以在一定程度上测知顶管机上下、左右的偏离和滚动。但因其激光靶不可能做的很大，仅是顶管机尾部小端面的测量，不但其测量精确度受到了很大限制，而且顶管机围绕激光靶中心点(激光束初始照射点)的偏转是根本测量不出的，这就会产生极大的误测，导致顶管机顶进轨迹的很大偏差。也曾有人试图以二光束的方法测量，实际上二光束仍然不能测量顶管机尾部端面的偏离。
实用新型内容本实用新型的目的是设计一种简单易行、测量精确的三光束顶管机导向测量系统。
本实用新型针对现有装置的不足，提出一种测量顶管机尾部端面偏离状态的装置，可以更准确地测量顶管机实际偏离预定顶进轨迹的状态。本系统虽然也是采用如图1所示的置于出发井4靠背墙6上的激光发生器7照射安装在进入隧道中的顶管机1尾部端面的激光接收靶8，由激光接收靶8测出顶管机1偏离状态并传输给信号处理器5处理、显示的类似系统，但其特征是激光发生器7以三束激光3照射安装在顶管机1尾端平面上的三个激光接收靶8，以三个激光接收靶8测量出的偏差传输给信号处理装置5，计算出顶管机1尾端平面的偏离状态，进而给出顶管机1的偏离状态。三个激光接收靶8均设在顶管机1的尾端平面上，其中激光接收靶8-1设置在顶管机1尾端平面即该激光接收靶8-1的中心点与顶管机1中轴线重合或在顶管机顶进轨迹的平行线上，另两个激光接收靶8-2、8-3是设置在远离顶管机1尾端平面中心且三个激光接收靶8不在一条直线上的任何确定的位置。但另两个激光接收靶8-2、8-3的最佳位置是一个在通过顶管机1尾端平面中心的垂直轴线上，另一个在通过顶管机1尾端平面中心的水平轴线上(见图5)。起始状态时，三束激光束3照射在三个激光接收靶8的中心，工作状态时据三束激光束3在三个激光接收靶8上的偏差计算顶管机1的偏离状态。本装置中所用的激光发生器7可以是单光源折射出三光束，也可以是在三个独立的光源发出同一波长的三束光。三个激光接收靶8为光电传感器阵构成的智能型器件，安装在顶管机1尾部端面上，且应保证在一个平行于顶管机1尾部端面的平面上，它能测量出激光束3偏离靶中心的差值。
由于激光束3-1对应的激光接收靶8-1的中心点与顶管机1中轴线重合或在顶管机1顶进轨迹的平行线上，光束3-1与预定的顶管机1顶进轨迹平行，当顶管机1整体偏离预定的顶进轨迹时如图3、图4和图5所示，其姿态和程度信息将被激光接收靶8-1所接收，激光束3-2将对应的激光接收靶8-2的中心点与激光接收靶8-1中心点起始距离差开一个距离。以激光束3-1与A-A面垂直时为基准，当顶管机1中轴线D-D向上偏转为D’-D’，激光束3-1与3-2之间产生一个纵轴方向的差值x，反映了顶管机1向上偏离预定轨迹的趋势和程度，-x值表示向下。同理，如图6、图7、图8所示，当激光束3-1与3-3之间产生一个横轴方向的差值y，y值反映了顶管机1向左右偏离预定轨迹的趋势和程度，由在纵轴方向的差值x和横轴方向的差值y可以确定顶管机1尾部端面对预定空间位置的偏离，也即确定了顶管机1对预顶进轨迹的偏离。
图1三光束顶管机导向测量现场布局图图2激光接收靶在顶管机尾端布置图(图1的A向)图3三光束导向测上、下偏原理正视图图4三光束导向测上、下偏原理俯视图图5三光束导向测上、下偏原理侧视图图6三光束导向测左、右偏原理正视图图7三光束导向测左、右偏原理俯视图图8三光束导向测左、右偏原理侧视图其中1—顶管机 2—隧道3—激光束 4—出发井
5—信号处理装置 6—靠背墙7—激光发生器 8—激光接收靶具体实施方式
实施例选用山东激光研究所生产的三台激光发生器和三只激光接收靶。将一只激光接收靶8-1安装在顶管机1尾部端面的中心，一只激光接收靶8-2安装在顶管机1通过尾部端面中心的垂直轴(纵轴)上，距离为200mm，另一只激光接收靶8-3安装在顶管机1通过尾部端面中心的水平轴(横轴)上，距离也为200mm，且三个激光接收靶8保持在平行于顶管机1尾部端面的一个平面上，并将三只激光接收靶8的引线接至信号处理装置5上。三只激光发生器7-1、7-2和7-3调到同一波长，也按照3只激光接收靶8的位置对应安装固定在出发井4的靠背墙6上，使激光束3-1直射激光接收靶8-1中心，3-2直射8-2中心，3-3直射8-3中心。在顶管作业开始后，与预定的顶管机顶进轨迹比较，只要有偏差，激光接收靶8就会输出偏差值x、y，据此，操控顶管机1，使之回到预定顶进轨迹，使用起来非常方便。
由上可知，本实用新型由于采用了三光束的激光发生器7及相应的三只激光接收靶8，使对顶管机1尾端的测量由测小平面变为测大平面，不但其测量更真实更准确，而且可以完全避免误测而导致顶管失败，大大提高了测量的可靠性，测量所使用的设备均为现有产品，无需开发，只需调整信号处理装置5的软件即可。测量方法简单，方便。只要会操作单光束顶管机导向测量的人员就可方便地使用该方法操作，无需进行培训，是一种实用、精确的测量方法。
权利要求1.一种三光束顶管机导向测量系统，置于出发井[4]靠背墙[6]上的激光发生器[7]照射安装在顶管机[1]尾部端面的激光接收靶[8]，激光接收靶[8]测出顶管机[1]偏离状态并传输给信号处理装置[5]处理、显示，其特征是激光发生器[7]以三束激光[3]照射安装在顶管机[1]尾端平面上的三个激光接收靶[8]，以三个激光接收靶[8]测出的偏差传输给信号处理装置[5]，计算、显示出顶管机[1]的偏离状态。
2.根据权利要求1所述的三光束顶管机导向测量系统，其特征是三个激光接收靶[8]均设在顶管机[1]的尾端平面上，其中一个激光接收靶[8-1]设置在顶管机[1]尾端平面的中心，另两个激光接收靶[8-2]、[8-3]设置在远离顶管机[1]尾端平面中心且三个激光接收靶[8]不在一条直线上的任何确定的部位，起始状态时三束激光束[3]照射在三个激光接收靶[8]的中心，工作状态时三个激光接收靶[8]输出偏差值。
3.根据权利要求2所述的三光束顶管机导向测量系统，其特征是一个激光接收靶[8-1]设置在顶管机尾端平面的中心，一个激光接收靶[8-2]设置在通过顶管机[1]尾端平面中心的垂直轴线上，另一个则设置在通过顶管机[1]尾端平面中心的水平轴线上，且与激光接收靶[8]的中心有确定的距离。
4.根据权利要求1或2所述的三光束顶管机导向测量系统，其特征是激光发生器[7]可以是单光源折射出三束光，或是发出同一波长的三个独立的光源。
专利摘要本实用新型三光束顶管机导向测量系统，是地下非开挖顶管机的导向测量系统，它是以三束激光束3照射安装在顶管机1尾端平面上的三个激光接收靶8，以三个激光接收靶8测出的偏差之值传输给信号处理装置5，计算、显示出顶管机1的偏离状态。本实用新型更真实、更精确，大大提高了顶管机1导向的可靠性，且方法简单，方便，易于操作。
文档编号E21B7/00GK2758701SQ200420005489
公开日2006年2月15日 申请日期2004年3月10日 优先权日2004年3月10日
发明者孙玉高 申请人:中国石油天然气管道局, 中国石油天然气管道科学研究院