专利名称：盾构掘进姿态实时测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种盾构掘进的控制装置，特别涉及一种盾构掘进姿态的 实时测量系统。
背景技术：
盾构掘进技术是地下暗挖隧道的一种工程技术，而确定盾构机在掘进 施工中的实时姿态是该工程技术的关键之一，盾构掘进姿态实时测量系统 就是在盾构掘进施工中用以检测盾构机实时姿态的控制装置。盾构掘进姿 态实时测量系统利用先进的测量、传感和计算机等技术，实时检测盾构机 的位置、姿态和趋势信息，并随时将之与设计隧道轴线(Designed Tunnel Alignment,以下简称DTA)进行比较，以直观的图文方式向盾构机操控人 员提供实时信息，以便操控人员及时对盾构机采取纠偏等控制措施。随着 盾构法施工在地铁、公路、电厂、电讯、上下水道等城市基础建设中的广 泛应用，盾构掘进姿态实时测量系统也得到了飞速发展和日臻完善。盾构掘进姿态实时测量系统，又称为盾构姿态自动引导系统，主要分 为陀螺法、激光法和棱镜法三种，陀螺惯性系统法因其操作复杂、精度低 而逐步被淘汰，目前工程中主要采用的方法是利用激光媒介的激光法和直 接观测棱镜的棱镜法两种，该两种方法都是基于通过观测目标来进行导向 的工作原理。应用激光法的测量系统以国外的产品为主，如英国ZED'公司 和德国VMT公司的产品，其系统的价格高达一、二百万，而且要在施工完 成后继续使用还必须支付服务费，使用成本之高昂使人不堪重负。因此国 内施工一般都采用棱镜法的测量系统。棱镜法是基于带自动目标识别的全站仪技术的完善而发展起来的，其 基本原理和系统结构参见图1。在盾构机13'安装之后，将全站仪1'、若干目标棱镜2'、 3'、 4'和后视棱镜5'安置在盾构机13'内外，构成三维局部坐 标系，然后通过对目标棱镜2'、 3'、 4'信号的测量，测定盾构机13，的切口 中心14，及盾尾中心ll，在该三维局部坐标系中的坐标，随后在掘进施工中 把全站仪l'和目标棱镜2'、 3'、 4'自动采集的实时测量数据通过数据传输 装置7'传送到控制室12'内的工控机8'进行处理，从而得出盾构机13，上当 时切口中心14，及盾尾中心ll，所处的三维坐标、盾构机13，的坡度和滚角 等，再与储存有DTA的数据库进行比较，就能得到相应的盾构姿态偏差数 据并实时地显示出来，同时通过数据交换盒9'、可编程逻辑控制器(PLC) 10'输出控制信号至控制装置6'以对盾构机13'实施实时控制。目前全站仪1， 对目标棱镜2'、 3'、 4'信号的搜索方式有两种 一种是主动式、 一种是被动 式；主动式是通过全站仪l'自身的搜索，对目标棱镜2，、 3，、 4，的反射信 号进行识别，而被动式是通过目标棱镜2'、 3，、 4'自身发射信号，供全站仪r搜索识别。上海巿第二市政工程有限公司申请的中国专利《盾构三维姿态精密监 测系统》(公开号CN 1584290A)就披露了一种如上所述的主动式棱镜法 盾构掘进姿态实时测量系统，其中目标棱镜的数量采用三个，具体布置的 方式可以参阅图2和图3，该三个目标棱镜2，、 3，、 4'横向地布设于盾构机 13'内的前部，检测过程中全站仪l'依次对它们进行观测。棱镜法测量系统 的测量精度与目标棱镜2'、 3，、 4'所布设的位置有关，三个目标棱镜2'、 3，、 4'所布设位置之间的横向间距越大，则系统的测量精度越高，当它们之间 的距离在lm之内时就可能造成棱镜信号难以识别，从而导致系统无法正 常工作。然而，如果目标棱镜2'、 3'、 4'之间的距离过大、它们位置的布设 面过宽，就会使全站仪l'的观测视角过大，这就给隧道施工带来了极大的 困难。这是因为盾构法掘进施工的现场条件是很苛刻的，施工隧道中的通 视区域是一个狭长的筒状区域，特别是在小直径、小曲率半径的隧道施工中， 一个过宽的面状通视区域几乎是不可能存在的。如果目标棱镜2'、 3'、 4'所布设的范围过宽，那么全站仪r同时能连续观测所有目标棱镜的直接 距离长度就会縮短，尤其当较小直径的隧道在小半径的转弯施工时，就会造成频繁的换站以向前移动全站仪r，有时甚至只推进io多环就不得不换 站，其工作量是相当繁重的。而如果将目标棱镜所布设的范围放窄，则势 必造成系统的测量精度降低，由于目标棱镜还存在着最小识别角度，因此 甚至还会由此导致目标棱镜无法识别的后果。由此可见，采用三个目标棱 镜的盾构掘进姿态实时测量系统在提高系统测量精度与展延可连续观测距 离之间存在着矛盾，二者往往不能兼顾。此外，全站仪r对目标棱镜2'、 3'、 4'的观测是依次进行的，每次观测之间有时间间隔，然而此时盾构机是在 不断掘进的，因此每次观测之间的时间间隔越长，所需观测的目标棱镜越 多，系统的测量精度也就越低。这也就是为什么在国际上三棱镜方法大多 只用于系统的安装检测，而不用于自动测量引导的原因。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有盾构掘进姿态实时测量系统存 在的提高测量精度与展延可连续观测距离之间的矛盾，提供一种盾构掘进 姿态实时测量系统，其能够适应通视条件较差的工作环境，具有测量精度 高、安装简易便捷的优点。本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下一种盾构掘进姿态实时测量系统，包括有设置于盾构机后方的具有自 动目标识别功能的全站仪和固定于盾构机内的多个目标棱镜，该多个目标 棱镜沿盾构机的纵向逐个设置。本发明所述盾构掘进姿态实时测量系统的目标棱镜的数量为2个或'2 个以上；所述系统还包括有双轴角度传感器，该双轴角度传感器装置于固 定于盾构机内的安装基座上，它和与其连接的其它附件一起被封闭于设置 于安装基座上的金属罩壳中；该安装基座包括有底板、三爪基座和旋转底盘；所述底板固定于盾构机内；所述三爪基座设置于该底板的上面，其具 有水平调节件和锁固件，该水平调节件为三个均布于该三爪基座底面上的 垂直螺旋件，该锁固件为一紧定螺钉；所述旋转底盘设置于三爪基座的上 面，其具有用以安装双轴角度传感器的固定板和锁定件，该固定板能够绕 垂直于其板面的轴线进行旋转，其板面上沿其纵向刻有与固定的双轴角度 传感器轴线方向相一致的中线，该旋转底盘的锁定件为一紧固螺钉。与现有的棱镜法盾构掘进姿态实时测量系统相比，本发明的目标棱镜 是沿盾构机的纵向布设的，因此无论目标棱镜之间的距离有多长，始终满 足通视区域是一个狭长区域的要求，所以在提高系统测量精度的同时不会 降低同一测站的可连续观测的距离；同时由于目标棱镜是纵向布设的，因 此虽然全站仪的测角误差对测量结果的精度仍有影响，但是测边误差的影 响几乎为零，从而提高了系统的测量精度。此外，本发明的安装基座具有 灵活的三维立体位置调节机构，其固定板板面上刻有中线，因而能够方便 双轴角度传感器的安装并提高安装精度，该安装基座上的金属罩壳同时对 双轴角度传感器起到防护作用。综上所述，本发明所述的盾构掘进姿态实时测量系统消除了提高测量 精度与展延可连续观测距离之间的矛盾，尤其能够适应通视条件较差的工 作环境，与此同时，本发明还采用了双轴角度传感器专用的安装基座，使 双轴角度传感器的安装和系统的初始化调试都非常简易快捷。总之，本发 明具有测量精度高、安装简易便捷的优点，能够适应各类条件的隧道盾构 掘进施工，尤其是小直径、小曲率半径的隧道施工。
图1为现有棱镜法系统的基本结构硬件布置图。图2为现有三棱镜法系统的目标棱镜布置的后视图。图3为现有三棱镜法系统的目标棱镜布置的侧视图。图4为本发明的基本结构硬件布置图。图5为本发明的双轴角度传感器及安装基座的结构示意图。图6为图5的俯视图。
具体实施例方式现结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。 请参阅图4本发明的基本结构硬件布置图，图示盾构掘进姿态实时测 量系统包括有具有自动目标识别功能的全站仪8、两个目标棱镜4和5、 一 个后视棱镜IO、双轴角度传感器6、工控机9和可编程逻辑控制器(PLC) 7。所述全站仪8设置于盾构机1的后方，所述后视棱镜10设置于该盾构 机1的后方，其反射信号给全站仪8以提供准确的固定参考目标的方位， 所述两个目标棱镜4、 5设置于盾构机1内的前部，其所反射的信号与后视 棱镜10反射的信号一起被全站仪8所接收以建立三维局部坐标系，从而确 定切口中心3及盾尾中心2在该三维局部坐标系中的坐标，以便在此后的 掘进过程中测定盾构机1的实时姿态。所述双轴角度传感器6装置于安装 基座上(参见图5)，其用以实时测定盾构机1的坡度和滚角，该安装基座 固定于盾构机1的内部。所述可编程逻辑控制器7设置于盾构机1的内部， 其能够在解算盾构机1实时姿态数据的过程中提供盾构机1是否推进的工 作状态参数。所述工控机9是整个盾构掘进姿态实时测量系统的数据处理 中心，其与全站仪8、双轴角度传感器6和可编程逻辑控制器7相连接并且 接收来自它们的检测信号，通过预先储存其中的DTA数据与盾构机1实时 姿态参数的比较，该工控机9就能得到包括切口中心3及盾尾中心2的平 面和高程偏差在内的盾构姿态偏差数据并实时地显示出来，然后输出控制 信号对盾构机l实施实时控制。本发明所述盾构掘进姿态实时测量系统的两个目标棱镜4和5是沿盾 构机1的纵向逐个设置的，两者之间的间距尽可能地大以提高测量精度， 其中靠前的一个目标棱镜4尽量接近切口中心3的位置。因为目标棱镜4 和5是纵向布设的，所以无论两个棱镜之间的距离有多远，对于全站仪8来说它们始终处于一个狭长的通视区域内，因此在提高系统测量精度的同 时延展了同一测站的可连续观测的距离，从而避免了现有三棱镜法目标棱 镜横向布置导致的提高测量精度与展延可连续观测距离之间的矛盾，不必 频繁地换站，这尤其有利于小直径、小曲率半径的隧道施工。此外由于目标棱镜4和5是纵向布设的，所以全站仪1的测边误差对测量精度的影响 几乎为零，从而提高了系统的测量精度。除了上述采用两个目标棱镜的实 施例之外，本发明还可以布设2个以上的目标棱镜以作备用，使用中只要 保证有两个目标棱镜被同时观测到，就可使盾构掘进姿态的实时测量工作 正常进行。再请参阅图5和图6，图示本发明的双轴角度传感器6装置于安装基座 上，该安装基座包括有底板61、三爪基座62和旋转底盘65。所述底板61 通过紧固件稳固地安装在盾构机1内。所述三爪基座62设置于该底板61 的上面，其具有水平调节件63和锁固件64，该水平调节件63为三个均布 于该三爪基座62'底面上的垂直螺旋件，该锁固件64为一紧定螺钉；通过 水平调节件63可以将双轴角度传感器6的初始感应角度精确地调节到与盾 构机1相一致的状态，然后用锁固件64锁定。所述旋转底盘65设置于三 爪基座62的上面，其具有固定板66和锁定件67，该固定板66能够绕垂直 于其板面的轴线进行360。旋转，该板面上沿其纵向刻有与固定的双轴角度 传感器6轴线方向相一致的中线68 (见图6)，该中线68的长度为双轴角 度传感器6长度的两倍；该旋转底盘65的锁定件67为一紧固螺钉。'所述 双轴角度传感器6装置于固定板66上，通过水平调节件63和旋转底盘65 的精密微调可以将双轴角度传感器6的中轴线调节得与盾构机1的中轴线 平行，中线68在双轴角度传感器6的安装中起到了标示其中轴线的放样作 用，大大方便了安装双轴角度传感器6的操作；调准双轴角度传感器6轴 线的方向后，可以通过锁固件64和锁定件67将双轴角度传感器6的位置锁定。该双轴角度传感器6和与其连接的其它附件，如数据转换模块、电 源等， 一起被封闭于设置于安装基座上的金属罩壳69中，该金属罩壳69 对双轴角度传感器6和其它附件起到了防护作用，如防水、防尘、防碰撞等。 '综上所述，本发明所述的盾构掘进姿态实时测量系统消除了提高测量 精度与展延可连续观测距离之间的矛盾，尤其能够适应通视条件较差的工 作环境，同时还采用了专用的安装基座，使双轴角度传感器的安装和系统 的初始化调试都非常简易快捷，因此具有测量精度高、安装简易便捷的优 点，能够适应各类条件的隧道盾构掘进施工，尤其是小直径、小曲率半径 的隧道施工。
权利要求
1、一种盾构掘进姿态实时测量系统，包括有设置于盾构机后方的具有自动目标识别功能的全站仪和固定于盾构机内的多个目标棱镜，其特征在于所述多个目标棱镜沿盾构机的纵向逐个设置。
2、 根据权利要求1所述的盾构掘进姿态实时测量系统，其特征在于所 述目标棱镜的数量为2个。
3、 根据权利要求1或2所述的盾构掘进姿态实时测量系统，其特征在于: 所述系统还包括有双轴角度传感器，该双轴角度传感器装置于固定于盾构机内 的安装基座上。
4、 根据权利要求3所述的盾构掘进姿态实时测量系统，其特征在于所 述安装基座包括有底板、三爪基座和旋转底盘，所述底板固定于盾构机内，所 述三爪基座设置于该底板的上面，其具有水平调节件和锁固件，所述旋转底盘 设置于三爪基座的上面，其具有用以安装双轴角度传感器的固定板和锁定件， 该固定板能够绕垂直于其板面的轴线进行旋转。
5、 根据权利要求4所述的盾构掘进姿态实时测量系统，其特征在于所 述固定板的板面上沿其纵向刻有与固定的双轴角度传感器轴线方向相一致的 中线。
6、 根据权利要求4所述的盾构掘进姿态实时测量系统，其特征在于所 述三爪基座的水平调节件为三个均布于该三爪基座底面上的垂直螺旋件，所述锁固件为一紧定螺钉。
7、 根据权利要求4所述的盾构掘进姿态实时测量系统，其特征在于所述旋转底盘的锁定件为一紧固螺钉。 '
8、 根据权利要求3所述的盾构掘进姿态实时测量系统，其特征在于所 述双轴角度传感器和与其连接的其它附件一起被封闭于设置于安装基座上的 金属罩壳中。
9、 根据权利要求1所述的盾构掘进姿态实时测量系统，其特征在于所 述目标棱镜的数量为2个以上。
全文摘要
本发明公开了一种盾构掘进姿态实时测量系统，其包括有设置于盾构机后方的具有自动目标识别功能的全站仪和固定于盾构机内的多个目标棱镜，该多个目标棱镜沿盾构机的纵向逐个设置；所述系统还包括有双轴角度传感器，该双轴角度传感器装置于固定于盾构机内的专用安装基座上。本发明消除了提高测量精度与展延可连续观测距离之间的矛盾，尤其能够适应通视条件较差的工作环境，同时具有测量精度高、安装简易便捷的优点，其能够适应各类条件的隧道盾构掘进施工，尤其是小直径、小曲率半径的隧道施工。
文档编号G01B11/00GK101251367SQ20081003550
公开日2008年8月27日 申请日期2008年4月2日 优先权日2008年4月2日
发明者唐震华, 连 孙, 杨宏燕, 浩 王 申请人:上海隧道工程股份有限公司