专利名称：盾构管片中心检测系统及其盾构姿态确定方法
技术领域：
本发明涉及地铁隧道盾构施工技术领域中的姿态检测，提出以隧道本身行进方向 来确认盾构机工作姿态的方法，具体是一种以盾首中心和刚拼装好的隧道管片中心两者的 大地坐标来确定盾构姿态。
背景技术：
盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿着隧道设计轴线进行开挖土 体而向前推进。这个钢质组件在初步或最终隧道衬砌建成之前，主要起到防护开挖出的土 体以及保证作业人员和机械设备安全的作用，这个钢质组件简称为盾构。盾构另一方面作 用是能够承受来自地层的压力，防止地下水或流沙的入侵。盾构法隧道，即使用盾构机一 边控制着开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成 衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动围岩而修筑隧道的方法。随着城市轨道交通的建设进入高潮，盾构技术得到了迅速的发展，但是对盾构施 工的要求也逐渐提高。采用盾构法挖掘隧道时，需要对盾构姿态进行测量并根据情况不断 的调整，使隧道的掘进路线和设计路线尽量吻合，是保证施工质量的关键所在。目前对于盾 构机工作姿态的确认有如下两种方式人工测量法和自动测量法。人工测量法人力投入大、测量频率高、对隧道掘进干扰大、数据处理慢、无法获得 盾构机掘进过程中的实时姿态和偏差、施工控制较困难。自动测量法主要是借助全站仪进行，将全站仪安装在已成型隧道的吊篮内，通过 向固定在盾构机上的两个激光靶发射激光，来测定两个光靶的三维坐标，进而确定盾构的 姿态。与人工测量相比，自动测量系统可借助先进的仪器对盾构姿态进行测量、控制、计算 并显示，具有人力投入小、测量频率高、对隧道干扰小、测量速度高、数据处理快、显示直观 等优点，但是目前尚存在以下缺点。传统的盾构姿态是通过盾首中心和盾尾中心来确定的，在一定程度上反映了盾构 的姿态。但是，由于全站仪安装在隧道顶部的吊篮内来测量盾构姿态，盾构向后推力的水平 分力或垂直分力往往迫使已经就位的管片产生偏移甚至扭转，从而影响安装在管片上的全 站仪的位置变动，导致测量获得的盾构姿态有很大的误差。隧道对盾构机工作姿态的影响是通过管片拼装机在盾构机挖掘的最后拼装的一 环管片来确认的。管片的主要作用是将盾构机挖开的隧道撑起，防止隧道坍塌，它是紧紧与 隧道的表面相结合。因此，管片可以充分体现隧道的行进方向、在空间的弯曲程度以及盾构 机挖掘出的隧道质量。它在对确认盾构机工作姿态的过程中起着不可替代的作用。所以，传统的以盾首中心和盾尾中心来确定盾构姿态的方法存在不足。为此，必须 将盾构和已成型管片看成一个整体综合考虑，提出以盾首中心和刚拼装好的管片中心的空 间大地坐标来确定盾构姿态。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，实现基于盾构形成的隧道来确定盾构机 工作姿态，本发明提供一种盾构管片中心检测系统及其盾构姿态确定方法，提出了以盾构 机盾首中心和刚砌好的最后一段管片的中心来进行确定盾构机姿态，同时公开了获得该盾 构管片中心大地坐标的检测系统。本发明正确地掌握盾构机的工作姿态，指导下一步的施 工，不仅仅能大大提高盾构机的施工效率，更能有效地保证挖掘隧道的质量。本发明方法是通过以下技术方案实现的，采用周向扫描方式，对盾构机盾尾刚砌 好的最后一段管片的内表面沿圆周方向进行扫描，通过采集的数据进行曲线拟合从而得出 该处盾尾管片中心与周向扫描旋转中心之间的相对位置，通过旋转中心大地坐标推算出所 述盾尾管片中心的大地坐标，实现将刚砌好的最后一段管片的中心大地坐标与盾构机盾首 中心大地坐标之间的连线来客观的确认盾构机所处的工作姿态。上述技术方案具体包括以下步骤首先，要确定测量中心(也就是对圆周进行扫描的旋转平台旋转中心)的大地坐 标。将全站仪安装在已成型隧道顶部的吊篮内，将棱镜安装在激光测距仪上，通过全站仪向 棱镜发射激光即可获得棱镜的大地坐标(该技术手段为现有技术，本发明不必详细公开)。 又由于棱镜与旋转平台之间存在相应的位置关系，这样就可进一步转换得到旋转平台旋转 中心的大地坐标。然后，通过激光测距传感器和倾角传感器来获得距离和角度的信息，将此获得的 数据上传到上位机上，进行曲线拟合，从而得出所述管片中心相对于旋转平台旋转中心的相 对坐标，根据上述已获取的旋转平台旋转中心的大地坐标推算出盾构管片中心的大地坐标。最后，所述刚砌好的最后一段管片中心的大地坐标与盾构机盾首中心之间的连线 确认盾构机的工作姿态，达到正确判断盾构机的工作姿态的目的，保证了盾构正确的行进 方向，提高了工作效率和施工的可靠性。本发明系统是通过以下技术方案实现的，以计算机和网络通信技术为基础，配以 传感器、仪器仪表和控制设备的实时系统主要包括周向扫描装置、电器控制装置、电源、站 级数据处理系统，其中周向扫描装置由激光测距仪、倾角传感器、高精度旋转控制台组成以 完成对盾尾刚形成管片周向内壁测距扫描，所述周向扫描装置、电器控制装置、电源作为检 测装置都安装于螺旋输送机上，电器控制装置内设有PLC控制器，周向扫描装置中激光测 距仪、倾角传感器及高精度旋转控制台的步进驱动器分别与PLC控制器连接，PLC通过无线 通讯器与站级数据处理系统中的无线通讯器连接，电源为整个检测装置提供能源。所述电器控制装置其柜内组成部分包括有PLC控制器、无线通讯器、两个 RS232/485转换器、旋转控制台的步进电机驱动器，其柜体外壳设有控制开关、状态指示灯， 其中PLC控制器的输入接口与控制开关连接；PLC控制器的输出接口分别与状态指示灯 和旋转台的步进电机驱动器连接；PLC串口模块的类型是RS485，PLC控制器的串口模块分 别与激光测距仪、倾角传感器、无线通讯器的通信接口连接，而无线通讯器以及激光测距 仪的接口是RS232，PLC控制器的串口模块与无线通讯器以及激光测距仪之间都需要通过 RS232/485转换器进行转换；通过PLC控制器的串口模块发送扫描装置采集数据至无线通 讯器，再由站级处理系统的无线通讯器接收数据，传至上位机。所述站级数据处理系统包括相互连接的无线通讯器和上位机，上位机主要包括数据接收通信模块、数据库模块、数据处理模块、公布显示模块，其中，数据接收通信模块通过 无线通讯器每次接收的数据按照一定的格式保存到对应的数据库模块中，数据处理模块实 现对数据库模块中原始数据进行圆形拟合，得到管片中心相对于旋转平台旋转中心的相对 坐标。所述周向扫描装置包括激光测距仪、倾角传感器、旋转台，激光测距仪、倾角传感 器一并置于旋转台上跟随旋转台旋转，所述倾角传感器置于激光测距仪的上侧面，倾角传 感器底面与激光测距仪的光线平行。棱镜安装于激光测距仪顶部，全站仪安装于已成型隧 道的吊篮内。所述激光测距仪、倾角传感器、旋转台三者的安装固定形式倾角传感器紧靠激光 测距仪一并固定安装于第一连接板，第二连接板固定连接于旋转台工作面上，第一连接板 与第二连接板固定连接。本发明实现根据盾构形成的隧道质量来确定盾构机工作姿态，正确地掌握盾构机 的工作姿态，指导下一步的施工，有效保证挖掘隧道的质量。
图1为本发明盾构管片中心检测示意图(隧道内纵向截面)图1-2是图1-1在A-A处的剖视示意图(隧道内横向截面)图2为盾构管片中心检测系统总体方案示意3为管片周向扫描装置安装结构示意图(三视图)图4为电器柜控制装置。其中图4a外壳正面示意图，图4b柜体正面示意5激光测距相位法光程往返示意6实施例激光测距仪的标准应用图7可编程控制器PLC的系统组成示意图标记说明12_激光测距仪、13-倾角传感器，14-旋转台，15-第一连接板，16-第 二连接板，2-棱镜，3-全站仪，4-检测装置
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图2所示，该实施例以计算机和网络通信技术为基础，配以传感器、仪器仪表和 控制设备的实时系统主要包括周向扫描装置、电器控制装置、站级数据处理系统、电源，其 中周向扫描装置由激光测距仪、倾角传感器、高精度旋转控制台组成以完成对盾构机盾尾 刚拼装管片周向内壁测距扫描，如图1-2所示，整个检测装置4 (包括周向扫描装置、电器控 制装置和电源)安装于螺旋输送机上。如图4b所示，电器控制装置内设有PLC控制器，周 向扫描装置中激光测距仪、倾角传感器及高精度旋转控制台的步进电机驱动器分别与PLC 控制器连接，PLC通过无线通讯器与站级数据处理系统中的无线通讯器连接，电源为周向扫 描装置和电器控制装置中各硬件提供能源。如图4a、图4b所示，所述电器控制装置其柜内组成部分包括有PLC控制器、无 线通讯器、两个RS232/485转换器、旋转控制台的步进电机驱动器，其柜体外壳设有控制开关、状态指示灯，其中PLC控制器的输入接口与控制开关连接；PLC控制器的输出接口分别 与状态指示灯和旋转台的步进电机驱动器连接；PLC串口模块的类型是RS485，PLC控制器 的串口模块分别与激光测距传感器、倾角传感器、无线通讯器的通信接口连接，而无线通讯 器以及激光测距仪的接口是RS232，PLC控制器的串口模块与无线通讯器以及激光测距仪 之间都需要通过RS232/485转换器进行转换；通过PLC控制器的串口模块发送扫描装置采 集数据至无线通讯器，再由站级处理系统的无线通讯器接收数据，传至上位机。所述站级数据处理系统包括相互连接的无线通讯器和上位机，上位机主要包括数 据接收通信模块、数据库模块、数据处理模块、公布显示模块，其中，数据接收通信模块通过 无线通讯器每次接收的数据按照一定的格式保存到对应的数据库模块中，数据处理模块实 现对数据库模块中原始数据进行圆形拟合，得到管片中心相对于旋转平台旋转中心的相对 坐标。高精度激光测距仪在盾构机管片中心周向扫描装置的设计过程中，鉴于盾构机管片的各种不同的形 状尺寸和截然不同的安装方式，要设计的周向扫描设备需能够满足各种类型的盾构管片周 向扫描要求。因此，为了实现能够顺利实现这一目的，设计出的周向扫描设备需具备以下功 能距离测量、旋转扫描和角度测量。由于盾构施工现场环境恶劣，并且在管片和盾构之间夹杂着许多的电线，因此距 离的最佳测量方式为非接触测量。目前对于0. 1 IOm测量范围内的非接触式测量方法主 要有激光测距法和超声测距法，其中激光测距法精度高、测点小。考虑施工现场的条件限制 和高精度要求，采用DIMETIX公司生产的激光测距仪DLS-B15。激光测距通常有脉冲法和相位法测距两种，都是通过直接或间接地测定激光在被 测距离上往返所需的时间来计算距离，公式如下
CD = ^t2D脉冲法精度较低，一般为1 5m ；高精度测距基本上采用相位法，即将激光调制成 频率为f的交变光，该交变光经被测目标发射后由光电探测器接收，通过测定调制光电信 号经过所测距离D而产生的相位Φ来间接推算信号传输的时间t2D，从而求得所测距离。因为‘=丢
C Φ C 所以f是信号的调制频率A表示调制光波的发射点，B表示安置反射器的地点，A'表示所发出的调制光波 经反射器反射后的接收地点。实际上，A点就是测距仪中光波的发射点，A'点就是测距仪 中光波的接收点，A-A'两点间的距离就是光波所走过的路程，它等于待测距离的两倍。图 5中相位移Φ实际上代表了光波走过往返距离时所需要的时间t2D。当用较短波长的光波 测量时，则得
Φ=Ν·2π + Αφ = 2π·{Ν + AN)N表示波动次数，零或者正整数。
7
Δρ表示不足整周期的相位位数。ΔΝ 为小数，ΔΛ/=，
In所以，得到如下公式
Γ ^ C 2π(Ν + ΑΝ) ΛΓ C Λ Λ, C 0049 D = -* \ J =Ν·Τ7 + ΑΝ· — 2 2π/2/2/因为义=-，令I =、称为测尺长度，上式变为D = Ls · N+Ls ‘ Δ N这样，通过测定调制波在往返距离上所经过的半波个数N及不足半波长Ls的尾数 就可计算出距离D。本实施例选用DIMETIX公司生产的激光测距仪DLS-B。该测距仪是一种当前最为 先进的经济型在线位置检测系统，具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点，在不加反射靶的 情况下，也可达到很远的检测距离，最高精度达1. 5mm。如图6所示。高精度旋转控制台需要采集的数据点分布于圆形隧道管片的内表面，激光测距仪虽然可满足点对点 之间的距离测量，但无法自行进行周向运动。为使激光测距仪能够获取管片圆周上的数据， 需提供做圆周运动的高精度旋转控制台，并将激光测距仪安装在上面，实现测距仪的圆周 转动。本实施例选用北京卓立汉光仪器有限公司生产的RAK100型高精度电控旋转台，实现 了激光测距仪的圆周转动，并保证旋转中相邻两个测量点的夹角为固定值。倾角传感器在每次测量开始前，整套检测装置需首先设立一个初始参考基准。高精度电控旋 转台作为激光测距仪的载体，虽然满足了测距仪旋转控制的要求，但是由于没有零位控制， 因此还需要增加初始水平零位的控制设备以保证每次开始测量均是从初始参考基准开始。 经过市场调研和多方比较，本实施例选择ZCT100CL-485DGJ电子倾角传感器作为初始零位 控制设备，将其和高精度电控旋转台、激光测距仪刚性固定在一起来检测管片中心检测装 置的初始位置，只有当整套检测装置到达初始校验位置时，检测过程才开始。控制装置PLC为了能够实现整套检测装置的自动控制，实现操作人员无需下井便可通过位于地 面上的上位机对这套检测装置进行远程操作和控制，需要采用可编程控制器PLC。PLC的本 质是一台用于控制的专用计算机，基本结构主要是围绕适于过程控制的要求而设计的，主 要特点是与控制对象有更强的接口能力，基本组成部分见图7。PLC在整套检测装置中的主要目的是对其他元件进行控制，其主要的功能包括 接受上位机的检测指令、要求检测装置进行初始校验、开启整套检测装置的检测、接受激光 测距仪的数据、完成检测过程后的复位。经过市场调研，本实施例采用0MR0N-CP1L可编程 控制器。通讯系统为了提高测量精度，简化系统结构，激光测距仪、旋转台驱动控制器、电子倾角传 感器均采用计算机串行通信方式进行信息传输，并组成一个工控网络。在网络中，采用主从 式通信方式以防止通信冲突的发生。由于所有装置间的数据均由PLC进行组织中转，因此
8将PLC作为通信的主控器，其它均为通信从站，通过对主控器的应答传递所需的数据。PLC和上位计算机的通信采用无线方式，即在上位机和网络总线间加入一对无线 通信器。由于PLC和上位机都具有网络通信的功能，因此这对通信器选用透明方式即可。本 实施例采用台湾赫立讯科技股份有限公司生产的IP-LINK2220无线数传电台，可实现几十 米的距离的信息传输。机械安装整个检测装置4安装在螺旋输送机的顶部，如图1-1所示，其中周向扫描装置由于 必须对管片的内表面进行扫描，因此安装位置有较严格的要求，同时安装精度也应得到保 证，以保证达到所需的测量精度。螺旋输送机是土压平衡盾构的关键部件之一，其主要作用 是将刀盘切削下来的泥土从盾构密封舱土压内排出盾体，土舱泥土通过螺旋杆输送压缩形 成密封土塞，形成一定的阻力，可保持密封土舱内压力稳定在一定的范围。棱镜2安装于激光测距仪顶部，棱镜中心和高精度旋转台的旋转中心应有较高的 位置精度。倾角传感器安装于激光测距仪的上侧面，倾角传感器底面应与激光测距仪的光 线有较高的平行度。如在安装时无法通过调整达到精度要求，则应测出它们之间的角度误 差，输入PLC，以便对测试数据进行适当的修正。由于激光测距仪12的固定孔和旋转台14 的固定孔不一致，因此不能直接进行连接。倾角传感器13紧靠激光测距仪12 —并固定安 装于第一连接板15，第二连接板16固定连接于旋转台14工作面上，第一连接板15与第二 连接板16固定连接，如图3所示。全站仪3安装于已成型隧道的吊篮内。工作过程PLC接受上位机的检测指令后，检测装置进行初始校验、开启整套检测 装置的检测，从而激光测距仪12和倾角传感器13采集距离和角度信息，PLC接收该距离及 角度数据，完成检测过程后复位。PLC将获得的距离和角度数据通过无线通讯器上传到上位 机上，上位机完成曲线拟合，从而得出盾构机盾尾刚拼装管片中心相对于扫描旋转中心的 坐标，通过坐标换算，推断出盾构管片中心的大地坐标。该刚砌好的最后一段管片的中心大 地坐标与盾构机盾首中心之间的连线确认盾构机的工作姿态，达到正确判断盾构机的工作 姿态的目的。本发明在盾构施工过程中能够正确地确认盾构机的工作姿态，达到统一监控，集 中管理的功能，使得系统具有可靠性、开放性、先进性、可扩展性。与现有技术相比，本发明 方法便于对施工现场情况的掌控，同时减少工作人员在现场的工作量，并在保证施工整体 进程的安全性的基础上提高工作效率、增强管理，对盾构掘进路线进行有效测控。盾构机掘 进路线将直接影响到施工的质量，对整个隧道的安全性、可靠性起到了不可替代的作用。地 下隧道本身是一条扭曲的空间三维曲线，其行进的方向很难掌控，对隧道施工的安全大大 产生了影响。传统的盾构机的工作姿态的检测仅仅是通过盾构机本身确定的，并没有考虑 到其挖掘的隧道，又由于人为根本无法判断隧道的行进方向，因此本发明实现了可靠可行 的盾构机工作姿态的检测方案，即在检测盾构机工作姿态的同时考虑其挖掘的隧道，通过 两者的有机结合来确定盾构机的工作姿态。
权利要求
一种盾构姿态确定方法，其特征在于，采用周向扫描方式，对盾构机盾尾刚砌好的最后一段管片的内表面沿圆周方向进行扫描，通过采集的数据进行曲线拟合从而得出该处盾尾管片中心与周向扫描旋转中心之间的相对位置，通过旋转中心大地坐标推算出所述盾尾管片中心的大地坐标，实现将刚砌好的最后一段管片的中心大地坐标与盾构机盾首中心大地坐标之间的连线来确认盾构机所处的工作姿态。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤首先，要确定测量中心的大地坐标；然后，通过激光测距仪和倾角传感器来获得距离和角度的信息，将此获得的数据上传 到上位机上，进行曲线拟合，从而得出所述管片中心相对于测量中心的坐标，通过两者坐标 换算，推算出盾构管片中心的大地坐标；最后，所述刚砌好的最后一段管片的中心大地坐标与盾构机盾首中心之间的连线确认 盾构机的工作姿态。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量中心的确定是通过以下方式实现 将全站仪向固定在激光测距仪顶部的棱镜发射激光，来测定棱镜的大地坐标，再通过棱镜 与周向扫描旋转中心的相对位置关系来求解出测量中心的坐标。
4.一种盾构管片中心检测系统，其特征在于，包括周向扫描装置、电器控制装置、电源、 站级数据处理系统，其中周向扫描装置由激光测距仪、倾角传感器、高精度旋转控制台组成 以完成对盾尾刚形成管片周向内壁测距扫描，所述周向扫描装置、电器控制装置、电源作为 检测装置都安装于螺旋输送机上，电器控制装置内设有PLC控制器，周向扫描装置中激光 测距仪、倾角传感器及高精度旋转控制台的步进驱动器分别与PLC控制器连接，PLC通过无 线通讯器与站级数据处理系统中的无线通讯器连接，电源为整个检测装置提供能源。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电器控制装置其柜内组成部分包括有 PLC控制器、无线通讯器、两个RS232/485转换器、旋转控制台的步进电机驱动器，其柜体 外壳设有控制开关、状态指示灯，其中PLC控制器的输入接口与控制开关连接；PLC控制 器的输出接口分别与状态指示灯和旋转台的步进电机驱动器连接；PLC串口模块的类型是 RS485，PLC控制器的串口模块分别与激光测距仪、倾角传感器、无线通讯器的通信接口连 接，而无线通讯器以及激光测距仪的接口是RS232，PLC控制器的串口模块与无线通讯器以 及激光测距仪之间都需要通过RS232/485转换器进行转换；通过PLC控制器的串口模块发 送扫描装置采集数据至无线通讯器，再由站级处理系统的无线通讯器接收数据，传至上位 机。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述站级数据处理系统包括相互连接的无 线通讯器和上位机，上位机主要包括数据接收通信模块、数据库模块、数据处理模块、公布 显示模块，其中，数据接收通信模块通过无线通讯器每次接收的数据按照一定的格式保存 到对应的数据库模块中，数据处理模块实现对数据库模块中原始数据进行圆形拟合，得到 管片中心相对于旋转中心的大地坐标。
7.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述周向扫描装置包括激光测距仪、倾角传 感器、旋转台，激光测距仪、倾角传感器一并置于旋转台上跟随旋转台旋转，所述倾角传感 器置于激光测距仪的上侧面，倾角传感器底面与激光测距仪的光线平行。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述激光测距仪、倾角传感器、旋转台三者的安装固定形式倾角传感器紧靠激光测距仪一并固定安装于第一连接板，第二连接板固 定连接于旋转台工作面上，第一连接板与第二连接板固定连接。
全文摘要
本发明涉及地铁隧道盾构施工技术领域，盾构管片中心检测系统以计算机和网络通信技术为基础，配以传感器、仪器仪表和控制设备的实时系统。盾构姿态确定方法采用周向扫描方式，对盾构机盾尾刚砌好的最后一段管片的内表面沿圆周方向进行扫描，通过采集的数据进行曲线拟合从而得出该处盾尾管片中心与周向扫描旋转中心之间的相对位置，通过旋转中心大地坐标推算出所述盾尾管片中心的大地坐标，实现将刚砌好的最后一段管片的中心大地坐标与盾构机盾首中心大地坐标之间的连线来确认盾构机所处的工作姿态。本发明基于盾构形成的隧道来确定盾构机工作姿态，正确地掌握盾构机的工作姿态，指导下一步的施工，有效保证挖掘隧道的质量。
文档编号G01C21/00GK101963507SQ20101025399
公开日2011年2月2日 申请日期2010年8月16日 优先权日2010年8月16日
发明者张德海, 李炯, 王峰, 虞建国 申请人:上海地铁盾构设备工程有限公司