本发明属于顶管施工技术领域，尤其是涉及一种顶管机姿态三维测量系统及方法。
背景技术：
顶管施工是一种非开挖施工方法，顶管法施工就是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道(即顶管)与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。实际进行顶管施工时，通常采用多个顶管管节进行顶进，一个顶管管节完成顶入土层之后，再进行下一节管子继续顶进，其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管或掘进机从工作坑(也称为工作井或始发井)内穿过土层(即出洞)一直推进到接收坑(也称为接收井)内吊起。管道紧随工具管或掘进机后，埋设在两坑之间。非开挖工程技术彻底解决了管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题，在稳定土层和环境保护方面凸显其优势。
顶管机为顶管施工中所采用的施工设备，目前采用的顶管机主要为液压顶管机，主要由旋转挖掘系统、主顶液压推进系统、泥土输送系统、注浆系统、测量设备、地面吊装设备和电气系统等组成。其中旋转挖掘系统(俗称“机头”)主要由机头壳体、切削刀盘、刀盘减速器、送排泥浆机构、液压动力装置、纠偏液压缸、防水圈、刀盘旋转轴、电气系统、自动控制系统以及附属装置等组成。
实际进行顶管施工时，尤其是长距离顶管施工过程中，参考以往长距离顶管施工经验，顶管机姿态的测量与控制和纠偏控制的效果直接决定了顶管轴线偏差的大小和管节偏转的程度。为了降低顶管轴线偏差和管节偏转，确保顶管质量优良，必须要做到顶管机姿态平稳，并对顶管机姿态进行及时、准确测量，并相应及时采取有效的纠偏调整方法。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种顶管机姿态三维测量系统，其结构设计合理、使用操作简便且使用效果好，将全站仪与布设于顶管机机头特定位置的反射片相结合，对顶管机姿态进行简便、精确测量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种顶管机姿态三维测量系统，其特征在于：包括对顶管机机头的机头壳体后侧壁上三个测点的三维坐标分别进行测量的全站仪，所述全站仪位于机头壳体后侧的工作井内；所述顶管机机头的刀盘安装在机头壳体的前侧壁上，所述机头壳体的前侧壁和后侧壁均与所述刀盘呈平行布设，所述刀盘与机头壳体呈同轴布设，所述刀盘的中心轴线与机头壳体前侧壁之间的交点为点a，所述刀盘的中心轴线与机头壳体后侧壁之间的交点为点b；三个所述测点分别为位于机头壳体后侧壁上的测点c、测点d和测点e，三个所述测点分别为△cde的三个顶点。
上述一种顶管机姿态三维测量系统，其特征是：还包括与全站仪连接的上位处理器。
上述一种顶管机姿态三维测量系统，其特征是：每个所述测点上均设置有一个供全站仪测量用的反射片，所述反射片平贴在机头壳体的后侧壁上。
上述一种顶管机姿态三维测量系统，其特征是：所述反射片为反射镜片且其为圆形，每个所述反射片的圆心均位于一个所述测点上。
上述一种顶管机姿态三维测量系统，其特征是：所述工作井内设置有供全站仪安装的安装架，所述安装架呈竖直向布设且其底部固定在工作井底部。
上述一种顶管机姿态三维测量系统，其特征是：所述工作井为由上至下开挖形成的竖井；
所述竖井为立方体结构，所述竖井的四个井壁均呈竖直向布设且其四个所述井壁均为现浇钢筋混凝土结构，所述竖井的内侧底部为水平封底层，所述水平封底层为钢筋混凝土层，所述竖井的四个所述井壁均与水平封底层紧固连接为一体；所述竖井的四个所述井壁分别为前侧井壁、位于前侧井壁正后方的后侧井壁以及分别连接于前侧井壁与后侧井壁左右两侧之间的左侧井壁与右侧井壁；
所述工作井的前侧井壁上预留有供所述顶管机机头通过的进洞洞口；
所述安装架为底部埋设于水平封底层内的竖向支架，所述安装架与前侧井壁呈平行布设；所述安装架位于前侧井壁与后侧井壁之间，所述全站仪位于所述进洞洞口后侧。
上述一种顶管机姿态三维测量系统，其特征是：所述安装架包括下部支撑架和安装在下部支撑架上的上部支架，所述上部支架呈竖直向布设；所述下部支撑架和上部支架均为由多根型钢杆件拼接而成的型钢支架。
上述一种顶管机姿态三维测量系统，其特征是：还包括对机头壳体进行偏转测量的激光经纬仪，所述机头壳体后侧壁上设置有供激光经纬仪所发出激光束投射的靶盘，所述激光经纬仪位于工作井内；所述靶盘平贴在机头壳体的后侧壁上，所述靶盘位于机头壳体后侧壁的竖向中心线上；
所述顶管机机头为对所施工地下管道进行顶管施工的顶管机的机头，所述激光束的投射方向与所施工地下管道的设计中心轴线一致。
同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且测量简便、测量结果准确的顶管机姿态测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、顶进前准备工作：在用于顶进所施工地下管道的工作井内安装全站仪，并对机头壳体上点a与点b的间距、点a与三个测点的间距以及点b与三个测点的间距分别进行确定；
其中，点a与点b的间距记作lab，点a与测点c的间距记作lac，点a与测点d的间距记作lad，点a与测点e的间距记作lae；点b与测点c的间距记作lbc，点b与测点d的间距记作lbd，点b与测点e的间距记作lbe；
步骤二、顶进及顶管机姿态同步测量：采用顶管机对所施工地下管道进行顶进，顶进过程中采用所述测量系统对多个不同顶进位置处的顶管机姿态分别进行测量，获得多个不同顶进位置处的顶管机姿态测量数据；多个不同顶进位置处的顶管机姿态测量方法均相同，每个顶进位置处的顶管机姿态测量数据均包括该顶进位置处机头壳体上点a的三维坐标与点b的三维坐标以及机头壳体的坡度；
对任一个顶进位置处的顶管机姿态进行测量时，过程如下：
步骤201、测点三维坐标测量：采用全站仪对此时机头壳体上三个测点的三维坐标分别进行测量；
其中，测量出的测点c的三维坐标记作(x1,y1,z1)，测量出的测点d的三维坐标记作(x2,y2,z2)，测量出的测点e的三维坐标记作(x3,y3,z3)；
步骤202、顶管机姿态计算：根据步骤一中所确定的机头壳体上点a与点b的间距、点a与三个测点的间距以及点b与三个测点的间距，并结合步骤201中测量出的此时机头壳体上三个测点的三维坐标，按照公式
再根据公式
上述方法，其特征是：步骤一中对机头壳体上点a与点b的间距、点a与三个测点的间距以及点b与三个测点的间距分别进行确定时，采用长度测量工具分别进行测量或采用坐标法进行确定；
采用坐标法进行确定时，包括以下步骤：
步骤a、建立三维空间直角坐标系：将机头壳体水平放置，再以机头壳体上点a为坐标原点，以机头壳体的中心轴线为x轴且以竖直方向为z轴建立三维空间直角坐标系，并对机头壳体上点a、点b与三个测点在所建立三维空间直角坐标系中的三维坐标分别进行确定；其中，点a在所建立三维空间直角坐标系中的三维坐标为(0,0,0)，点b在所建立三维空间直角坐标系中的三维坐标为(x0,0,0)，其中x0＝lab；测点c在所建立三维空间直角坐标系中的三维坐标记作(xc,yc,zc)，测点d在所建立三维空间直角坐标系中的三维坐标记作(xd,yd,zd)，测点e在所建立三维空间直角坐标系中的三维坐标记作(xe,ye,ze)；
步骤b、间距确定：根据步骤a中所确定的机头壳体上点a、点b与三个测点在所建立三维空间直角坐标系中的三维坐标，对机头壳体上点a与三个测点的间距以及点b与三个测点的间距分别进行确定；其中
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、结构简单、设计合理且加工及安装布设简便，投入成本较低。
2、使用操作简便且使用效果好，采用由全站仪与特定反射片组成的三维测量装置能对顶管机姿态进行简便、精确测量。
3、所采用的激光经纬仪能对顶管机进行有效导向，并能直接、简便、准确判断出顶管机的偏转情况。并且，所采用的激光经纬仪能与由全站仪和特定反射片组成的三维测量装置相配合使用。
综上所述，本发明设计合理、使用操作简便且使用效果好、测量准确，将全站仪与布设于顶管机机头特定位置的反射片相结合，对顶管机姿态进行简便、精确测量。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明三维测量系统中全站仪的使用状态示意图。
图2为本发明三维测量系统的电路原理框图。
图3为本发明安装架的结构示意图。
图4为本发明顶管机机头6个测点的布设位置示意图。
图5为本发明激光经纬仪的使用状态示意图。
附图标记说明:
1—机头壳体；2—全站仪；3—工作井；
4—上位处理器；5—反射片；6—水平封底层；
7—后侧井壁；8—前侧井壁；9—安装架；
9-1—下部支撑架；9-2—上部支架；9-3—水平支杆；
10—激光经纬仪；11—靶盘；12—位移检测单元。
具体实施方式
如图1所示的一种顶管机姿态三维测量系统，包括对顶管机机头的机头壳体1后侧壁上三个测点的三维坐标分别进行测量的全站仪2，所述全站仪2位于机头壳体1后侧的工作井3内；所述顶管机机头的刀盘安装在机头壳体1的前侧壁上，所述机头壳体1的前侧壁和后侧壁均与所述刀盘呈平行布设，所述刀盘与机头壳体1呈同轴布设，所述刀盘的中心轴线与机头壳体1前侧壁之间的交点为点a，所述刀盘的中心轴线与机头壳体1后侧壁之间的交点为点b；三个所述测点分别为位于机头壳体1后侧壁上的测点c、测点d和测点e，三个所述测点分别为△cde的三个顶点。
其中，测点c、测点d和测点e围成一个三角形cde(即△cde)。
如图2所示，本发明所述的一种顶管机姿态三维测量系统，还包括与全站仪2连接的上位处理器4。
实际使用时，所述全站仪2将所测得数据同步传送至上位处理器4。
为测试简便、准确，每个所述测点上均设置有一个供全站仪2测量用的反射片5，所述反射片5平贴在机头壳体1的后侧壁上。
为进一步确保坐标测试结果的准确性，所述反射片5为反射镜片且其为圆形，每个所述反射片5的圆心均位于一个所述测点上。实际使用时，所述反射片5也可以采用其它形状的反射镜片，如矩形、正多边形等。
为安装简便且测试方便，所述工作井3内设置有供全站仪2安装的安装架9，所述安装架9呈竖直向布设且其底部固定在工作井3底部。
其中，所述工作井3为始发井。
如图1所示，所述工作井3为由上至下开挖形成的竖井；
所述竖井为立方体结构，所述竖井的四个井壁均呈竖直向布设且其四个所述井壁均为现浇钢筋混凝土结构，所述竖井的内侧底部为水平封底层6，所述水平封底层6为钢筋混凝土层，所述竖井的四个所述井壁均与水平封底层6紧固连接为一体；所述竖井的四个所述井壁分别为前侧井壁8、位于前侧井壁8正后方的后侧井壁7以及分别连接于前侧井壁8与后侧井壁7左右两侧之间的左侧井壁与右侧井壁；
所述工作井1的前侧井壁8上预留有供所述顶管机机头通过的进洞洞口；
所述安装架9为底部埋设于水平封底层6内的竖向支架，所述安装架9与前侧井壁8呈平行布设；所述安装架9位于前侧井壁8与后侧井壁7之间，所述全站仪2位于所述进洞洞口后侧。
这样，对顶管机姿态进行测量时，只需在工作井1内布设安装架9，并将全站仪2安装于安装架9上即可，实际安装非常简便；并且，安装架9预先安装在工作井1内，不会对顶管施工工期造成任何不良影响。另外，安装架9仅底部固定于水平封底层6上，因而固定基础平稳，支撑牢靠，安装架9仅与水平封底层6(也称为工作井底板)单独连接，除此之外安装架9与其它任何设备均不接触，这样能有效避免因其它设备的震动或移动导致安装架9震动并间接导致全站仪2不稳定从而导致测量数据的不准确、顶管机姿态测量中断等问题。
由于在顶管机开挖掘进过程中，不能直接测量刀盘的中心坐标，只能用间接法来推算出刀盘中心的坐标。而采用如图1所示的三维测量系统，能简便、准确得出刀盘中心的坐标。
如图3所示，所述安装架9包括下部支撑架9-1和安装在下部支撑架9-1上的上部支架9-2，所述上部支架9-2呈竖直向布设；所述下部支撑架9-1和上部支架9-2均为由多根型钢杆件拼接而成的型钢支架。
所述安装架9具有足够的支撑强度，并且安装架9加工制作简便且固定简便、牢靠，下部支撑架9-1底部浇筑于水平封底层6内。
本实施例中，所述上部支架9-2包括由上至下套装在下部支撑架9-1顶部的门式架和安装在所述门式架内且供全站仪2水平放置的水平支杆9-3，所述水平支杆9-3位于下部支撑架9-1上方。
所述安装架9由下部支撑架9-1和上部支架9-2组装而成，下部支撑架9-1底部固定在水平封底层6内。实际安装时，先将下部支撑架9-1固定至水平封底层6内，再将上部支架9-2由上至下套装在下部支撑架9-1上。
本实施例中，所述门式架包括左右两个对称布设的竖向支杆和一根连接于两根所述竖向支杆顶端之间的水平上横杆。
本实施例中，所述上部支架9-2为能进行竖向上下移动的移动架，所述上部支架9-2与下部支撑架9-1之间通过连接螺栓进行紧固连接，所述上部支架9-2的左右两个支杆上均开有一个供所述连接螺栓安装的螺栓安装孔，并且下部支撑架9-1的左右两侧均由上至下开有多个供所述连接螺栓安装的螺栓安装孔。
因而，通过上下移动上部支架9-2，能对全站仪2的安装高度进行相应调整。
本实施例中，所述下部支撑架9-1和上部支架9-2均为由多根型钢杆件焊接而成的型钢支架。
实际使用时，可以根据具体需要，在下部支撑架9-1的前后两侧安装斜向支撑杆或斜向爬梯，所述斜向支撑杆和斜向爬梯的底部均支撑于水平封底层6上且二者的顶部均支撑于下部支撑架9-1上部。
如图4所示，本实施例中，所述机头壳体1的后侧壁上设置有6个测点，6个所述测点分别为1#测点、2#测点、3#测点、4#测点、5#测点和6#测点；1#测点和2#测点呈左右对称布设，3#测点和4#测点呈左右对称布设，5#测点和6#测点呈左右对称布设；1#测点、2#测点和3#测点由上至下布设于同一直线上，4#测点、5#测点和6#测点由上至下布设于同一直线上，3#测点、点b和4#测点由左至右布设于同一水平直线上。实际使用时，也可以根据具体需要，对所述机头壳体1后侧壁上所设置测点的数量以及各测点的布设位置分别进行相应调整。每个所述测点上均安装有一个所述反射片5。
实际测量时，可以从6个所述测点中任意选取不在同一直线上的3个测点分别作为测点c、测点d和测点e，选取灵活，能满足不同形状顶管机的姿态测量需求。
本实施例中，所施工地下管道为矩形管道，所述机头壳体1为立方体壳体，所述机头壳体1的前侧壁和后侧壁形状均与所述矩形管道的横截面形状相同。
所述刀盘上设置有多个切削刀盘，多个切削刀盘组成所施工地下管道处于施工区域土体进行全断面切削的全断面切削装置，多个所述切削刀盘布设于同一平面上。
如图2、图5所示，本发明所述的一种顶管机姿态三维测量系统，还包括对机头壳体1进行偏转测量的激光经纬仪10，所述机头壳体1后侧壁上设置有供激光经纬仪10所发出激光束投射的靶盘11，所述激光经纬仪10位于工作井3内；所述靶盘11平贴在机头壳体1的后侧壁上，所述靶盘11位于机头壳体1后侧壁的竖向中心线上；
所述顶管机机头为对所施工地下管道进行顶管施工的顶管机的机头，所述激光束的投射方向与所施工地下管道的设计中心轴线一致。所施工地下管道为由多个管道拼装节从前至后拼接而成的拼接式管道。
其中，所述激光束在机头壳体1后侧壁上的投射点与激光经纬仪10的激光发射口之间的连线为所述激光束的中心轴线。
所述激光束的中心轴线与所施工地下管道的设计中心轴线呈平行布设且二者布设于同一平面上。
本实施例中，所述激光束的中心轴线位于所施工地下管道的设计中心轴线正上方。因而，根据所述激光束的中心轴线位置，对激光经纬仪10的安装高度进行相应调整。
为安装简便，本实施例中，所述激光经纬仪10安装于安装架9上。
由于安装架9仅与水平封底层6(也称为工作井底板)单独连接，这样能有效避免因其它设备的震动或移动导致安装架9震动并间接导致激光经纬仪10不稳定从而导致测量数据的不准确、顶管机姿态测量中断等问题。
本实施例中，所述激光经纬仪10安装于所述门式架上。
并且，所述激光经纬仪10安装于所述水平上横杆上。
本实施例中，所述激光经纬仪10位于全站仪2的正上方。并且，所述激光经纬仪10和全站仪2均位于所述进洞洞口的正后方。
本实施例中，所述安装架9位于所述进洞洞口的正后方。
为测量简便、准确，所述靶盘11为圆形。
所述靶盘11的几何中心点与所述激光束在机头壳体1后侧壁上的投射点之间的间距为机头壳体1的偏差值。并且，根据所述激光束在机头壳体1后侧壁上的投射点位置与所述靶盘11的几何中心点位置，能直接得出机头壳体1的偏转方向。
根据本领域公知常识，经纬仪是测量工作中的主要测角仪器。由望远镜、水平度盘、竖直度盘、水准器、基座等组成。所述激光经纬仪10是将激光器发射的激光束，导入经纬仪的望远镜筒内，使其沿视准轴方向射出，以此为准进行定线、定位和测设角度、坡度，以及大型构件装配和划线、放样等。
本实施例中，所述靶盘11可以采用圆形反射镜片。
采用激光经纬仪10对机头壳体1进行偏转测量时，激光经纬仪10所发出激光束与所施工地下管道的设计轴线和管道坡度一致，采用顶管机对所施工地下管道进行顶进施工之前，使激光经纬仪10所发出激光束直接打到靶盘11上，并使所述激光束在机头壳体1后侧壁上的投射点与所述靶盘11的几何中心点重合。
顶进施工过程中，由于顶管机机头和管道拼装节在顶进时都在不断向前移动，激光经纬仪10所发出激光束在顶管机机头和管道拼装节移动的同时对靶盘11进行持续跟踪，这样在顶进过程中在靶盘11上能直观看出顶管机机头的前进方向是否按照管道设计轴线和坡度掘进，若发现有偏差顶管机机头操作人员能及时依据靶盘11上得出的偏差数据来进行反向纠偏。
当顶管轴线(即机头壳体1的中心轴线或所述顶管机的中心轴线)与设计坡度(即管道设计轴线)不一致时，则投光点(即所述激光束在机头壳体1后侧壁上的投射点)的位置到靶心(即所述靶盘11的几何中心点)的距离为实际的偏差值。规范规定的差值允许值小于2cm。值得注意的是，望远镜为正像时与正看的实物相符。当望远镜为倒像时望远镜里面的左偏，实际是右偏；当望远镜里的右偏，实际是左偏。
实际进行顶进施工过程中，通过判断所述激光束在机头壳体1后侧壁上的投射点是否与所述靶盘11的几何中心点重合，便能对任一掘进位置处所述顶管机是否存在偏转进行直观、简便且准确判断；同时，根据所述激光束在机头壳体1后侧壁上的投射点位置与所述靶盘11的几何中心点位置，便能直观、简便且准确得出任一掘进位置处所述顶管机的偏转方向和偏转值(也称偏差值)。实际使用时，通过单独布设的望远镜或激光经纬仪10自带的望远镜便能对所述激光束在机头壳体1后侧壁上的投射点位置与所述靶盘11的几何中心点位置进行直观获取，实现方便。
由上述内容可知，顶进施工过程中，通过激光经纬仪10便能对所述顶管机进行实时导向，具体是通过所述激光束在机头壳体1后侧壁上的投射点位置与所述靶盘11的几何中心点位置进行导向，使所述顶管机不会出现较大程度偏转(也称偏移)；同时，根据全站仪2所测得数据能准确测量出任一掘进位置处所述顶管机的姿态，从而为顶管机纠偏提供更为准确、可靠的参考依据。
实际使用时，所述激光经纬仪10将所测得数据同步传送至上位处理器4。
采用如图1所示的三维测量系统对顶管机姿态进行测量时，包括以下步骤：
步骤一、顶进前准备工作：在用于顶进所施工地下管道的工作井3内安装全站仪2，并对机头壳体1上点a与点b的间距、点a与三个测点的间距以及点b与三个测点的间距分别进行确定；
其中，点a与点b的间距记作lab，点a与测点c的间距记作lac，点a与测点d的间距记作lad，点a与测点e的间距记作lae；点b与测点c的间距记作lbc，点b与测点d的间距记作lbd，点b与测点e的间距记作lbe；
步骤二、顶进及顶管机姿态同步测量：采用顶管机对所施工地下管道进行顶进，顶进过程中采用所述测量系统对多个不同顶进位置处的顶管机姿态分别进行测量，获得多个不同顶进位置处的顶管机姿态测量数据；多个不同顶进位置处的顶管机姿态测量方法均相同，每个顶进位置处的顶管机姿态测量数据均包括该顶进位置处机头壳体1上点a的三维坐标与点b的三维坐标以及机头壳体1的坡度；
对任一个顶进位置处的顶管机姿态进行测量时，过程如下：
步骤201、测点三维坐标测量：采用全站仪2对此时机头壳体1上三个测点的三维坐标分别进行测量；
其中，测量出的测点c的三维坐标记作(x1,y1,z1)，测量出的测点d的三维坐标记作(x2,y2,z2)，测量出的测点e的三维坐标记作(x3,y3,z3)；
步骤202、顶管机姿态计算：根据步骤一中所确定的机头壳体1上点a与点b的间距、点a与三个测点的间距以及点b与三个测点的间距，并结合步骤201中测量出的此时机头壳体1上三个测点的三维坐标，按照公式
再根据公式
本实施例中，步骤201中采用全站仪2对此时机头壳体1上三个测点的三维坐标分别进行测量后，所述全站仪2将所测得的萨内坐标同步传送至上位处理器4，通过上位处理器4进行步骤202中所述的顶管机姿态计算。
本实施例中，步骤一中对机头壳体1上点a与点b的间距、点a与三个测点的间距以及点b与三个测点的间距分别进行确定时，采用长度测量工具分别进行测量或采用坐标法进行确定；
采用坐标法进行确定时，包括以下步骤：
步骤a、建立三维空间直角坐标系：将机头壳体1水平放置，再以机头壳体1上点a为坐标原点，以机头壳体1的中心轴线为x轴且以竖直方向为z轴建立三维空间直角坐标系，并对机头壳体1上点a、点b与三个测点在所建立三维空间直角坐标系中的三维坐标分别进行确定；其中，点a在所建立三维空间直角坐标系中的三维坐标为(0,0,0)，点b在所建立三维空间直角坐标系中的三维坐标为(x0,0,0)，其中x0＝lab；测点c在所建立三维空间直角坐标系中的三维坐标记作(xc,yc,zc)，测点d在所建立三维空间直角坐标系中的三维坐标记作(xd,yd,zd)，测点e在所建立三维空间直角坐标系中的三维坐标记作(xe,ye,ze)；
步骤b、间距确定：根据步骤a中所确定的机头壳体1上点a、点b与三个测点在所建立三维空间直角坐标系中的三维坐标，对机头壳体1上点a与三个测点的间距以及点b与三个测点的间距分别进行确定；其中
如图4所示，点a和点b所在的直线ab所述顶管机的中心轴线，由6个所述测点中选取1#测点作为测点c，选取4#测点作为测点d，选取5#测点作为测点e，这样点a、1#测点(即测点c)、4#测点(即测点d)和5#测点(即测点e)一个四面体，测量出1#测点(即测点c)、4#测点(即测点d)和5#测点(即测点e)的三维坐标，便能计算出该四面体中6条边的边长，所述顶管机掘进过程中该四面体中6条边的边长是始终不变的常量，这样通过测量1#测点(即测点c)、4#测点(即测点d)和5#测点(即测点e)的三维坐标，便能计算出点a与点b的三维坐标。
由于点a和点b所在的直线ab所述顶管机的中心轴线，因而根据计算出点的a与点b的三维坐标，便能得出任一掘进位置处所述顶管机的中心轴线，与预先设计的所施工地下管道的中心轴线(即管道设计轴线)对比，便能得出任一掘进位置处所述顶管机的偏转方向和偏转量，包括所述顶管机在水平方向上的偏转方向和偏转量以及在竖直方向上的偏转方向和偏转量。同时，能计算得出任一掘进位置处机头壳体1的坡度p坡(即所述顶管机的俯仰角)，从而达到检测顶管机姿态的目的。
本实施例中，本发明所述的一种顶管机姿态三维测量系统，还包括对所述顶管机机头的移动位置(即掘进位置)进行实时检测的位移检测单元12，所述位移检测单元12与上位处理器4连接。
实际使用时，计算得出某一掘进位置处机头壳体1上点a与点b的三维坐标后，将计算得出的点a与点b的三维坐标，与预先设计的该掘进位置处机头壳体1前侧刀盘中心点与后侧壁中心点的设计三维坐标进行对比，便能得出该掘进位置处所述顶管机的中心线轴线与管道设计轴线的左右偏差值和上下偏差值以及所述顶管机的坡度，从而获得顶管机的姿态。
所述顶管机在进出洞时，机身重力在始发阶段是由洞门框梁和始发托架承受，当顶管机顶进一定距离后机身大部分重力将由土体承受，由于土体承载力较弱，在重力作用下会引起底层下沉，从而使顶管机具体是顶管机机头前体下沉机尾上翘，则出现所谓栽头现象。尤其是当所施工地下管道上跨现有运营的地铁隧道时，需对所述顶管机的姿态进行及时、准确测量，采用本发明所述的三维测量系统及测量方法，能简便、快速且准确对掘进施工过程中顶管机姿态进行精准测量，并根据测量结果对顶管机姿态进行调整即可，能有效减少对下方地铁隧道的扰动，应用价值非常高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。