应用于双护盾隧道掘进机的导向系统及定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于双护盾隧道掘进机(以下简称“TBM”)的导向系统及使用该系统的测量方法，主要用于隧道掘进机施工时的导向。
【背景技术】
[0002]随着轨道交通行业大力发展，双护盾TBM在硬岩地质隧道施工方面得到了广泛应用。目前国内外双护盾TBM应用的导向系统都是将测量标靶直接安装在TBM前盾体上，通过测量通道来进行TBM的掘进导向和姿态矫正。但是由于双护盾TBM在掘进中前盾体的震动以及前盾与支撑盾之间柔性连接的影响，在实际的掘进施工中TBM的导向精度存在着很大的偏差，甚至存在着严重的“盲推”现象。
[0003]双护盾TBM可以实现硬岩隧道开挖、出碴、支护的连续作业，因其安全、高效、可靠的性能，现在已经广泛的应用于水利水电、矿山开采、轨道交通、市政、国防等工程。其主机由刀盘1、前盾2、伸缩盾4、支撑盾6和尾盾8四部分组成(参见图1)。导向系统就像TBM的眼睛一样，指导TBM在掘进施工时沿着隧道设计轴线前进，提高隧道施工效率和隧道施工质量。目前国内外用于TBM的导向系统主要由安装在前盾2上的激光标靶7、安装在隧道管片壁9上的全站仪11和后视棱镜12以及安装导向系统控制软件的工业电脑10四部分组成。导向系统的测量以安装在隧道管片壁9上的全站仪11发出的激光束为基准，当发出激光束照射到安装在TBM前盾2上的激光标靶7时与激光标靶7的轴线相比较，得出前盾2相对于全站仪11的滚动角、俯仰角和旋转角。通过后视棱镜12计算出激光标靶7和全站仪11的直线距离。所有的这些数据通过电缆传输到安装导向系统控制软件的电脑10上，这些数据与输入工业电脑10的隧道设计轴线数据相比较，从而计算出TBM刀盘I掘进中心和隧道设计轴线中心的差值，并把差值在屏幕上显示出来。TBM驾驶室操作人员通过差值的大小来调节TBM的掘进姿态，以达到使隧道的掘进轴线与隧道设计轴线一致的目的。
[0004]TBM的前盾2和伸缩盾4是通过铰接油缸连接在一起的，在这种情况下前盾2相对于伸缩盾4的空间位置关系不固定。为了保证能真实的显现TBM实时掘进的姿态，使TBM沿着隧道设计轴线前进，激光标靶7必须要安装在前盾2上才能最真实的反应刀盘I掘进的姿态。而在整个导向系统的测量过程中，最关键的要点是全站仪11发出的激光束要照射在前盾2的激光标靶7上，光的传输是直线传播的，所以TBM主机中由尾盾8贯穿支撑盾6和伸缩盾4到达前盾2的测量视窗必须要足够大才能满足要求。
[0005]双护盾TBM主要是针对硬岩隧道施工的，在刀盘掘进时产生的粉尘会比较大。为了保证工人的施工环境，减少粉尘和增加施工隧道内的含氧量，双护盾TBM在设计时安装了通风除尘和二次通风两套系统。这种情况下TBM的后配套台车的左右两侧就安装了两根风管(图1中未图示)。使双护盾TBM的测量空间相对其它的隧道掘进机变得更加狭窄。同时，在城市地铁施工时，为了躲避地上建筑物和已有隧道，小转弯半径的地铁隧道设计越来越广泛。隧道轴线设计转弯半径小与双护盾TBM设计的测量视窗小的双重叠加，使得全站仪11发出的激光束及其容易在伸缩盾4之间被遮挡，无法测得前盾2的姿态。这是目前国内外的双护盾导向系统在地铁硬岩隧道施工时普遍存在现象。当无法测量前盾体的姿态时，就必须要前移管片壁9上的全站仪11和后视窗棱镜12，以保证测量视窗的通畅。在这种情况下，一方面频繁的换站会耗费时间，降低隧道施工的效率，增加时间成本，同时频繁的换站，重新校对掘进轴线和设计轴线数据，会增加数据误差，影响施工隧道的质量。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种新型的双护盾TBM用导向系统及测量方法，主要是为了提高双护盾TBM在掘进施工中导向精度，减少测量时的换站频率，使导向系统能够精确的确定TBM的实时姿态，高效快速的掘进。将相对视觉测量系统应用导向系统中，将激光标靶安装在TBM的尾盾上，通过相对测量的方法得到前盾体的姿态，以减小由于测量通道狭小对双护盾TBM导向系统的影响，增加全站仪的测量距离，最终达到提高施工效率和隧道施工质量的目的。
[0007]本发明的技术方案是:一种应用于双护盾隧道掘进机的导向系统，包括安装在管片壁上的后视棱镜、安装在管片壁上的全站仪和安装在驾驶室里的安装了导向系统的工业电脑，其特征在于，还包括安装在支撑盾上的CCD测量相机、安装在前盾上的LED标准特征点、以及安装在尾盾上的激光标靶，CCD测量相机和全站仪与工业电脑之间进行数据传输。
[0008]所述的LED标准特征点由9个或12个LED特征点呈矩形分布在约平方米的平面上。
[0009]—种应用所述的导向系统的导向定位方法，其特征在于，包括以下步骤:
(1)将隧道设计轴线数据传输到导向系统的工业电脑中，通过全站仪和后视棱镜建立大地坐标系；通过安装在前盾上的LED标准特征点和支撑盾上的CCD测量相机，建立CCD相机坐标系和LED标准特征点坐标系；
(2)当TBM在隧道掘进施工时，通过安装在尾盾上的激光标靶，用全站仪测量定位，确定TBM尾盾姿态；安装在支撑盾上的CCD测量相机获取前盾上LED标准特征点的图像，并对图像进行分割和滤波，提取LED标准特征点的成像光斑；通过成像光斑与预先定义的坐标系相比较，从而确定前盾与支撑盾相对位置关系，并将相对位置关系数据传输到工业电脑中；
(3)由于支撑盾与尾盾相对位置关系固定，通过坐标系空间位置计算，并与TBM尾盾位姿比较，从而得出TBM前盾位置与姿态。
[0010]所述的步骤(3)的具体定位方法是:
A、由于双护盾TBM的支撑盾和尾盾存在相对固定的位置关系，提前将这种位置关系的数据输入到工业电脑中；
B、通过支撑盾CCD测量相机和前盾的LED标准特征点，将前盾相对于支撑盾的姿态数据(旋转角，俯仰角和倾斜角)传输到驾驶室的工业电脑上；同时，安装在管片壁上的全站仪将激光束照射在尾盾的激光标靶上，将尾盾的姿态数据(相对于隧道设计轴线)通过电缆也传输到工业电脑中。
[0011]C、通过前盾相对于支撑盾、支撑盾相对于尾盾和尾盾相对于设计轴线的姿态数据，精确地计算出前盾的实时姿态，并显示在工业电脑上。
[0012]本发明的优点是:与目前国内外主流的双护盾TBM导向系统向比较，本发明中全站仪发出的激光束直接照射到安装在尾盾的激光标靶上，支撑