专利名称：盾构机自动纠偏方法
技术领域：
本发明属于隧道掘进技术，尤其涉及一种盾构机自动纠偏方法。
背景技术：
盾构机，全称为“盾构隧道掘进机”，是一种用于隧道掘进的工程机械。盾构机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多种技术。盾构机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。采用盾构机进行隧道施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、 不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧道较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工较为经济合理。在地下作业的过程中，盾构机的运动轨迹将基本形成地下隧道的实际轴线，要求实际轴线尽量接近或吻合隧道设计轴线(DTA)，以保证隧道工程的质量。因此，盾构机的姿态准确与否将直接影响到这个隧道工程的质量以及隧道的最后贯通，必须严格按照隧道设计轴线准确控制盾构机的实时姿态。如果盾构机的姿态与隧道设计轴线出现偏差，则需要及时对盾构机的姿态进行纠偏。目前实际施工用的盾构机都是由操作人员根据测量结果，采用手工方式进行纠偏操作。为了提高施工效率和实现恶劣环境下无人值守施工操作，需要一种盾构机自动纠偏方法。
发明内容
本发明的目的在于提高施工效率和实现恶劣环境下无人值守施工操作，提供一种盾构机自动纠偏方法。为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的本发明公开了一种盾构机自动纠偏方法，包括以下步骤A、激光全站仪测量盾构机前节部分、铰接部分和后节部分的实时位置和姿态参数；B、计算前节部分、铰接部分和后节部分相对于隧道设计轴线的垂直面偏差和水平面偏差；计算盾构机整体在垂直面和水平面内的相对偏差和相对偏差变化量；C、计算前节部分、后节部分和盾构机整体的相对垂直偏角和水平偏角，并检测与相应的设计值之间的偏差，当所述偏差大于预定阈值时，进入步骤D ；当所述偏差小于预定阈值时，返回步骤A ；D、控制器通过压力传感器采集区压千斤顶的主推力和盾构机的主推油缸压力，依据区压千斤顶的主推力或者盾构机的主推油缸压力确定纠偏方式；E、控制器依据纠偏方式确定执行纠偏的千斤顶的位置，并依据步骤B中计算得到的数据控制执行纠偏的千斤顶的伸缩量，调整前节部分与后节部分的偏转姿态。
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所述步骤A中，激光全站仪将激光发射到隧道中的后视激光标靶以及盾构机内部的两个目标激光标靶，测量目标激光标靶相对于基准点的距离和方位角，并根据盾构机角度传感器和铰接行程传感器的测量数据，计算盾构机的前节部分、铰接部分和后节部分的实时位置和姿态。所述步骤D中，所述纠偏方式包括顶进区压控制纠偏方式、铰接控制纠偏方式和区压铰接组合纠偏方式。当区压千斤顶的主推力大于土质阻力并且超过第一预设值时，采用所述顶进区压控制纠偏方式；当区压千斤顶的主推力大于土质阻力并且未超过第一预设值时，采用所述铰接控制纠偏方式。当盾构机的主推油缸压力大于第二预设值时，采用所述铰接控制纠偏方式；当盾构机的主推油缸压力小于或者等于第二预设值时，在隧道曲线段采用所述区压铰接组合纠偏方式，在隧道直线段采用所述顶进区压控制纠偏方式。在顶进区压控制纠偏方式下，纠偏操作行程对应于输出顶进区压力值的大小；在铰接控制纠偏方式下，纠偏操作行程对应于纠偏油缸压力值的大小。所述步骤E中，为步骤B计算得到的数据设置6个纠偏阈值，根据步骤B计算结果所处的数值范围，执行相应的纠偏控制逻辑算法。采用本发明的技术方案，能够提高施工效率和实现恶劣环境下无人值守施工操作，可实时检测盾构机的前节部分和后节部分的位置和姿态，通过控制区压千斤顶和/或铰接千斤顶的伸缩量，可调整前节部分与后节部分的偏转姿态，以使盾构机的顶进路线接近或吻合隧道设计轴线，从而实现盾构机顶进路线的准确施工控制。
下面根据附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。图1为本发明具体实施方式
提供的盾构机自动纠偏方法的流程示意具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。盾构机包括前节部分、后节部分以及位于前节部分和后节部分之间的铰接部分， 铰接部分采用多个铰接千斤顶将前节部分和后节部分连接。在前节部分的前端安装有刀盘，刀盘旋转以开挖土体。在后节部分的后端布置有多个区压千斤顶，铰接千斤顶和区压千斤顶均可以是液压千斤顶，可根据盾构机的纠偏量的大小控制相应千斤顶的伸缩量来引导盾构机在隧道中掘进。具体地讲，通过控制千斤顶的伸缩量(行程)，可调整前节部分与后节部分的偏转姿态，以使盾构机的顶进路线接近或吻合隧道设计轴线，从而实现盾构机顶进路线的准确施工控制。图1为本发明具体实施方式
提供的盾构机自动纠偏方法的流程示意图；如图1所示，该流程主要包括以下步骤步骤SlOl中，通过安装在隧道中的全站仪测量盾构机前节部分、铰接部分和后节部分的实时位置和姿态等参数。具体地讲，全站仪安装在隧道中，全站仪将激光发射到安装在隧道中的后视激光标靶(对应于后视点)以及安装在盾构机内部的两个目标激光标靶 (对应于两个前视点)上，获得目标激光标靶相对于基准点的距离、方位角等参数。根据全站仪的测量数据以及安装在盾构机中的盾构机角度传感器和铰接行程传感器的测量数据， 可按照推演算法计算得到盾构机的前节部分、铰接部分和后节部分的实时位置和姿态等参数。优选的是，对于采集(测量)的数据，可校验其合理性。将当前值与前三次数据的平均值进行比较，如相差50%以上，则视当前值为无效。对于初始值(即无历史数据，或历史数据与当前值无相关性，如每一环片的第一个数据、倒站、纠偏后的第一个数据等)，需要先采集3个数据，然后再进行校验。步骤S102中，计算前节部分、铰接部分和后节部分相对于隧道设计轴线的垂直面偏差和水平面偏差；计算盾构机整体在垂直面和水平面内的相对偏差和相对偏差变化量。根据计算得到的盾构机的实时位置和姿态等参数，分别计算盾构机的前节部分、 铰接部分和后节部分相对于隧道设计轴线的垂直面偏差Yy YJ2> Yj3和水平面偏差Xy XJ2>
Xj3O计算盾构机整体在垂直面内相对偏差Δγ = Yu-Yp和水平面内相对偏差Δχ = Xjl-Xj30计算垂直面内相对偏差变化量εγ= ΔΥ1-ΔΥ2，水平面内相对偏差变化量εχ = ΔΧ1-ΔΧ2，其中，Δ ^分别表示在前后两个时刻计算的盾构机整体垂直面内相对偏差， ΔΧ1和ΔΧ2分别表示在前后两个时刻计算的盾构机整体水平面内相对偏差。ε γ反映了前后两个时刻的垂直面内相对偏差的变化趋势，ε χ反映了前后两个时刻的水平面内相对偏差的变化趋势，根据垂直面内相对偏差的变化趋势以及水平面内相对偏差的变化趋势，可调整盾构机的纠偏操作，避免发生因为盾构机转弯半径过小而导致纠偏失败。步骤S103中，计算前节部分、后节部分和盾构机整体的相对垂直偏角和水平偏角，并检测与相应的设计值之间的偏差，当所述偏差大于预定阈值时，进入步骤S104 ；当所述偏差小于预定阈值时，返回步骤S101。根据垂直面偏差Yy Yj2, Yj3以及前节部分的长度和后节部分的长度，计算前节部分相对垂直偏角θ U、后节部分相对垂直偏角θ m和整体相对垂直偏角θ P，根据水平面偏差XyXpXp以及前节部分的长度和后节部分的长度，计算前节部分相对水平偏角θ j21、 后节部分相对水平偏角θ M和整体相对水平偏角θ @。对于盾构机纠偏，就是对相对垂直偏角以及相对水平偏角进行纠正，使得盾构机的顶进路线接近或吻合隧道设计轴线。按照下面的等式计算θ jn、θ jl2、θ jl3、θ j21、θ J22 和 θ J23,
权利要求
1.一种盾构机自动纠偏方法，其特征在于，包括以下步骤A、激光全站仪测量盾构机前节部分、铰接部分和后节部分的实时位置和姿态参数；B、计算前节部分、铰接部分和后节部分相对于隧道设计轴线的垂直面偏差和水平面偏差；计算盾构机整体在垂直面和水平面内的相对偏差和相对偏差变化量；C、计算前节部分、后节部分和盾构机整体的相对垂直偏角和水平偏角，并检测与相应的设计值之间的偏差，当所述偏差大于预定阈值时，进入步骤D ；当所述偏差小于预定阈值时，返回步骤A ；D、控制器通过压力传感器采集区压千斤顶的主推力和盾构机的主推油缸压力，依据区压千斤顶的主推力或者盾构机的主推油缸压力确定纠偏方式；E、控制器依据纠偏方式确定执行纠偏的千斤顶的位置，并依据步骤B中计算得到的数据控制执行纠偏的千斤顶的伸缩量，调整前节部分与后节部分的偏转姿态。
2.根据权利要求1所述的盾构机自动纠偏方法，其特征在于，步骤A中，激光全站仪将激光发射到隧道中的后视激光标靶以及盾构机内部的两个目标激光标靶，测量目标激光标靶相对于基准点的距离和方位角，并根据盾构机角度传感器和铰接行程传感器的测量数据，计算盾构机的前节部分、铰接部分和后节部分的实时位置和姿态。
3.根据权利要求1所述的盾构机自动纠偏方法，其特征在于，步骤D中，所述纠偏方式包括顶进区压控制纠偏方式、铰接控制纠偏方式和区压铰接组合纠偏方式。
4.根据权利要求3所述的盾构机自动纠偏方法，其特征在于，当区压千斤顶的主推力大于土质阻力并且超过第一预设值时，采用所述顶进区压控制纠偏方式；当区压千斤顶的主推力大于土质阻力并且未超过第一预设值时，采用所述铰接控制纠偏方式。
5.根据权利要求3或4所述的盾构机自动纠偏方法，其特征在于，当盾构机的主推油缸压力大于第二预设值时，采用所述铰接控制纠偏方式；当盾构机的主推油缸压力小于或者等于第二预设值时，在隧道曲线段采用所述区压铰接组合纠偏方式，在隧道直线段采用所述顶进区压控制纠偏方式。
6.根据权利要求3所述的盾构机自动纠偏方法，其特征在于，在顶进区压控制纠偏方式下，纠偏操作行程对应于输出顶进区压力值的大小，在铰接控制纠偏方式下，纠偏操作行程对应于纠偏油缸压力值的大小。
7.根据权利要求1-6任一所述的盾构机自动纠偏方法，其特征在于，步骤E中，为步骤 B计算得到的数据设置6个纠偏阈值，根据步骤B计算结果所处的数值范围，执行相应的纠偏控制逻辑算法。
全文摘要
本发明公开一种盾构机自动纠偏方法，包括测量盾构机前节部分、铰接部分和后节部分的实时位置和姿态；计算前节部分、铰接部分和后节部分相对隧道设计轴线的垂直面偏差和水平面偏差，计算盾构机整体在垂直面和水平面内的相对偏差；计算垂直面和水平面内相对偏差变化量；计算前节部分、后节部分和盾构机整体的相对垂直和水平偏角，检测与设计值之间的偏差；确定纠偏方式；根据纠偏方式确定将执行纠偏的千斤顶的位置，控制将执行纠偏的千斤顶伸缩量，调整前节部分与后节部分的偏转姿态。采用本发明的技术方案，可实时检测盾构机前节部分和后节部分的位置和姿态，使盾构机的顶进路线接近或吻合隧道设计轴线，实现盾构机顶进路线的准确控制。
文档编号E21D9/093GK102518446SQ201210009569
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月12日 优先权日2012年1月12日
发明者刁春仁, 周政, 方依文, 李月强, 郑仔弟 申请人:北京众策创晟掘进装备有限公司