基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统及方法，采用光纤陀螺和双轴传感器组成导向靶，从而将该导向靶安装于顶管机的机头内，来实现狭小的联络通道施工空间内的导向，利用光纤陀螺获得导向靶在施工坐标系统中的方位角，利用双轴传感器获得导向靶的坡度角和滚角，结合施工掘进前精确标定出的机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值，无需全站仪的观测即可解算出机头和尾部中心的施工三维坐标，从而获取顶管机的姿态信息，实现对顶管机的导向。在无需全站仪观测的情形下即可得到顶管机的姿态信息，从而解决了观测台(用于安装全站仪的平台)的稳定性差造成的测量准确性低的问题，也解决了施工中目标遮挡的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统及方法
本专利技术涉及隧道工程
，特指一种基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统及方法。
技术介绍
顶管导向随着顶管施工的发展，由人工导向过度到了自动导向，目前世界范围来讲通用性最好、最成熟的顶管导向系统，就是德国VMT公司开发的型号为SLS-RV的顶管导向系统。SLS-RV导向系统利用安装在移动的管节壁上的带隧道激光发射器自动全站仪发出的激光对顶管机的掘进提供稳定的基准，而自动全站仪的定位通过倾斜仪、参考棱镜和距离传感器实现，但由于顶管的施工工艺，因此对于长距离顶进的顶管施工必须必须定期校核，一般100m一次。目前在国内使用较多的顶管导向系统主要有以下两种，这两种都应用了激光测量装置，激光测量装置是当前顶管施工中应用最普遍的姿态测量装置。第一种为中国在先专利(申请号为03229232.5，专利技术创造名称为微型顶管机的机头姿态激光测量装置)公开的一种激光测量装置，如图1所示，主要由激光光源1a、光靶2a、测量环3a、摄像机4a、计算机5a、倾斜仪6a组成，光靶2a设置在测量环3a上，摄像机4a朝光靶2a方向设置，辅以适当的照明，倾斜仪6a固定于微型顶管机机头中，其信号经过微型顶管机机头内PLC可编程控制器送到控制台的计算机5a，摄像机4a的信号直接送到计算机5a。控制台上能够监视光点的位置，并通过计算机5a取得顶管机同推进轴线的偏差以及相关施工参数。第二种为伊势机公司中小口径泥水平衡顶管机TCZ，TCS所配备的RSG反射型方向诱导装置，如图2所示，也是一种应用激光技术的姿态测量装置，它包括激光光源1b、摄像机2b、光靶二3b、光靶一4b、反射镜5b、计算机6b。它由两块光靶组成，光靶一显示的是实际偏差值，光靶二是反射光靶，激光透过光靶一射向前方的反射镜，然后反射到光靶二上，根据两点成直线的原理，RSG反射型方向诱导装置在得到实际偏差的同时也可以实时得到顶管机机头的水平方位角和俯仰角。但是，针对顶管法施工左右双线隧道间连接的联络通道的工况，由于顶管机的后靠设置在隧道的管片上，在顶管机掘进施工时，该后靠位置处的管片的稳定性差，无法保证安装在该后靠位置处的观察台的稳定性，从而影响测量的准确性；另外，在顶进施工中，顶管空间狭小，由于运输等施工工序会造成目标遮挡的情况，使得现有上述两种测量装置均难以适用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向系统及方法，解决现有的联络通道的狭小空间施工中观测台的稳定性差造成的测量准确性低及施工中目标遮挡而导致常用的测量装置难以适用的问题。实现上述目的的技术方案是：本专利技术提供了一种基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向方法，包括如下步骤：提供一导向靶，所述导向靶包括光纤陀螺和双轴传感器，且所述光纤陀螺的敏感轴与所述双轴传感器的坡度轴平行设置，将所述导向靶安装于顶管机的机头内；在导向靶上选定一原点并以所述敏感轴所在的直线为轴建立导向靶坐标系；在顶管机掘进施工前对所述导向靶进行初始标定，并获取初始标定状态下的顶管机机头中心和尾部中心在所述导向靶坐标系中对应的坐标值，分别为机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值，同时获取初始标定状态下所述光纤陀螺的方位角修正值；在顶管机掘进施工的过程中，通过所述光纤陀螺获取对应当前位置的导向靶的方位角，通过所述双轴传感器获取对应当前位置的导向靶的坡度角和导向靶的滚角；以及利用所述的机头中心局部坐标值、尾部中心局部坐标值、导向靶的方位角、方位角修正值、导向靶的坡度角以及导向靶的滚角，计算得出对应当前位置的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标，从而获得了顶管机的姿态，利用所获得的顶管机的姿态对顶管机的施工进行导向。本专利技术采用光纤陀螺和双轴传感器组成导向靶，从而将该导向靶安装于顶管机的机头内，来实现狭小的联络通道施工空间内的导向，利用光纤陀螺获得导向靶在施工坐标系统中的方位角，利用双轴传感器获得导向靶的坡度角和滚角，结合施工掘进前精确的初始标定得到的机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值，进而无需全站仪的观测即可解算出机头和尾部中心的施工三维坐标，获得了顶管机的姿态信息，实现对顶管机的导向。在无需全站仪观测的情形下即可得到顶管机的姿态信息，从而解决了观测台(用于安装全站仪的平台)的稳定性差造成的测量准确性低的问题，也解决了施工中目标遮挡的问题。本专利技术基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向方法的进一步改进在于，对所述导向靶进行初始标定，包括：提供一目标棱镜，将所述目标棱镜的中心对应于所述导向靶的原点而安装于所述导向靶上；于所述顶管机的后靠架上安装一与所述目标棱镜相对应的全站仪，通过所述全站仪观测所述目标棱镜进而获得初始标定状态下所述目标棱镜的坐标值和所述导向靶的实际方位角；利用初始标定状态下所述导向靶的实际方位角对所述光纤陀螺测得的导向靶的方位角进行修正并获得初始标定状态下的所述光线陀螺的方位角修正值；利用经修正的导向靶方位角和目标棱镜的坐标值，并结合实测的初始标定状态下的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标、导向靶的坡度角及导向靶的滚角，计算得到初始标定状态下机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值。本专利技术基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向方法的进一步改进在于，计算对应当前位置的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标，包括：获取当前位置的导向靶的原点的坐标值；结合所述的机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值并利用公式一求解出机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标，所述公式一为：公式一中：(X′，Y′，Z′)在计算机头中心施工坐标时为初始标定状态下的机头中心局部坐标值，在计算尾部中心施工坐标时为初始标定状态下的尾部中心局部坐标值；(X″，Y″，Z″)在计算机头中心施工坐标时为机头中心施工坐标，在计算尾部中心施工坐标时为尾部中心施工坐标；(Xd，Yd，Zd)为当前位置的导向靶的原点的坐标值；α靶为经修正的导向靶的方位角，β靶为导向靶的坡度角，φ后为当前位置所对应的导向靶的滚角。本专利技术基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向方法的进一步改进在于，还包括利用所述目标棱镜和所述全站仪对所述导向靶进行定期标定，包括：依据设定时间通过所述全站仪观测所述目标棱镜及所述导向靶撒花姑娘的特征点，获得当前标定状态下导向靶的实际方位角和目标棱镜的坐标值；利用当前标定状态下导向靶的实际方位角对所述光纤陀螺测得的导向靶的方位角进行修正并获得当前标定状态下的所述光纤陀螺的方位角修正值；利用当前标定状态下的导向靶的实际方位角、光纤陀螺的方位角修正值和目标棱镜的坐标值，计算当前标定状态至下一次标定之间的机构中心施工坐标和尾部中心施工坐标。本专利技术基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向方法的进一步改进在于，还包括获取当前位置的导向靶的原点的坐标值，包括：通过所述全站仪观测所述目标棱镜进而获得所述目标棱镜的坐标值；或者利用公式三求解所述导向靶的原点的坐标值，所述公式三为：Xd＝X0+L*COS(α光+Δ修)+B*(SINφ后-SINφ前)*COS(α光+Δ修+π/2)Yd＝Y0+L*SIN(α光+Δ修)+B*(SINφ后-SINφ前)*SIN(α光+Δ修+π/2)Zd＝Z0+L*本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向方法，其特征在于，包括如下步骤：提供一导向靶，所述导向靶包括光纤陀螺和双轴传感器，且所述光纤陀螺的敏感轴与所述双轴传感器的坡度轴平行设置，将所述导向靶安装于顶管机的机头内；在导向靶上选定一原点并以所述敏感轴所在的直线为轴建立导向靶坐标系；在顶管机掘进施工前对所述导向靶进行初始标定，并获取初始标定状态下的顶管机机头中心和尾部中心在所述导向靶坐标系中对应的坐标值，分别为机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值，同时获取初始标定状态下所述光纤陀螺的方位角修正值；在顶管机掘进施工的过程中，通过所述光纤陀螺获取对应当前位置的导向靶的方位角，通过所述双轴传感器获取对应当前位置的导向靶的坡度角和导向靶的滚角；以及利用所述的机头中心局部坐标值、尾部中心局部坐标值、导向靶的方位角、方位角修正值、导向靶的坡度角以及导向靶的滚角，计算得出对应当前位置的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标，从而获得了顶管机的姿态，利用所获得的顶管机的姿态对顶管机的施工进行导向。

【技术特征摘要】
1.一种基于非连续通视下顶管法联络通道施工的导向方法，其特征在于，包括如下步骤：提供一导向靶，所述导向靶包括光纤陀螺和双轴传感器，且所述光纤陀螺的敏感轴与所述双轴传感器的坡度轴平行设置，将所述导向靶安装于顶管机的机头内；在导向靶上选定一原点并以所述敏感轴所在的直线为轴建立导向靶坐标系；在顶管机掘进施工前对所述导向靶进行初始标定，并获取初始标定状态下的顶管机机头中心和尾部中心在所述导向靶坐标系中对应的坐标值，分别为机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值，同时获取初始标定状态下所述光纤陀螺的方位角修正值；在顶管机掘进施工的过程中，通过所述光纤陀螺获取对应当前位置的导向靶的方位角，通过所述双轴传感器获取对应当前位置的导向靶的坡度角和导向靶的滚角；以及利用所述的机头中心局部坐标值、尾部中心局部坐标值、导向靶的方位角、方位角修正值、导向靶的坡度角以及导向靶的滚角，计算得出对应当前位置的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标，从而获得了顶管机的姿态，利用所获得的顶管机的姿态对顶管机的施工进行导向。2.如权利要求1所述的基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向方法，其特征在于，对所述导向靶进行初始标定，包括：提供一目标棱镜，将所述目标棱镜的中心对应于所述导向靶的原点而安装于所述导向靶上；于所述顶管机的后靠架上安装一与所述目标棱镜相对应的全站仪，通过所述全站仪观测所述目标棱镜进而获得初始标定状态下所述目标棱镜的坐标值和所述导向靶的实际方位角；利用初始标定状态下所述导向靶的实际方位角对所述光纤陀螺测得的导向靶的方位角进行修正并获得初始标定状态下的所述光线陀螺的方位角修正值；利用经修正的导向靶方位角和目标棱镜的坐标值，并结合实测的初始标定状态下的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标、导向靶的坡度角及导向靶的滚角，计算得到初始标定状态下机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值。3.如权利要求2所述的基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向方法，其特征在于，计算对应当前位置的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标，包括：获取当前位置的导向靶的原点的坐标值；结合所述的机头中心局部坐标值和尾部中心局部坐标值并利用公式一求解出机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标，所述公式一为：公式一中：(X′，Y′，Z′)在计算机头中心施工坐标时为初始标定状态下的机头中心局部坐标值，在计算尾部中心施工坐标时为初始标定状态下的尾部中心局部坐标值；(X″，Y″，Z″)在计算机头中心施工坐标时为机头中心施工坐标，在计算尾部中心施工坐标时为尾部中心施工坐标；(Xd，Yd，Zd)为当前位置的导向靶的原点的坐标值；α靶为经修正的导向靶的方位角，β靶为导向靶的坡度角，φ后为当前位置所对应的导向靶的滚角。4.如权利要求2所述的基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向方法，其特征在于，还包括利用所述目标棱镜和所述全站仪对所述导向靶进行定期标定，包括：依据设定时间通过所述全站仪观测所述目标棱镜及所述导向靶上的特征点，获得当前标定状态下导向靶的实际方位角和目标棱镜的坐标值；利用当前标定状态下导向靶的实际方位角对所述光纤陀螺测得的导向靶的方位角进行修正并获得当前标定状态下的所述光纤陀螺的方位角修正值；利用当前标定状态下的导向靶的实际方位角、光纤陀螺的方位角修正值和目标棱镜的坐标值，计算当前标定状态至下一次标定之间的机头中心施工坐标和尾部中心施工坐标。5.如权利要求2所述的基于非连续通视下顶管法连通通道施工的导向方法，其特征在于，还包括获取当前位置的导向靶的原点的坐标值，包括：通过所述全站仪观测所述目标棱镜进而获得所述目标棱镜的坐标值；或者利用公式三求解所述导向靶的原点的坐标值，所述公式三为：Xd＝X0+L*COS(α光+Δ修)+B*(SINφ后-SINφ前)*COS(α光+Δ修+π/2)Yd＝Y0+L*SIN(α光+Δ修)+B*(SINφ后-SINφ前)*SIN(α光+Δ修+π/2)Zd＝Z0+L*TAN(β靶)+B*(COSφ后-COSφ前)公式三中，(Xd，Yd，Zd)为当前位置的导向靶的原点的坐标值，(X0，Y0，Z0)为初始标定状态下测定的导向靶的原点的坐标值；β靶为导向靶在当前位置距初始标定状态之间的时间内采集的坡度角的均值，α光光纤陀螺输出的导向靶的方位角均值，Δ修＝α靶-α光为方位角修...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，黄德中，黄于保，陈刚，陈培新，寇晓勇，范杰，李永，麻逸山，费寅，刘喜东，邱龑，
申请(专利权)人：上海隧道工程有限公司，上海隧道盾构工程有限公司，上海盾构设计试验研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31