一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法技术

本发明专利技术提出了一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其步骤为：在掘进机的尾部及每段管节的尾部安装激光靶；以每个激光靶为一个节点，在掘进开始前，利用全站仪测量掘进机和始发管节的节点坐标，建立关于俯仰角和水平方位角的数学模型；掘进开始后，利用全站仪实时测量末端节点的坐标，通过数学模型确定折线的俯仰角和水平方位角；利用下一节点的激光靶测量的光斑坐标变化量计算末端节点的角度偏移量，修正折线的角度，计算当前节点的坐标；重复上述步骤，获取下一节点的坐标，直到获得第一节点即掘进机的实际坐标。本发明专利技术解决了现有测量方法难以建立精准有效的数学模型的难题，提高了施工的效率和精度，降低了维护测量系统的人力及时间成本。

【技术实现步骤摘要】
一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法
本专利技术涉及曲线掘进机的
，尤其涉及一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法。
技术介绍
NEWTULIP工法(NetworkEvolutionWideTunnellingandUndergroundspaceLibertyInstallcurvedPiping，曲线管幕非开挖地下空间构筑技术)，即曲线管幕暗挖工法，管幕由掘进机实施完成，一般采用小型顶管掘进机顶进钢管到土体中形成超前支护，然后再开挖施工主体结构或者采用箱涵顶进方案进行施工，是一种新型暗挖法施工技术。隧道由一个个的管节拼装而成，在设计时管节的中心轴线是标准的圆弧，但掘进机在地下前进的过程中，管节受到土体的挤压而产生形变，导致掘进机的姿态发生变化，而确定掘进机在土体中的姿态是进行掘进施工导向的前提。目前，掘进机在土体中的姿态测量一般采用倾斜仪和滚转仪，其中，倾斜仪和滚转仪安装在曲线掘进机先导管的铰接位置的后面，可以测量先导管的俯仰角和滚动角，但无法测量导航角。掘进机在土体中的位置测量一般采用陀螺仪、水平仪或者激光照射器中的一种或者多种，其中，(1)陀螺仪安装在管节中特别设置的测量管内，通过始发顶推系统处的测试系统测量顶管机的水平位置，其测量误差会随着时间积累；(2)水平仪安装在管节中，只能测量仪器安装处的水平位置；(3)激光照射器安装在顶管机盾体内，通过管节内安装的反射镜，将激光反射到始发处顶推装置后方的激光接收装置，以测量顶管的位置。激光照射器发出的激光经过了多次反射才打到接收装置上，整个系统难以建立精度较高的数学模型，所以激光照射器一般用于定性测量顶管的位置变化，不能定量测量顶管的实际位置。综上所述，现有的测量方法难以有效地检测先导管在土体中的实际姿态和位置的全部信息，给施工时的导向带来了不便。相应地，本领域存在着发展一种能够准确地检测先导管在土体中的实际姿态和位置的全部信息的定曲率小口径曲线顶管的导向方法的技术需求。
技术实现思路
针对现有掘进机的姿态测量方法不能有效检测先导管节在土体中的实际姿态和位置的全部信息，给施工时的导向带来了不便的技术问题，本专利技术提出一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，从地面结构的精确坐标开始，推导土体中曲线顶管先导管节的实际姿态和位置的全部信息，准确性较好，且信息可以更好地满足导向的需求。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其步骤如下：步骤一：在掘进机的尾部及每段管节的尾部安装激光靶，管节的激光靶上安装平行光管，平行光管发射的激光可到达前一管节或掘进机的激光靶上；步骤二：以每个激光靶为一个节点，在掘进开始前，利用全站仪测量掘进机和始发管节的节点坐标，建立相邻节点之间的折线，从而获得每段折线的长度、俯仰角和水平方位角，与激光靶测量的节点的光斑坐标相结合，建立关于末端节点与下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角的数学模型；步骤三：掘进开始后，利用全站仪实时测量末端节点的坐标，通过数学模型确定末端节点与下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角；步骤四：利用下一节点的激光靶测量的光斑坐标变化量计算相对于初始位置末端节点的角度偏移量，利用角度偏移量修正折线的角度，根据修正折线的角度计算当前节点的坐标；步骤五：根据已获得的当前节点的坐标和折线角度，重复步骤四，获取下一节点的坐标，直到获得第一节点的坐标；步骤六：掘进过程中，不断推进并安装新的管节，用全站仪来测量当前最后一段管节的尾部的激光靶的坐标变化，接着重复步骤三-五，更新此时掘进机的实际坐标。所述步骤二中掘进机上设有激光靶I，始发管节为管节I，管节I上设有激光靶II，激光靶I形成节点I，激光靶II形成节点II，末端节点为管节I后端管节II上的激光靶III形成的节点III，节点I与节点II之间的折线为折线段L1，节点III与其下一节点的节点II之间的折线为折线段L2。所述步骤二中末端节点与其下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角是折线段L2的俯仰角和水平方位角，俯仰角和水平方位角的数学模型通过节点III上激光靶的中心线与折线段L2的夹角固定不变确定，实现方法为：S21，全站仪测量节点III和节点II的坐标从而确定折线段L2的俯仰角VL2和水平方位角HL2；S22，节点III的激光靶实时感应的全站仪发射激光产生光斑的光斑坐标(u3，v3)，确定光斑坐标(u3，v3)与全站仪发射激光的角度θu和θv，u3和v3分别表示光斑与激光靶III的中心线水平方向和竖直方向的距离；S23，节点III上激光靶的中心线与折线段L2的夹角为：Δv＝VL2-Vθv；其中，H和V分别表示全站仪发射到节点III上的激光的水平角和垂直角；θu和θv分别表示节点III上的光斑与全站仪发射激光的水平角和垂直角；Δh和Δv分别表示激光靶III的中心线与折线段L2的水平角和垂直角；S24：在掘进中，折线段L2实时的俯仰角和水平方位角分别为：VL2＝V+θv+Δv；所述光斑坐标(u3，v3)与全站仪发射激光的角度θu和θv分别为：其中，f表示激光靶III中凸透镜的焦距。所述步骤四中末端节点所在的管节II未发生形变，则节点III的激光靶III与节点II的激光靶II相对静止，节点II的激光靶II读取到的光斑坐标不会发生变化，仍为初始值(u2，v2)；若管节II发生形变，节点II的激光靶II读取到的光斑坐标为(u2'，v2')，则管节II所在的折线段L2在水平方向和竖直方向的角度变化量分别为：Δθu2＝atan(u2′/f)-atan(u2/f)；Δθv2＝atan(v2′/f)-atan(v2/f)；其中，f表示激光靶II中凸透镜的焦距；Δθu2表示折线段L2在水平方向的形变量，Δθv2表示折线段L2在竖直方向的形变量；则，此时折线段L2的俯仰角V′L2和水平方位角H′L2分别为：V′L2＝VL2+Δθv2。所述步骤四中根据修正折线的角度计算当前节点的坐标的方法为：节点II的坐标根据节点III的坐标和折线段L2的长度、俯仰角V′L2和水平方位角H′L2求出：x2＝x3+L2*cos(V′L2)*cos(H′L2)y2＝y3+L2*cos(V′L2)*sin(H′L2)z2＝z3+L2*sin(V′L2)其中，L2为折线段L2的长度，x3，y3，z3分别表示节点III的实时坐标，x2，y2，z2分别表示节点II的坐标；掘进过程中，折线段L1与折线段L2的水平方位角的夹角Δh21、俯仰角的夹角Δv21不变，则折线段L1的俯仰角VL1和水平方位角HL1分别为：VL1＝V′L2+Δv21，HL1＝H′L2+Δh21。若管节I发生形变，节点I上的激光靶I读取到光斑的光斑坐标在水平方向和竖直方向的角度变化量分别为Δθu1和Δθv1，折线段L1在变形之后的俯仰角V′L1和水平方位角H′L1分别为：V′L1＝VL1+Δθv1；则节点I的坐标分别为：x1＝x2+L1*cos(V′L1)*cos(H′L1)，y1＝y2+L1*cos(V′L1)*sin(H′L1)，z1＝z2+L1*sin(V′L1)。其中，x2，y2，z2分别表示节点II的坐标，x1，y1，z1分别表示节点I的坐标。当有j个节点时，有j-1个管片和j-1根折线段Li，折本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：在掘进机的尾部及每段管节的尾部安装激光靶，管节的激光靶上安装平行光管(10)，平行光管(10)发射的激光可到达前一管节或掘进机的激光靶上；步骤二：以每个激光靶为一个节点，在掘进开始前，利用全站仪测量掘进机和始发管节的节点坐标，建立相邻节点之间的折线，从而获得每段折线的长度、俯仰角和水平方位角，与激光靶测量的节点的光斑坐标相结合，建立关于末端节点与下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角的数学模型；步骤三：掘进开始后，利用全站仪(7)实时测量末端节点的坐标，通过数学模型确定末端节点与下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角；步骤四：利用下一节点的激光靶测量的光斑坐标变化量计算相对于初始位置末端节点的角度偏移量，利用角度偏移量修正折线的角度，根据修正的角度计算当前节点的坐标；步骤五：根据已获得的当前节点的坐标和折线角度，重复步骤四，获取下一节点的坐标，直到获得第一节点的坐标；步骤六：掘进过程中，不断推进并安装新的管节，用全站仪来测量当前最后一段管节的尾部的激光靶的坐标变化，接着重复步骤三‑五，更新此时掘进机的实际坐标。

【技术特征摘要】
1.一种变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：在掘进机的尾部及每段管节的尾部安装激光靶，管节的激光靶上安装平行光管(10)，平行光管(10)发射的激光可到达前一管节或掘进机的激光靶上；步骤二：以每个激光靶为一个节点，在掘进开始前，利用全站仪测量掘进机和始发管节的节点坐标，建立相邻节点之间的折线，从而获得每段折线的长度、俯仰角和水平方位角，与激光靶测量的节点的光斑坐标相结合，建立关于末端节点与下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角的数学模型；步骤三：掘进开始后，利用全站仪(7)实时测量末端节点的坐标，通过数学模型确定末端节点与下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角；步骤四：利用下一节点的激光靶测量的光斑坐标变化量计算相对于初始位置末端节点的角度偏移量，利用角度偏移量修正折线的角度，根据修正的角度计算当前节点的坐标；步骤五：根据已获得的当前节点的坐标和折线角度，重复步骤四，获取下一节点的坐标，直到获得第一节点的坐标；步骤六：掘进过程中，不断推进并安装新的管节，用全站仪来测量当前最后一段管节的尾部的激光靶的坐标变化，接着重复步骤三-五，更新此时掘进机的实际坐标。2.根据权利要求1所述的变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其特征在于，所述步骤二中掘进机(4)上设有激光靶I(1)，始发管节为管节I(5)，管节I(5)上设有激光靶II(2)，激光靶I(1)形成节点I(15)，激光靶II(2)形成节点II(16)，末端节点为管节I(5)后端管节II(6)上的激光靶III(3)形成的节点III(17)，节点I(15)与节点II(16)之间的折线为折线段L1，节点III(17)与其下一节点的节点II(16)之间的折线为折线段L2。3.根据权利要求1所述的变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其特征在于，所述步骤二中末端节点与其下一节点之间折线的俯仰角和水平方位角是折线段L2的俯仰角和水平方位角，俯仰角和水平方位角的数学模型通过节点III(17)上激光靶的中心线与折线段L2的夹角固定不变确定，实现方法为：S21，全站仪测量节点III(17)和节点II(16)的坐标从而确定折线段L2的俯仰角VL2和水平方位角HL2；S22，节点III(17)的激光靶实时感应的全站仪发射激光产生光斑的光斑坐标(u3，v3)，确定光斑坐标(u3，v3)与全站仪发射激光的角度θu和θv，u3和v3分别表示光斑与激光靶III(3)的中心线水平方向和竖直方向的距离；S23，节点III(17)上激光靶的中心线与折线段L2的夹角为：Δv＝VL2-V-θv；其中，H和V分别表示全站仪发射到节点III(17)上的激光的水平角和垂直角；θu和θv分别表示节点III(17)上的光斑与全站仪发射激光的水平角和垂直角；Δh和Δv分别表示激光靶III(3)的中心线与折线段L2的水平角和垂直角；S24：在掘进中，折线段L2实时的俯仰角和水平方位角分别为：VL2＝V+θv+Δv；4.根据权利要求3所述的变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其特征在于，所述光斑坐标(u3，v3)与全站仪发射激光的角度θu和θv分别为：其中，f表示激光靶III(3)中凸透镜(13)的焦距。5.根据权利要求3所述的变曲率小口径曲线掘进机的导向方法，其特征在于，所述步骤四中末端节点所在的管节II(6)未发生形变，则节点III(17)的激光靶III(3)与节点II(16)的激光靶II(2)相对静止，节点II(16)的激光靶II(2)读取到的光斑坐标不会发生变化，仍为初始值(u2，v2)；若管节II(6)发生形变，节点II(16)的激光靶II(2)读取到的光斑坐标为(u2′，v2′)，则管节II(6)所在的折线段L2在水平方向和竖直方向的角度变化量分别为：Δ...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾连辉，潘明华，孟祥波，龚廷民，刘恒杰，林福龙，张九宇，
申请(专利权)人：中铁工程装备集团有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41