一种隧道开挖快速放样装置和放样方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种隧道开挖快速放样装置及放样方法。该放样装置包括集成箱和固定集成箱的支撑系统；集成箱内安装有控制装置、扫描装置、投影装置和电源，扫描装置的发射镜头、接收镜头以及投影装置的投影镜头均位于集成箱表面，扫描装置和投影装置均通过数据线与控制装置连接。该放样方法为利用扫描装置将隧洞测量控制基准点以及隧洞掌子面，获取隧洞测量控制基准点以及隧洞掌子面信息，控制装置将隧洞测量控制基准点以及隧洞掌子面信息与事先输入到控制装置的隧道的轴线、断面形状、炮眼布置等信息进行处理分析，得到炮眼在掌子面上的位置数据和分布图形，再通过投影单元将炮眼分布图形投影到开挖掌子面，即实现快速施工放样。

A quick lofting device and lofting method for tunnel excavation

The invention discloses a rapid lofting device for tunnel excavation and a lofting method. The lofting device comprises a support system of an integrated box and a fixed integrated box; the integrated box is equipped with a control device, a scanning device, a projection device and a power supply; the transmitting lens, the receiving lens and the projection lens of the projection device of the scanning device are all located on the surface of the integrated box; the scanning device and the projection device are all controlled by data lines. Device connection. In this method, the control datum point and the face of tunnel are measured by scanning device, and the control datum point and the face information of tunnel are obtained. The control device inputs the control datum point and the face information of tunnel into the control device in advance, and the axis, cross-section shape and the hole distribution of the tunnel. After processing and analyzing the information, the position data and distribution figure of the borehole on the face are obtained, and then the distribution figure of the borehole is projected to the face of the excavation through the projection unit.

【技术实现步骤摘要】
一种隧道开挖快速放样装置和放样方法
本专利技术属于隧道开挖施工
，具体涉及一种隧道开挖快速放样装置，本专利技术还涉及利用该装置放样的方法。
技术介绍
开挖面的施工放样是隧道开挖过程中一道重要的工序，控制着隧道开挖方向和开挖后的形状。当前，工程中开挖施工放样大多采用全站仪与棱镜组合进行放样，需要在逐个隧道掌子面放样点且用实体标点或油漆标示出放样点，这样的作法不仅耗时、实体标点容易遭到破坏，而且放样人员长时间在隧道掌子面下工作大大增加了放样过程危险程度。所以，需要研究开发一种设备和相应的放样方法，以缩小施工放样的时间，增加施工放样精度，实现隧道工程开挖施工放样的自动化，加快施工放样速度、缩减工程。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种隧道开挖快速放样装置，实现隧道在开挖过程中不同隧道形状、尺寸掌子面以及隧道轴线的自动化快速放样。本专利技术的另一个目的是提供一种隧道开挖快速放样方法，可大大减少施工放样的时间和增加施工放样精度，并实现隧道工程开挖施工自动化放样。本专利技术所采用的第一个技术方案是，一种隧道开挖快速放样装置，包括集成箱和固定集成箱的支撑系统；集成箱内安装有控制装置、扫描装置、投影装置和电源，扫描装置的发射镜头、接收镜头以及投影装置的投影镜头均位于集成箱表面，扫描装置和投影装置均通过数据线与控制装置连接；进一步地，集成箱上还设置有控制装置显示屏。进一步地，支撑系统为安装有转动云台的三脚架，所述集成箱安放在转动云台上。进一步地，扫描装置为三维激光扫描仪，进一步地，投影装置为激光投影器。本专利技术所采用的另一个技术方案是，采用上述装置进行放样的方法，包括以下步骤：(1)将待放样隧道的轴线、断面形状、炮眼布置信息输入到所述放样装置的控制装置中；(2)将所述放样装置带入距隧道掌子面一定距离处；(3)以集成箱的底面为基面对集成箱作简单的整平，使得集成箱转动时大体绕某一铅直轴线水平转动；(4)开启所述放样装置的电源，启动控制装置，转动集成箱，使扫描装置发射镜头、扫描装置接收镜头对准隧洞测量控制点，并对测量控制点进行扫描，测量控制基准点信息被存储到控制装置中；(5)转动集成箱并将扫描装置发射镜头、扫描装置接收镜头对准隧洞掌子面，对掌子面进行扫描，掌子面和开挖轮廓的三维信息经扫描校正处理后存储到控制装置中；(6)控制装置将步骤(1)初始输入的信息和步骤(4)、(5)扫描到的信息进行匹配处理，分析得到炮眼在掌子面上的位置数据和分布图形；(7)所述投影装置将步骤(6)得到的位置数据和分布图形进行投影校正处理，然后投影到掌子面上，根据掌子面上投影的炮眼位置标注孔位，完成放样。进一步地，步骤(5)扫描校正处理原理为扫描得到的坐标点在扫描系统的坐标经过坐标变换转换到大地大地系统的坐标。处理原理公式为：PL＝(xL,yL,zL,1)T为扫描坐标点，PE＝(xE,yE,zE,1)T为大地系统坐标点，为扫描坐标整体转换矩阵，其中为旋转转换矩阵为平移转换矩阵。进一步地，步骤(6)匹配处理原理为确保大地坐标系统中点炮眼点坐标点与相应的推测坐标点之间的误差距离小于预测距离。处理原理公式为：其中，xE,yE,zE为大地坐标系统中点炮眼点x轴、y轴、z轴方向的目标坐标，x'E,y'E,z'E为大地坐标系统中点炮眼点x轴、y轴、z轴方向的推测坐标，d为系统设定容许误差。进一步地，步骤(7)投影校正处理原理为将要投影的点在大地坐标系统的坐标经过坐标变换转换到投影坐标系统中的坐标。处理原理公式为：PE＝(xE,yE,zE,1)T为大地系统坐标点，PP＝(xP,yP,zP,1)T为投影坐标点，为投影坐标整体转换矩阵，其中为旋转转换矩阵，为平移转换矩阵。本专利技术的有益效果是：本专利技术的隧道开挖快速放样装置以及放样方法利用了扫描技术、数据处理技术以及投影技术，能够实现对隧道开挖施工的快速放样，有效减少放样工程人员在掌子面的工作时间和降低放样工作的风险，通过一次性多点投影可大幅度减少放样时间和缩短工期，可实现掌子面的远程监控。附图说明图1是本专利技术的隧道开挖快速放样装置主体部分结构示意图；图2是本专利技术的隧道开挖快速放样装置整体结构示意图；图3是本专利技术完成的隧道、掌子面以及放样的炮眼示意图；图4是本专利技术的实施示意图；图5是本专利技术的数据流程图。图中，1.控制装置、2.三维激光扫描仪、3.激光投影器、4.电源、5.投影镜头、6.扫描激光发射镜头、7.扫描激光接收镜头、8.控制装置显示屏、9.集成箱、10.云台，11.三脚架、12.炮眼、13.开挖轮廓、14.掌子面、15.隧道、16.测量控制基准点。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术的隧道开挖快速放样装置如图1所示，包括集成箱9和支撑系统，集成箱9内安装有控制装置1、三维激光扫描仪2、激光投影器3和电源4，三维激光扫描仪2的扫描激光发射镜头6、扫描激光接收镜头7以及激光投影器3的投影镜头5均位于集成箱表面，能够向外发射或接受激光，三维激光扫描仪2、激光投影器3均通过数据线与控制装置1连接。电源4用于为整个装置供电。集成箱9上还设置有控制装置显示屏8。支撑系统由的转动云台10和三脚架11组成，转动云台10安装在三脚架11上。采用上述测试装置进行隧道施工放样，具体包括以下步骤：(1)将待放样隧道15的轴线、断面形状、炮眼布置等信息输入到本专利技术放样装置的控制装置1的微型电脑中。(2)将本专利技术放样装置带入距隧道掌子面14约15-20m的位置。(3)将三脚架11稳定上架设在隧道开挖形成的底面上，将转动云台10安装在三脚架11形成支撑系统，并将集成箱9固定在转动云台10上。(4)以集成箱9的底面为基面对集成箱9作简单的整平，使得集成箱9转动时大体绕着某一铅直轴线水平转动。(5)打开电源4，启动控制装置1的微型电脑，并给三维激光扫描仪2、激光投影器3加电。(6)转动集成箱9，使扫描激光发射镜头6、扫描激光接收镜头7对准隧洞测量控制点16，并对测量控制点进行扫描，测量控制基准点信息被存储到控制装置1的微型电脑中。(7)转动集成箱9并将扫描激光发射镜头6、扫描激光接收镜头7对准隧洞掌子面11，对掌子面14进行扫描，掌子面14和开挖轮廓13等三维信息经扫描校正处理后存储到控制装置1的微型电脑中。扫描校正处理原理为将扫描得到的坐标点在扫描系统的坐标经过坐标变换转换到大地大地系统的坐标。处理原理公式为：为扫描坐标点，PE＝(xE,yE,zE,1)T为大地系统坐标点，为扫描坐标整体转换矩阵，其中为旋转转换矩阵，为平移转换矩阵。(8)控制装置1将步骤(1)输入的隧道的轴线、断面形状、炮眼布置信息、以及经步骤(7)扫描并存储到微型电脑中的测量控制基准点、掌子面和开挖轮廓进行匹配处理，分析得到炮眼12在掌子面上的位置数据和分布图形。匹配处理基本原理为确保大地坐标系统中点炮眼点坐标点与相应的推测坐标点之间的误差距离小于预测距离。处理原理公式为：：其中，xE,yE,zE为大地坐标系统中点炮眼点x轴、y轴、z轴方向的目标坐标，x'E,y'E,z'E为大地坐标系统中点炮眼点x轴、y轴、z轴方向的推测坐标，d为系统设定容许误差。(9)投影单元3将控制装置1分析得到的炮眼12分布图形，经投影校正处理后投影到掌子面14上。投影校正处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧道开挖快速放样装置，其特征在于，包括集成箱和固定集成箱的支撑系统；集成箱内安装有控制装置、扫描装置、投影装置和电源，扫描装置的发射镜头、接收镜头以及投影装置的投影镜头均位于集成箱表面，扫描装置和投影装置均通过数据线与控制装置连接。

【技术特征摘要】
1.一种隧道开挖快速放样装置，其特征在于，包括集成箱和固定集成箱的支撑系统；集成箱内安装有控制装置、扫描装置、投影装置和电源，扫描装置的发射镜头、接收镜头以及投影装置的投影镜头均位于集成箱表面，扫描装置和投影装置均通过数据线与控制装置连接。2.根据权利要求1所述的隧道开挖快速放样装置，其特征在于，所述集成箱上还设置有控制装置显示屏。3.根据权利要求1所述的隧道开挖快速放样装置，其特征在于，所述支撑系统为安装有转动云台的三脚架，所述集成箱安放在转动云台上。4.根据权利要求1-3中任一项所述的隧道开挖快速放样装置，其特征在于，所述扫描装置为三维激光扫描仪。5.根据权利要求1-3中任一项所述的隧道开挖快速放样装置，其特征在于，所述投影装置为激光投影器。6.一种采用如权利要求1所述的隧道开挖快速放样装置进行放样的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将待放样隧道的轴线、断面形状、炮眼布置信息输入到所述放样装置的控制装置中；(2)将所述放样装置带入距隧道掌子面一定距离处；(3)以集成箱的底面为基面对集成箱作简单的整平，使得集成箱转动时大体绕某一铅直轴线水平转动；(4)开启所述放样装置的电源，启动控制装置，转动集成箱，使扫描装置发射镜头、扫描装置接收镜头对准隧洞测量控制点，并对测量控制点进行扫描，测量控制基准点信息被存储到控制装置中；(5)转动集成箱并将扫描装置发射镜头、扫描装置接收镜头对准隧洞掌子面，对掌子面进行扫描，掌子面和开挖轮廓的三维信息经扫描校正处理后存储到控制装置中；...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志强，邹冠祺，丁晨曦，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61