[发明专利]隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量装置

说明书

技术领域

本发明属于定位测量装置，可用于矿井、水工隧道、地铁隧道、市政管道、共同沟等领域。

背景技术

盾构隧道掘进技术是地下暗挖隧道的一种工程建设技术，是随着现代交通运输、地下工程、矿山开采、水利工程、市政建设以及电气通讯设施的发展而发展起来的。早期的盾构机，主要是利用盾构机械所特有的盾壳作为支护，防止地层的坍塌，以保证在其内部安全地进行开挖和衬砌等各种作业，开挖基本上是采用人工开挖方式。随着隧道工程的不断增多，为适应不同条件下的施工要求和提高施工效率，除不断完善软土隧道掘进机(即盾构)及应用技术，又开发出能够适应岩石地层施工的岩石隧道掘进机及应用技术。随着技术的发展，遥控控制技术、激光制导技术以及陀螺仪定位系统已普遍应用于盾构机中，使得盾构机的操作、地表沉降的控制更趋简易，隧道的施工质量也越来越好。

现在盾构中常用的导向系统有三种产品：陀螺仪、ZED导向系统、VMT导向系统。它们都能测量盾构机施工过程中的姿态，得到盾构任意时刻的姿态数据，即实时获得盾构的俯仰角、滚向角和水平摆角；但各自的实现原理不同：

1.陀螺仪：经典陀螺仪的基本结构是一个高速旋转的转子和各自分别固定在两个轴承上的两个框架。旋转转子的轴一般处于竖直的位置，所以紧靠转子的内框架是在竖直面上，而另一个框架则位于水平面上。这样的装置的两个框架的轴线全部在水平面上。姿态陀螺仪的基本原理就是角动量守恒，在没有外力矩的情况下，高速旋转的转子的角动量的大小和方向在惯性空间中保持不变。一般外框架的外轴承固定在飞行器结构上，飞行器的轴线和外框架的轴线相平行，这样在飞行器姿态变化时，它的翻滚角和俯仰角可以在外框架的内外轴承上测量出来。在这一类陀螺仪中，结构的不平衡，结构重心的偏离和轴承的摩擦力是这种陀螺仪的最主要的误差来源。这些因素引起了一定的力矩，使得陀螺仪的方位产生漂移。

陀螺仪用于盾构掘进机的方位检测时，能自动显示方位角、倾斜角、回转角。与掘进机的姿势管理软件连接可准确地实现顶管掘进机、盾构掘进机的施工管理。特点：陀螺仪是动态跟踪设备，通过与电脑联系，直接反映盾构推进的过程数据，为盾构定位提供了有利的保障，这为盾构时刻处于良好的推进状态打下了基础。缺点是时滞较大，盾构机受地势影响会产生震动，陀螺仪有可能不能保持静定精度。由于以上特点，所以在施工中陀螺仪仅作为辅助参考，主要还是人工测量。

2.ZED导向系统：由英国ZED Tunnel Guidance公司生产，是个具有透明屏幕的长方形盒子，在一端有用于连接电缆的插座。它用来接收激光信号，能测量激光束照射在其靶面上的位置和入射角度。一般目标单元安装在盾构前部的托架上，可以每50mm间距水平移动，也可以3°的角度转动，因此能覆盖更大的目标区域。其工作原理为：激光束通过前部透明屏幕进入目标单元(部分散射)，部分光击中安装在单元底部和侧面的传感器，传感器可以探测光束进入屏幕时的位置；其余的光束通过透镜到达安装在轴心上的传感器，此传感器装在单元的后部，用来测量光束的倾角。后部的传感器与前部透明屏幕距离较大。因此，如果激光束很弱，就会造成读数不精确。从传感器出来的信号被转换成电子信号，并通过单元后部的电缆输入到控制单元。它的主要缺点：ZED导向系统在移站时要作大量的计算。

3.VMT导向系统：由德国Vermessungstechnik公司生产。电子激光系统ELS固定在盾体上，它接收到入射激光束时，在水平及垂直方向上确定入射点的位置，从而确定水平摆角。另外，其内部倾角计测量滚动角与俯仰角。其工作原理：电子激光系统ELS内部与ELS前面板平行的是所谓的“阴屏”。当给ELS通电以后，阴屏就会转动。阴屏之间有空隙所以能够透光。阴屏转动所处的角度的不同，当激光束入射在阴屏上时，透过的光多少不一。在阴屏的背后是光敏感电子元件，激光射到这些电子元件上从而测出入射激光的强度。当激光的强度达到最大值时，此时“阴屏”所处的角度被记录下来。这个位置的角度与激光束在ELS靶上的入射角(水平摆角)精确吻合。在ELS靶内置两个倾斜计。一个为纵向放置，一个为横向放置。这两个倾斜计最终测出隧道掘进机TBM的绝对滚动角和绝对俯仰角。VMT每2秒输出一次数据。ELS靶和全站仪之间距离通过全站仪测距激光测定，为此需要在ELS靶下方安装一个特制的棱镜。VMT导向系统的主要缺点：为提供照射阴屏的激光束，需要改装全站仪，在全站仪上加装一个激光器，并确保激光器光轴与全站仪测距激光轴线平行。