[发明专利]融合地层信息的盾构机定位及纠偏系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及盾构掘进施工领域，具体涉及一种融合地层信息的盾构机定位及纠偏系统及方法。

背景技术

盾构机是隧道掘进施工的大型机械设备，确定盾构机的掘进路线和姿态，是隧道工程的关键技术之一，这对于盾构机掘进的正常进行具有重要的意义。盾构机按照预定的轨迹施工过程中，若发生盾构机偏离预定轨迹，需根据盾构机的实时姿态和预定轨迹对盾构机进行及时纠偏，以使盾构机按照正常预定的轨迹进行掘进。同时盾构机在地下开挖中会遇到各种不同地层，从硬岩软岩到砂层、粘土和淤泥，不同地层所用刀具种类数量不同，采取的应急措施也不同，对盾构机刀盘前端开挖土体情况进行实时探测分析，通过地层实时探测结果和盾构机实时姿态进行盾构机轨迹纠偏或采取相应应急措施，这对于减小刀盘损害提高隧道掘进效率具有重要的意义。

目前盾构机常用的定位定姿方法主要有棱镜导向系统、陀螺仪导向系统和激光导向系统，棱镜导向系统需要依次测量三个棱镜的空间坐标，因盾构机的不断掘进导致坐标测量存在滞后性而产生测量误差；陀螺仪导向系统受周围各种干扰因素的影响会引起陀螺仪测量产生漂移；激光导向系统在实际施工过程中需要一定的通视空间且水平偏航角量程容易受限。盾构机的纠偏主要是由操作人员根据测量结果，采用手工方式进行纠偏操作。盾构机刀盘前端地层探测主要使用机械机构式，探测效率和准确性都不高。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了融合地层信息的盾构机定位及纠偏系统及方法，本申请能够实现在熟悉了解盾构机刀盘前端实时地层信息的基础上提高开挖效率，规避地层硬度高和地层种类复杂的掘进路线。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

融合地层信息的盾构机定位及纠偏系统，包括行程测量单元，行程测量单元将测量的信号传输至数据处理单元，数据处理单元根据接收的行程测量单元测量的姿态数据转换成盾构机的轴向位置；

惯性导航系统将采集的数据传输至数据处理单元，数据处理单元根据接收的惯性导航系统测量的数据转换成盾构机X、Y、Z三个方向的姿态角；

刀盘前端地层探测单元实时探测掘进过程中刀盘前端地层强度并传输至数据处理单元；

数据处理单元将盾构机轴向位置、盾构机三个方向的姿态角及盾构机掘进过程中刀盘前端地层强度信息传输至控制器，控制器根据实时定位信号与盾构机预定轨迹信号进行比较，经校正纠偏后，控制器发出信号控制中折机构动作，使盾构机按照预定的轨迹进行掘进。

进一步的，所述行程测量单元包括推进千斤顶和行程测量传感器，所述行程测量传感器内置于推进千斤顶内。

其中，推进千斤顶安装于盾构机的外表面处，推进千斤顶沿盾构机支撑环内侧均匀周向布置。

进一步的，所述惯性导航系统包括安装外壳和内部惯性导航单元，所述安装外壳通过螺栓固定于盾构机刀盘中心轴线处。

进一步的，所述刀盘前端地层探测单元包括多个传感器安装孔、刀盘和多个超声波传感器，多个超声波传感器分别置于刀盘面板上传感器安装孔内，且沿盾构机轴线呈环向布置。

融合地层信息的盾构机定位及纠偏系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)数据处理单元信息初始化后，数据处理单元采集惯性导航系统发出的信号，经过数据运算确定盾构机X、Y、Z三个方向的姿态角和位移；数据处理单元采集行程测量单元行程测量传感器发出的信号，经过数据运算及姿态转换确定盾构机轴向位置；

(2)通过盾构机姿态角和轴向位置对盾构机进行实时定位，实时定位信号与盾构机预定轨迹信号进行比较，经校正纠偏后，控制器发出信号控制中折机构动作，使盾构机按照预定的轨迹进行掘进；

(3)数据处理单元采集盾构机刀盘前端安装孔内超声波传感器信号，对掘进过程中刀盘前端地层强度进行探测，经数据分析后，得出刀盘前端土层种类、范围和强度信息，根据实时地层信息更换相应的刀具或采取相应的施工应急措施；同时将地层强度信息传输至控制器，为控制纠偏和微调过程提供依据；

(4)盾构机开挖掘进过程中，循环步骤(1)—(3)，实现多传感器融合的盾构机实时定位、纠偏及探测。

进一步的，所述步骤(3)中盾构机刀盘前端的超声波传感器发出声波碰到不同地层会产生显著反射形成不同波长的反射回波。

更进一步的，所述数据处理单元接收不同波长的反射信号，对掘进过程中刀盘前端地层强度信息进行探测与数据分析后，得出刀盘前端地层种类、范围和强度等信息，根据刀盘前端实时地层信息更换相应的刀具或采取相应的施工应急措施，同时驱动中折机构运动。