本實(shí)用新型涉及工程建設(shè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種頂管智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

頂管隧道掘進(jìn)技術(shù)是地下暗挖的一種工程建設(shè)技術(shù)，是隨著現(xiàn)代地下工程、交通運(yùn)輸、市政建設(shè)以及電氣通訊設(shè)施的發(fā)展而發(fā)展起來的在水利輸水、給水及灌溉工程中管路鋪設(shè)的新技術(shù)，運(yùn)用頂管技術(shù)能在管路穿越道路、河流時(shí)不用明挖，在施工過程中對(duì)道路交通、河流泄流不造成任何影響。長距離頂管隧道掘進(jìn)技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力、施工速度快的優(yōu)勢(shì)，并且在開挖時(shí)可以控制地面沉降，同時(shí)可以減少對(duì)地面建筑物的影響，另外在水下開挖時(shí)不會(huì)影響水面交通。一般地，在隧道軸線較長、埋深較大的情況下，采用頂管技術(shù)更為經(jīng)濟(jì)合理。

頂管施工是一種不開挖或者少開挖的管道埋設(shè)施工技術(shù)，就是在工作坑內(nèi)借助于頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道按設(shè)計(jì)的坡度頂入土中，并將土方運(yùn)走。一管節(jié)子完成頂入土層之后，再下第二管節(jié)子繼續(xù)頂進(jìn)。其原理是借助于主頂油缸及管道間、中繼間等推力，把工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作井內(nèi)穿過土層一直推進(jìn)到接收井內(nèi)吊起。管道緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后，埋設(shè)在兩坑之間，達(dá)到非開挖鋪設(shè)地下管道的目的。工程的技術(shù)要點(diǎn)在于就糾正長距離頂管在地下推進(jìn)時(shí)的偏差，因此長距離頂管導(dǎo)向測(cè)量很關(guān)鍵。

頂管施工導(dǎo)向測(cè)量就是依據(jù)具體工程布設(shè)的平面和高程控制網(wǎng)，通過工作井、周期性測(cè)量工具頭頂管中心橫向和豎向的偏差以及機(jī)頭姿態(tài)角，指導(dǎo)工具頭推進(jìn)的方向，最終使得管子能與接收井內(nèi)接受孔準(zhǔn)確貫通。目前的長距離頂管施工導(dǎo)向測(cè)量需要利用多臺(tái)全站儀及繁瑣的人工測(cè)量，且測(cè)量精度偏低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種頂管智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)，以解決目前長距離頂管施工導(dǎo)向測(cè)量繁瑣以及測(cè)量精度偏低的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：提供一種頂管智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)，包括：頂管工具頭；工控機(jī)，安裝在工作井的操作臺(tái)上；后視棱鏡，全站儀以及前視棱鏡，安裝在頂管壁上；測(cè)距傳感器，安裝在工作井內(nèi)，與所述工控機(jī)通訊連接，所述測(cè)距傳感器測(cè)量所述后視棱鏡、所述全站儀、所述前視棱鏡以及所述頂管工具頭的頂進(jìn)距離；多個(gè)傾角傳感器，分別安裝在所述后視棱鏡、所述全站儀、所述前視棱鏡以及所述頂管工具頭所在位置的頂管處。

進(jìn)一步地，頂管智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)還包括工具頭棱鏡，設(shè)置在工具頭頂管中心位置。

進(jìn)一步地，所述全站儀位于所述前視棱鏡和所述后視棱鏡的中間位置處。

進(jìn)一步地，所述測(cè)距傳感器與所述工控機(jī)通過RS232進(jìn)行通訊。

進(jìn)一步地，所述全站儀與所述工控機(jī)的通訊采用光纖配合藍(lán)牙。

進(jìn)一步地，所述傾角傳感器與所述工控機(jī)的通訊采用光纖配合藍(lán)牙。

本實(shí)用新型提供的頂管智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)，采用管道內(nèi)一站式測(cè)量方法，解決長距離頂管軸線控制的先進(jìn)導(dǎo)向技術(shù)，測(cè)量方法簡單、精度高。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)用新型作進(jìn)一步說明：

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的頂管智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型提出的頂管智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本實(shí)用新型實(shí)施例的目的。

本實(shí)用新型的核心思想在于，本實(shí)用新型提供的本實(shí)用新型提供的頂管智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)，采用管道內(nèi)一站式測(cè)量方法，解決長距離頂管軸線控制的先進(jìn)導(dǎo)向技術(shù)，測(cè)量方法簡單、精度高。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的頂管智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。參照?qǐng)D1，提供一種頂管智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)，包括：頂管工具頭17；工控機(jī)11，安裝在工作井的操作臺(tái)上；后視棱鏡12，全站儀13以及前視棱鏡14，安裝在頂管15壁上；測(cè)距傳感器16，安裝在工作井內(nèi)，與所述工控機(jī)11通訊連接，所述測(cè)距傳感器16測(cè)量所述后視棱鏡12、所述全站儀13、所述前視棱鏡14以及所述頂管工具頭17的頂進(jìn)距離；多個(gè)傾角傳感器18，分別安裝在所述后視棱鏡12、所述全站儀13、所述前視棱鏡14以及所述頂管工具頭17所在位置的頂管15處。

在本實(shí)用新型實(shí)施例中，頂管智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)還包括工具頭棱鏡，設(shè)置在工具頭頂管中心位置。所述全站儀位于所述前視棱鏡和所述后視棱鏡的中間位置處。

進(jìn)一步地，所述測(cè)距傳感器與所述工控機(jī)通過RS232進(jìn)行通訊，所述全站儀與所述工控機(jī)的通訊采用光纖配合藍(lán)牙，所述傾角傳感器與所述工控機(jī)的通訊采用光纖配合藍(lán)牙。

利用本實(shí)用新型提供的頂管智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，包括：將后視棱鏡、全站儀、前視棱鏡以及頂管工具頭分別安裝在設(shè)定位置；人工測(cè)量所述后視棱鏡、所述全站儀、所述前視棱鏡以及所述頂管工具頭的初始坐標(biāo)以及初始管道中心線軌跡；測(cè)距傳感器測(cè)量所述后視棱鏡、所述全站儀、所述前視棱鏡以及所述頂管工具頭的頂進(jìn)距離，傾角傳感器測(cè)量所述后視棱鏡、所述全站儀、所述前視棱鏡以及所述頂管工具頭的姿態(tài)角度；根據(jù)所述后視棱鏡、所述全站儀的頂進(jìn)距離以及姿態(tài)角度，推算所述前視棱鏡以及所述頂管工具頭的坐標(biāo)，根據(jù)所述前視棱鏡的坐標(biāo)以及所述前視棱鏡的頂進(jìn)距離擬合新的管道中心線軌跡與初始管道中心線軌跡比較，如果偏差超過預(yù)定目標(biāo)值，進(jìn)行人工糾偏；頂管工具頭的坐標(biāo)與管道移動(dòng)的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，得到工具頭的偏差。

在本實(shí)用新型實(shí)施例中，所述預(yù)定目標(biāo)值為2cm，如果通過前視棱鏡擬合的新的管道中心線軌跡與初始管道中心線軌跡比較超過了2cm，則進(jìn)行人工糾偏。工控機(jī)控制測(cè)距傳感器以及傾角傳感器，所述測(cè)距傳感器以及所述傾角傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)錄入所述工控機(jī)。

上述頂管智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，在測(cè)量儀器初始位置時(shí)以及利用前視棱鏡進(jìn)行糾偏時(shí)用到人工測(cè)量，其余都通過儀器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)反饋至工控機(jī)進(jìn)行處理，對(duì)工具頭實(shí)時(shí)進(jìn)行糾偏，測(cè)量方法簡單，并且測(cè)量精度高。

中心線軌跡和頂進(jìn)距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系是整個(gè)測(cè)量的基礎(chǔ)，為方便日常簡化計(jì)算，采用“以直代曲”思路——中心線按一定間距(如3米或每管節(jié)長度)表達(dá)成有序點(diǎn)串，頂進(jìn)距離與平面坐標(biāo)、高程對(duì)應(yīng)，中心線表示為：l(頂進(jìn)距離、中心坐標(biāo)，i＝1,2,3,…,n)；

若點(diǎn)P(頂進(jìn)距離)為中心線上k與k+1之間的點(diǎn)，則有P點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式為：

日常跟班測(cè)量按設(shè)定時(shí)間間隔定期自動(dòng)測(cè)量，因此每節(jié)管段前視棱鏡點(diǎn)測(cè)量了若干次，這些坐標(biāo)將擬合成學(xué)習(xí)測(cè)量形成中心線軌跡的一個(gè)點(diǎn)。

以(x_i y_i)^T(i＝1,2,...,n)表示n個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，基于小段范圍“以直代曲”的思路，設(shè)這些點(diǎn)滿足直線方程2-1：

式中，

(x_p y_p)^T為直線上離開原點(diǎn)最近點(diǎn)的坐標(biāo)；

t為p點(diǎn)至直線上任意點(diǎn)的距離。

過測(cè)得點(diǎn)(x_i y_i)^T與擬合直線垂直的直線上任意點(diǎn)的坐標(biāo)滿足2-2：

式中D是垂直線上任意點(diǎn)(x y)^T與(x_i y_i)^T之間的距離。

垂直線與擬合直線的交點(diǎn)滿足直線方程2-1和2-2，

由上式，解得：

D＝a(y_p-x_i)-b(x_p-y_i)

上式就是至直線的距離v_i為：

v_i＝a(y_p-x_i)-b(x_p-y_i)

上式中的參數(shù)為a、b、x_p、y_p，共4個(gè)參數(shù)。

顧及兩個(gè)約束條件，條件一為(a b)^T為單位矢量，即：

第二個(gè)條件式定義(x_p y_p)^T是直線上離原點(diǎn)最近的點(diǎn)，即原點(diǎn)至(x_p y_p)^T的方向與直線方向垂直：

按附有條件的平差方法平差確定直線方程。

根據(jù)設(shè)計(jì)中心線里程處的坐標(biāo)，計(jì)算其到擬合直線的垂足，即為管段中心處的坐標(biāo)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，后視棱鏡、全站儀、前視棱鏡等觀測(cè)設(shè)備設(shè)置在頂管截面幾何中心是不現(xiàn)實(shí)的，一般只能安裝在頂管壁上，因此需要根據(jù)設(shè)備所在的頂管處里程和中心線坐標(biāo)得到觀測(cè)設(shè)備后視棱鏡、全站儀、前視棱鏡的實(shí)際坐標(biāo)，進(jìn)而進(jìn)行后面的測(cè)量。

在頂管推進(jìn)過程中，后視棱鏡、全站儀、前視棱鏡等安裝設(shè)備所在的頂管截面會(huì)存在旋轉(zhuǎn)的情況，旋轉(zhuǎn)對(duì)計(jì)算得到的后視棱鏡、全站儀、前視棱鏡的實(shí)際坐標(biāo)是有影響的，因此為了得到所在斷面旋轉(zhuǎn)角ɑ，在后視棱鏡、全站儀、前視棱鏡等設(shè)備同一斷面上大約相對(duì)位置安裝一個(gè)輔助棱鏡，定期觀測(cè)后視棱鏡、全站儀、前視棱鏡與對(duì)應(yīng)輔助棱鏡的高差，從而計(jì)算得到斷面旋轉(zhuǎn)角ɑ。

以后視棱鏡Pb為例，為簡化計(jì)算，Pb所在頂管斷面為圓截面。首先設(shè)備安裝完成后，首先人工實(shí)測(cè)得到Pb點(diǎn)、輔助點(diǎn)Pb′點(diǎn)及斷面中心lPb三維坐標(biāo)，通過計(jì)算可以得到初始狀態(tài)時(shí)斷面半徑和Pb-lPb、Pb-Pb′連線方位角，確定根據(jù)中心坐標(biāo)進(jìn)行管壁坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的初始參數(shù)。后續(xù)定期測(cè)量Pb點(diǎn)和Pb′點(diǎn)高差，根據(jù)高差變化可以計(jì)算當(dāng)前斷面處Pb-Pb′連線方位角，與初始方位角比較得到當(dāng)前斷面的旋轉(zhuǎn)角ɑ，進(jìn)而得到Pb-lPb連線方位角，通過已知的斷面半徑可以確定當(dāng)前斷面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)管段中心坐標(biāo)到全站儀、棱鏡坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

實(shí)施例一

為了能評(píng)定智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)的精度，我們采用人工測(cè)量的方法進(jìn)行比對(duì)。系統(tǒng)首先應(yīng)用于常州市江邊污水處理廠管網(wǎng)擴(kuò)建工程二標(biāo)W8-W7井的長距離曲線頂管管道內(nèi)徑為2.2m，頂管長度764m。系統(tǒng)采用1臺(tái)全站儀和5個(gè)棱鏡組成，曲率半徑800m。

1)平面控制測(cè)量：利用提供的兩個(gè)平面控制點(diǎn)Z1、Z2，按國家四等導(dǎo)線測(cè)量技術(shù)要求(測(cè)角4測(cè)回、往返2測(cè)回測(cè)距)聯(lián)測(cè)工作井儀器臺(tái)(T)和附近定向點(diǎn)(A)的平面坐標(biāo)，作為后續(xù)人工軸線測(cè)量的平面起算點(diǎn)。

2)頂管中心線平面測(cè)量：由T設(shè)站定向A點(diǎn)，支導(dǎo)線測(cè)量自動(dòng)化設(shè)備安裝區(qū)域(約100m)的頂管中心坐標(biāo)。測(cè)角4測(cè)回，距離往返2測(cè)回測(cè)量。于2015年12月24日、2015年12月25日、2015年12月27日進(jìn)行了三次測(cè)量。

3)頂管中心線高程測(cè)量：由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)間限制，高程采用三角高程4測(cè)回直接測(cè)量高差，和平面測(cè)量時(shí)同步進(jìn)行，由固定儀器臺(tái)T提供高程進(jìn)行起算。

智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)在常州市江邊污水處理廠管網(wǎng)擴(kuò)建工程二標(biāo)W8-W7井曲線頂管中共進(jìn)行3次人工測(cè)量對(duì)比，從對(duì)比中可以看出，智能頂進(jìn)測(cè)量和人工測(cè)量的中誤差不會(huì)隨距離的增大而增大。

平面：2015年12月24日、2015年12月25日、2015年12月27日進(jìn)行了三次軸線測(cè)量，包含工作井內(nèi)定向測(cè)量誤差的軸線點(diǎn)測(cè)量見圖1。

為統(tǒng)計(jì)誤差分布,以2015年12月24日測(cè)得中心線散點(diǎn)數(shù)據(jù)在CAD連線，將三次重疊區(qū)域中2015年12月25日、2015年12月27日的散點(diǎn)向2015年12月24日連線做垂線，統(tǒng)計(jì)垂距如下表1。

表1

扣除工作井定向測(cè)量的誤差，軸線測(cè)量一致性(包含軸線實(shí)際偏差和極坐標(biāo)測(cè)量誤差)較好(數(shù)據(jù)級(jí)在1cm)。

剔除個(gè)別高程點(diǎn)測(cè)量的誤差，軸線高程趨勢(shì)基本一致。

由此可以得出結(jié)論智能頂進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度與人工測(cè)量的精度是一致的，測(cè)量數(shù)據(jù)是同樣可靠的。由于智能頂進(jìn)測(cè)量在頂管管道內(nèi)瞄準(zhǔn)精度高、測(cè)量速度快，測(cè)量精度是高于人工測(cè)量的，人工測(cè)量反復(fù)的測(cè)量誤差在±1-2cm。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行各種改動(dòng)和變形而不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實(shí)用新型的這些修改和變型屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本實(shí)用新型也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。