應(yīng)用于雙護(hù)盾隧道掘進(jìn)機(jī)的導(dǎo)向系統(tǒng)及定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于雙護(hù)盾隧道掘進(jìn)機(jī)(以下簡稱“TBM”)的導(dǎo)向系統(tǒng)及使用該系統(tǒng)的測量方法，主要用于隧道掘進(jìn)機(jī)施工時的導(dǎo)向。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著軌道交通行業(yè)大力發(fā)展，雙護(hù)盾TBM在硬巖地質(zhì)隧道施工方面得到了廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)外雙護(hù)盾TBM應(yīng)用的導(dǎo)向系統(tǒng)都是將測量標(biāo)靶直接安裝在TBM前盾體上，通過測量通道來進(jìn)行TBM的掘進(jìn)導(dǎo)向和姿態(tài)矯正。但是由于雙護(hù)盾TBM在掘進(jìn)中前盾體的震動以及前盾與支撐盾之間柔性連接的影響，在實際的掘進(jìn)施工中TBM的導(dǎo)向精度存在著很大的偏差，甚至存在著嚴(yán)重的“盲推”現(xiàn)象。
[0003]雙護(hù)盾TBM可以實現(xiàn)硬巖隧道開挖、出碴、支護(hù)的連續(xù)作業(yè)，因其安全、高效、可靠的性能，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于水利水電、礦山開采、軌道交通、市政、國防等工程。其主機(jī)由刀盤1、前盾2、伸縮盾4、支撐盾6和尾盾8四部分組成(參見圖1)。導(dǎo)向系統(tǒng)就像TBM的眼睛一樣，指導(dǎo)TBM在掘進(jìn)施工時沿著隧道設(shè)計軸線前進(jìn)，提高隧道施工效率和隧道施工質(zhì)量。目前國內(nèi)外用于TBM的導(dǎo)向系統(tǒng)主要由安裝在前盾2上的激光標(biāo)靶7、安裝在隧道管片壁9上的全站儀11和后視棱鏡12以及安裝導(dǎo)向系統(tǒng)控制軟件的工業(yè)電腦10四部分組成。導(dǎo)向系統(tǒng)的測量以安裝在隧道管片壁9上的全站儀11發(fā)出的激光束為基準(zhǔn)，當(dāng)發(fā)出激光束照射到安裝在TBM前盾2上的激光標(biāo)靶7時與激光標(biāo)靶7的軸線相比較，得出前盾2相對于全站儀11的滾動角、俯仰角和旋轉(zhuǎn)角。通過后視棱鏡12計算出激光標(biāo)靶7和全站儀11的直線距離。所有的這些數(shù)據(jù)通過電纜傳輸?shù)桨惭b導(dǎo)向系統(tǒng)控制軟件的電腦10上，這些數(shù)據(jù)與輸入工業(yè)電腦10的隧道設(shè)計軸線數(shù)據(jù)相比較，從而計算出TBM刀盤I掘進(jìn)中心和隧道設(shè)計軸線中心的差值，并把差值在屏幕上顯示出來。TBM駕駛室操作人員通過差值的大小來調(diào)節(jié)TBM的掘進(jìn)姿態(tài)，以達(dá)到使隧道的掘進(jìn)軸線與隧道設(shè)計軸線一致的目的。
[0004]TBM的前盾2和伸縮盾4是通過鉸接油缸連接在一起的，在這種情況下前盾2相對于伸縮盾4的空間位置關(guān)系不固定。為了保證能真實的顯現(xiàn)TBM實時掘進(jìn)的姿態(tài)，使TBM沿著隧道設(shè)計軸線前進(jìn)，激光標(biāo)靶7必須要安裝在前盾2上才能最真實的反應(yīng)刀盤I掘進(jìn)的姿態(tài)。而在整個導(dǎo)向系統(tǒng)的測量過程中，最關(guān)鍵的要點(diǎn)是全站儀11發(fā)出的激光束要照射在前盾2的激光標(biāo)靶7上，光的傳輸是直線傳播的，所以TBM主機(jī)中由尾盾8貫穿支撐盾6和伸縮盾4到達(dá)前盾2的測量視窗必須要足夠大才能滿足要求。
[0005]雙護(hù)盾TBM主要是針對硬巖隧道施工的，在刀盤掘進(jìn)時產(chǎn)生的粉塵會比較大。為了保證工人的施工環(huán)境，減少粉塵和增加施工隧道內(nèi)的含氧量，雙護(hù)盾TBM在設(shè)計時安裝了通風(fēng)除塵和二次通風(fēng)兩套系統(tǒng)。這種情況下TBM的后配套臺車的左右兩側(cè)就安裝了兩根風(fēng)管(圖1中未圖示)。使雙護(hù)盾TBM的測量空間相對其它的隧道掘進(jìn)機(jī)變得更加狹窄。同時，在城市地鐵施工時，為了躲避地上建筑物和已有隧道，小轉(zhuǎn)彎半徑的地鐵隧道設(shè)計越來越廣泛。隧道軸線設(shè)計轉(zhuǎn)彎半徑小與雙護(hù)盾TBM設(shè)計的測量視窗小的雙重疊加，使得全站儀11發(fā)出的激光束及其容易在伸縮盾4之間被遮擋，無法測得前盾2的姿態(tài)。這是目前國內(nèi)外的雙護(hù)盾導(dǎo)向系統(tǒng)在地鐵硬巖隧道施工時普遍存在現(xiàn)象。當(dāng)無法測量前盾體的姿態(tài)時，就必須要前移管片壁9上的全站儀11和后視窗棱鏡12，以保證測量視窗的通暢。在這種情況下，一方面頻繁的換站會耗費(fèi)時間，降低隧道施工的效率，增加時間成本，同時頻繁的換站，重新校對掘進(jìn)軸線和設(shè)計軸線數(shù)據(jù)，會增加數(shù)據(jù)誤差，影響施工隧道的質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種新型的雙護(hù)盾TBM用導(dǎo)向系統(tǒng)及測量方法，主要是為了提高雙護(hù)盾TBM在掘進(jìn)施工中導(dǎo)向精度，減少測量時的換站頻率，使導(dǎo)向系統(tǒng)能夠精確的確定TBM的實時姿態(tài)，高效快速的掘進(jìn)。將相對視覺測量系統(tǒng)應(yīng)用導(dǎo)向系統(tǒng)中，將激光標(biāo)靶安裝在TBM的尾盾上，通過相對測量的方法得到前盾體的姿態(tài)，以減小由于測量通道狹小對雙護(hù)盾TBM導(dǎo)向系統(tǒng)的影響，增加全站儀的測量距離，最終達(dá)到提高施工效率和隧道施工質(zhì)量的目的。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種應(yīng)用于雙護(hù)盾隧道掘進(jìn)機(jī)的導(dǎo)向系統(tǒng)，包括安裝在管片壁上的后視棱鏡、安裝在管片壁上的全站儀和安裝在駕駛室里的安裝了導(dǎo)向系統(tǒng)的工業(yè)電腦，其特征在于，還包括安裝在支撐盾上的CCD測量相機(jī)、安裝在前盾上的LED標(biāo)準(zhǔn)特征點(diǎn)、以及安裝在尾盾上的激光標(biāo)靶，CCD測量相機(jī)和全站儀與工業(yè)電腦之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0008]所述的LED標(biāo)準(zhǔn)特征點(diǎn)由9個或12個LED特征點(diǎn)呈矩形分布在約平方米的平面上。
[0009]—種應(yīng)用所述的導(dǎo)向系統(tǒng)的導(dǎo)向定位方法，其特征在于，包括以下步驟:
(1)將隧道設(shè)計軸線數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?dǎo)向系統(tǒng)的工業(yè)電腦中，通過全站儀和后視棱鏡建立大地坐標(biāo)系；通過安裝在前盾上的LED標(biāo)準(zhǔn)特征點(diǎn)和支撐盾上的CCD測量相機(jī)，建立CCD相機(jī)坐標(biāo)系和LED標(biāo)準(zhǔn)特征點(diǎn)坐標(biāo)系；
(2)當(dāng)TBM在隧道掘進(jìn)施工時，通過安裝在尾盾上的激光標(biāo)靶，用全站儀測量定位，確定TBM尾盾姿態(tài)；安裝在支撐盾上的CCD測量相機(jī)獲取前盾上LED標(biāo)準(zhǔn)特征點(diǎn)的圖像，并對圖像進(jìn)行分割和濾波，提取LED標(biāo)準(zhǔn)特征點(diǎn)的成像光斑；通過成像光斑與預(yù)先定義的坐標(biāo)系相比較，從而確定前盾與支撐盾相對位置關(guān)系，并將相對位置關(guān)系數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)電腦中；
(3)由于支撐盾與尾盾相對位置關(guān)系固定，通過坐標(biāo)系空間位置計算，并與TBM尾盾位姿比較，從而得出TBM前盾位置與姿態(tài)。
[0010]所述的步驟(3)的具體定位方法是:
A、由于雙護(hù)盾TBM的支撐盾和尾盾存在相對固定的位置關(guān)系，提前將這種位置關(guān)系的數(shù)據(jù)輸入到工業(yè)電腦中；
B、通過支撐盾CCD測量相機(jī)和前盾的LED標(biāo)準(zhǔn)特征點(diǎn)，將前盾相對于支撐盾的姿態(tài)數(shù)據(jù)(旋轉(zhuǎn)角，俯仰角和傾斜角)傳輸?shù)今{駛室的工業(yè)電腦上；同時，安裝在管片壁上的全站儀將激光束照射在尾盾的激光標(biāo)靶上，將尾盾的姿態(tài)數(shù)據(jù)(相對于隧道設(shè)計軸線)通過電纜也傳輸?shù)焦I(yè)電腦中。
[0011]C、通過前盾相對于支撐盾、支撐盾相對于尾盾和尾盾相對于設(shè)計軸線的姿態(tài)數(shù)據(jù)，精確地計算出前盾的實時姿態(tài)，并顯示在工業(yè)電腦上。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:與目前國內(nèi)外主流的雙護(hù)盾TBM導(dǎo)向系統(tǒng)向比較，本發(fā)明中全站儀發(fā)出的激光束直接照射到安裝在尾盾的激光標(biāo)靶上，支撐