[发明专利]自动全站仪和陀螺仪组合导向盾构姿态自动测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种盾构机姿态的测量方法及装置，尤其是涉及一种自动全站仪和陀螺仪组合导向盾构姿态自动测量方法及装置。

背景技术

为缓解城市地面交通的严重拥挤状态，世界上许多国家和地区的大型城市已经或正在修建地下铁道、越江或越海隧道。自上世纪八十年代始，上海的轨道交通建设得到了巨大的发展，建设规模越来越大。规划中的上海轨道交通路网共有22条线，总运营里程将达到880公里，而其中市区范围内的基本路网均由地下线路构成。目前，上海轨道交通一号线至十一号线(北段)已相继投入正式运营，十一(南段)、十二、十三、十六号线正在建设；现在上海已建成424公里轨道交通基本网络。接着，上海还将有多条地铁线路投入建设，从而形成一个国际型大都市所拥有的便捷的公共交通网。就全国范围而言，地铁工程建设方兴未艾，目前正在建设地铁工程的城市有北京、天津、广州、深圳、南京，无锡，武汉、重庆、沈阳、苏州、杭州、青岛、成都、西安、宁波等，而规划有轨道交通建设工程项目的城市已达二十六个之多，并且大多采用盾构法区间隧道建设工法。据不完全统计，我国今后二十年内，各类隧道所需投入的各类盾构机的总量将达到2000台之多。

世界上不少发达国家，如欧美一些国家和日本，较早地在地下隧道施工中应用了盾构掘进机，由此也带动了科研人员对盾构法施工中引发的各种问题进行深入的研究，大大推动了盾构法的完善和发展。随着自动控制的广泛应用，一些学者对盾构掘进的自动控制进行了研究。随着盾构机技术的发展，由手工操作到辅以计算机监控，机械化施工不断地得到发展和完善，盾构技术也日趋成熟。近年来，为了实现城市地下隧道施工的高效及安全性，盾构掘进机的自动化技术得到了发展。自动化技术应用于盾构法施工的目的之一就是使盾构机尽量准确地沿设计路线自动推进，保证尽量少的环境破坏，从而保证施工质量和安全，加快施工进度，节省人力、物力。自动测量法不仅具有人力投入少、测量频率高、对隧道掘进干扰小、测量速度快和数据处理及时等优点，而且还能够实时显示数据和模拟图像，所以该方法是盾构隧道测量技术的发展方向。很多国家也都投入了大量的人力物力在研究和改进该方法。

目前国内外用于解决盾构导向的方法大致分为三种：标尺法、三点法和陀螺仪法。

标尺法多见于国内的盾构导向解决方案中，属于人工测量，劳动强度大，精度差，不能连续测量，操作复杂，在国外基本已经不再采用；

三点法是采用观测预先安置在盾构机尾部的三个棱镜坐标，通过坐标转换推算出盾首盾尾坐标，该方法配合自动全站仪可以减轻不少劳动力，不过由于每次盾构机的定姿需要观测3个目标，需要较好的通视条件，这对于盾构机尾部复杂的构件结构来说经常是无法做到的，特别是对于小口径盾构机更是难以达到，因此仍然难以实现真正意义上的连续测量；

陀螺仪法则是通过实时获取陀螺仪测量的三个姿态角，方位角、俯仰角和滚动角来直接确定盾构机姿态与设计的偏差，但是陀螺仪的精度较差(±0.05°)，对盾构推进只能起到有限的辅助参考作用，而且对于外界环境要求比较高，在长时间运行中，陀螺总会受到各种干扰因素的影响，如转子质量不均、支撑组件的摩擦力、温度变化引起的陀螺仪组件尺寸的变化、导电丝的弹性干扰力矩、外界磁场的干扰力矩等等，这些因素都会引起陀螺轴的漂移。单独靠陀螺仪在复杂不稳定的盾构机尾部空间内进行测量也无法达到满意的效果。

由于国外在这方面研究起步较早，也研究出一些产品(目前处于垄断阶段)，但国内工程中却很少采用国外自动系统，究其原因：一是费用太昂贵(单一套盾构姿态引导系统就要140万，而且只能采用指定的测量仪器及在指定的盾构机上用)；二是使用者素质要求较高，普通技术人员不易掌握；三是有些系统的操作和维护较人工方法复杂，在精度可靠性上要其它方法辅助来保证；因此，目前在国内绝大多数隧道盾构施工中仍采用人工测量方法。

由于人工测量方法存在过多的人为因素且工作强度大，这就迫切需要开发拥有自主知识产权的自动测量系统，打破国外在这方面的垄断，并且结合三点法与陀螺仪法各自的优点，研究出一套稳定、高效并切实可行的算法。因此，本课题研究复杂条件下工程测量与定位信息化技术，对复杂测量设备集成，研制自动测量及测量数据可视化管理系统，将测量数据库管理系统与复杂条件下自动测量技术的相结合，解决地铁施工中的测量速度、精度等技术难题，实现对工程施工进度、质量、安全的有效监控。