[发明专利]一种动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种工程建设领域，尤其涉及一种动态实时测量顶管机位置和姿态的测量装置及其方法。

背景技术

顶管隧道掘进技术是地下暗挖的一种工程建设技术，是随着现代地下工程、交通运输、市政建设以及电气通讯设施的发展而发展起来的在水利输水、给水及灌溉工程中管路铺设的新技术，运用顶管技术能在管路穿越道路、河流时不用明挖，在施工过程中对道路交通、河流泄流不造成任何影响。顶管隧道掘进技术具有自动化程度高、节省人力、施工速度快的优势，并且在开挖时可以控制地面沉降，同时可以减少对地面建筑物的影响，另外在水下开挖时不会影响水面交通。一般地，在隧道轴线较长、埋深较大的情况下，采用顶管技术更为经济合理。

顶管施工是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，就是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推进到接收井内吊起。管道紧随工具管或掘进机后，埋设在两坑之间。

顶管施工涉及的是利用少开挖，即工作井与接收井要开挖，以及不开挖，即管道不开挖技术来进行地下管线的铺设或更换，顶管直径DN800-4500。通过工作井把要埋设的管子顶入土内，一个工作井内的管子可在地下穿行1500米以上，并且还能曲线穿行，以绕开一些地下管线或障碍物。

顶管施工在我国沿海经济发达地区广泛用于城市地下给排水管道、天燃气石油管道、通讯电缆等各种管道的非开挖铺设。它能穿越公路、铁路、桥梁、高山、河流、海峡和地面任何建筑物。采用该技术施工，能节约一大笔征地拆迁费用、减少对环境污染和道路的堵塞，具有显著的经济效益和社会效益。

目前顶管技术已经发展到了十分成熟的阶段，其通风系统、注浆减摩技术、排渣技术、刀盘切削系统、推进系统、出土输送系统、供电液压系统等都得到了充分的发展和完善，中继间技术的突破解决了长距离曲线顶管的推力问题，已经能实现距离大于2500米的长距离顶管施工。

尽管顶管的这些技术已经非常成熟，但是其顶管测量导向没有新技术的应用，长距离的顶管施工中，测量工作占据大量的时间，严重影响顶管施工的进度及其经济效益。目前顶管施工的测量导向技术为：人工测量、激光经纬仪导向和测量机器人导向三种技术，都能测量顶管机的位置和姿态，但是均存在数据实时性、准确性方面的问题，达不到预期的顶管测量导向要求的效果。

目前，常用的顶管导向测量有三种方法：传统的人工测量方法、VMT激光靶导向系统、单台全站仪导向系统和多台全站仪联动系统。他们都能够测量盾构机在施工过程中的姿态，得到顶管机任意时刻姿态数据，实时获取顶管机俯仰角、滚动角和方位角。但是各自实现的原理不同。

目前，顶管工程中顶管机位置姿态测量采用的方法有人工测量、激光经纬仪导向测量和全站仪自动测量三种测量种方法。这些方法都可以准确的测定顶管机的位置和姿态，但是实现原理不同，应用效果不同。

1、传统的测量方法：在顶管机上安装棱镜，每一次从头到尾(即从始发井内)进行测量，计算出顶管机上棱镜坐标，再根据棱镜坐标换算出机头中心坐标。但当随着施工的不断进行，隧道越来越长，进行测量的时间也越来越长，不能满足施工的要求。利用传统的测量方法的另一个不利之处是测量工作只能在停止掘进的情况下进行，在掘进的过程中机器处于“失明”状态。因此在机器掘进的过程中发生的任何偏差只能等过后进行人工测量，并确定机器的位置以后才能被纠正.不能进行即时的补救措施。

2、人工测量：在管节顶进前，通过常规的测量手段测量顶管机的位置和姿态，人工计算偏差，顶管机操作工程师根据测量工程师给定的偏差掘进下一环。整环掘进的过程中操作工程师无法得知当前顶管机的位置姿态，仅根据经验和感觉进行判断，无法实现顶管施工测量导向实时性的要求。另外当顶进一定距离后，测量工程师测量顶管机需要从工作井将坐标基准引测至顶管机的位置，测量顶管机位置和姿态需要大量的时间，无法满足顶管施工要求测量准确高效的要求。