隧道毕业论文设计-测量技术在盾构隧道导向系统中的应用

隧道毕业论文设计-测量技术在盾构隧道导向系统中的应用内容摘要：

精度的影响很小。 (5) 传感器安装和初始化方法均方便。 成本较低。 盾构导向技术的改进及发展方向 光电互补技术提高导向系统的稳定性 第 3 章 盾构隧道自动导向系统 11 突破传统隧道光学测量方法，把三棱镜模式和二棱镜加倾斜仪模式结合，根据自动检测到的目标棱 镜数量进行模式选择，并触发相应的功能 ( 如倾斜仪修正功能等 ) ，实现在隧道施工条件下的光电优势互补，确保了系统在高稳定性和便利性统一的情况下完成盾构姿态测量，其工作流程见图 35 图 35 二棱镜加倾斜仪工作流程 观测方式的自动选择会根据检测到目标棱镜的个数自动选择采用的核心算法和触发相应的功能，一种是观测 3 个或 3 个以上目标，此时采用多棱镜计算方法并触发传感器修正功能。 一种是观测 2 个目标并采集倾斜仪数据参与计算。 当全站仪可以观测 3 个或 3 个以 上目标时，盾构机又处于静止状态，可以解算出高精度的盾构姿态和盾构机的坡度和滚角，利用解算出的坡度和滚角对倾斜仪进行修正，确保倾斜仪的精确性。 当盾构机在掘进或只能观测 2 个目标时，运用二棱镜加倾斜仪模式进行解算，从而延长了观测距离，又确保了系统换站 二棱镜加倾斜仪模式 二棱镜加倾斜仪模式 二棱镜加倾斜仪模式 多棱镜模式 较差很小 不调整 较差大于调整限值小于错误限值 二棱镜加倾斜仪模式 运行错误检查和排除 倾斜仪错误 棱镜错误 其它错误 排除错处 排除错处 排除错处 倾斜仪校正 少于两个棱镜 两个棱镜 推进状态 多个棱镜 两个棱镜 静止状态 状态 推进状态 多个棱镜 静止状态 状态 倾斜仪自动检测棱镜 盾构机的 状态 12 的精确性。 透镜结合 CCD( 电荷耦合元件 ) 红外成像技术 在盾构导向中的应用由华中科技大学开发的透镜结合 CCD 红外成像技术，在激光法的基础上针对其缺点进行改进， YAW 角 ( 偏航角 ) 的测定不再是采用ELS 中旋转光栅对透过激光强度的测定方法，而是应用全站 仪的平行红外光束经过凸透镜后聚焦，并且不同入射角度会有不同位置的焦点的原理，再根据 CCD 红外相机的成像技术，测量出精确焦点的坐标，与垂直入射焦点进行比对，根据换算公式计算出全站仪入射红外光线相对于透镜的入射角度 (YAW 角 ) ，其他的原理都与激光法类似。 由于每台全站仪都是采用红外测距的，因而采用该方法就不用特殊加装隧道准直激光，不但降低了成本，还避免了隧道激光强度衰减的问题。 同时，由于 CCD 相机可以精确测定成像焦点的坐标，因而，其对于YAW 角 ( 盾构姿态精度的主要决定参数之一 的测定可以达到很高的精度 ，远高于 ELS 装置，提高了盾构姿态测量的精度。 而相对于棱镜法，由于只需测量 1 个目标棱镜，其快速的优势是棱镜法无法比拟的。 但目前该技术还只是在试验室进行应用。 几种导向系统优缺点的比较与分析 陀螺仪的测量基准点是对刚拼装好的管片而言，但因管片位于盾构机内，在下一环推进时有可能随施工机械而运动，难以成为不动点。 此外，这种系统对盾构机的水平滑动现象也难以监测。 因此，测量精度有些不稳定，容易产生较大的误差积累，必须用人工定期进行补充测量。 但此系统不需要更换仪器且不需要太大的测量空间，容易处理，可适合于小断 面工程和弯段施工比较多的工程。 此外，系统费用也较低。 激光导向系统一般较稳定，精度较高。 但是，量距和坐标换算不方便，自动化程度低。 此外，为了确保照射距离不超过极限和在弯曲段施工时有一定的照射空间，必须转点操作。 尤其是对小断面的和弯曲段多的工程，更需多次设站转点。 因此，小断面的工程和弯曲段多的工程不宜选用激光导向系统。 国外激光法导向系统价格昂贵，价格高达一二百万，在一条线路施工完成后，要继续使用其产品还需不菲的后续服务费，同时激光的精度与强弱有关，当测站与ELS 距离太长时，其精度不高，有时甚至无法工作。 三棱 镜是国内目前比较容易使用的技术，其安装方法简单、理论数学模型较严密，在通视条件较好、盾构机内棱镜安装可选择位置较大时，其精度和连续观测距离能满足要求。 但该模式目前还不具备大范围推广的条件，原因是计第 3 章 盾构隧道自动导向系统 13 算模型和测量方式对隧道施工的通用性不强。 如通过 3 个棱镜构成的一个空间平面，来计算和控制盾构机的空间中轴线，这样，棱镜在空间平面上分布的距离越远则精度越高。 但隧道施工的现场条件有限，特别是在小直径、小曲率隧道施工中，一个面状的通视区域是不可能存在的。 如果棱镜布设范围宽，会造成频繁的换站，有时甚至到达 10 多环就换站 ，工作量大。 如果布设的窄，精度必然降低，甚至造成棱镜无法识别。 这也是为什么国际上三棱镜仅用于系统的安装检测，而不用于盾构引导的原因。 二棱镜和高精度双轴传感器的优点 （ 1） 不受激光强度的影响，只要可见就可测。 （ 2） 沿着盾构轴线方向布设目标，符合盾构隧道施工的现场情况，可以在通视条件不利的小直径和小曲率隧道中很好地应用。 （ 3） 在布设方式上，提高精度与单站连续测量的距离不再有矛盾。 并且，全站仪测边误差对盾构姿态的影响可忽略不计。 （ 4） 观测棱镜数量少、时间间隔短，盾构掘进对系统精度的影响很小。 （ 5） 传感器安装和初始化方法均方便。 成本较低。 棱镜法在土压平衡式盾构机测量系统上的应用 关于 6． 24m 土压平衡式盾构机的改造背景 , 20 世纪 70 年代以来，盾构掘进机施工技术有了新的飞跃。 伴随着激光、计算机以及自动控制等技术的发展成熟，自动测量系统在盾构机中逐渐得到成功运用、发展和完善。 天津城建隧道股份有限公司给一台中 6． 24m 土压平衡式盾构机加装了一套自动测量系统，用于进行沈阳地铁 l 号线滂江街一小什字街区间隧道施工。 全面理解自动测量系统的原理，有助于工程技术人员在地铁的盾构施工中及时发现问题，解决 问题，保证隧道的正确掘进和最后贯通。 自动测量系统的组成 掘进管理计算机、全站仪计算机、不中断电路装置、坑内监视器、数据控制盘、控制器、个人电脑转换器、集线器 (8端口 )、调制解调器、全站仪电源箱、标靶、水准台、转弯基本、远隔监视器、远隔计算机、打印机等。 自动测量系统和盾构机控制测量在盾构施工中的地位和作用 配置土压力和推进参数自动测量，数据采集处理和远程传输系统，可以实现办公室的掘进工况信息管理；配备自动测量导向系统，可以适时测控盾构机姿态和管片拼装精度。 描述盾构机姿态的要素 描述盾构机姿态的参数有： 刀头坐标 (x， y， z)：水平角 A；倾角  ；旋转角 K。 由盾构机姿态及设计隧道中线，可推算如下数据：刀头里程：刀头、盾 14 尾三维偏差；平面偏角 (Yaw)：盾构机中心轴线和设计隧道中线在水平投影面的夹角：倾角 (Pitch)：盾构机中心轴线和设计隧道中线在纵向 (线路前进方向 )竖直投影面的夹角；旋角 (Rol1)：盾构机绕自身中心轴线相对于水平位置旋转的角度。 在掘进过程中，自动测量系统按如下流程工作：首先，人工测量确定盾构机自动测量系统后视标靶、全站仪和盾构机的初始姿态数据。 将上 述数据资料和隧道的理论轴线位置三维坐标输入系统。 盾构机开始掘进后，系统全站仪自动测量可以确定盾构机位置的标靶的坐标数据并根据后视点的坐标进行换算，得出盾构机当时的位置状况。 根据位置状况数据，操作人员进行纠偏、调整管片拼装等操作。 如此往复循环工作。 当盾构机进行曲线掘进。 全站仪与主机不能实现通视时，需重新定位全站仪，即可进行上述测量步骤。 由系统控制全站仪实时测定盾构机标靶的相对坐标并由系统对照后识点标靶的位置；同时自动照准标靶，并自动记录激光水平方位角；标靶内部光栅捕获入射角，间接得到盾构机纵轴水平方位角；利 用安装在标靶中相互垂寅两立面内的两把测角仪测得盾构机倾角和旋转角。 利用以上参数及前体、盾尾、棱镜中心三者的几何关系，通过空间坐标变换解算前体、盾尾中心坐标，结合设计隧道中线参数计算盾构机与隧道中线的相对偏差。 如此反复，指导盾构机掘进。 功能特点 使盾构机按照设计线路正确推进，其前提是及时测量，得到准确的空间位置和姿态方向，并以此为依据来控制盾构机的推进，及时指导操作人员进行纠偏，系统的功能特点主要表现在： (1)本系统采用同步跟进测量方式， 较好地克服了随着掘进面的推进测点越来越远而造成的观测困难和不便。 (2)免除辅助传感器设备，六要素一次给出 (六自由度 )。 (3)三维向量计算和利用全站仪直接测量点的三维，坐标 (x， y， z)采用新算方法“空间向量”进行严密的姿态要素求解． (4)运行稳定精度高，能充分满足隧道工程施工对精度控制和运行稳定性的要求． (5)适用耐高低温，湿度高，有震动的施工环境中的正常运行。 系统连续跟踪测定当前盾构机的三维空间位置、姿态与设计轴线进行比较获得偏差信息。 测量精度 本系统由两台仪器联测时，每次测量都从隧道基准导线点开始测量运行过程中每点和每条边在检验通过之后才进行下步。 得到的姿态 结果均相互独立，无累积计算，故系统求解计算中无累计性误差存在。 因此，每次结果之间可以第 3 章 盾构隧道自动导向系统 15 相互起到检核作用，从而避免产生人为的或系统数据的运行错误。 自动测量系统的工作过程 盾构机体作为刚体 3 个不共线的点是确定其空间位置与姿态的点。 由 3 测点的实时坐标值、按向量归算方法，解算得出盾构机特征点坐标与姿态角度精确值。 即通过三维向量归算直接求得盾构机切口和盾尾特征部位中心点当前的三维坐标和同时根据里程得到设计所对应的理论，两者比较得出偏差量。 自动测量系统在隧道内，一共有 4 个靶标，而全站仪位于 4 个靶标中间 (如下图 )，全站 仪首先定位 1， 2 靶标，通过这两个标靶的位置，全站仪自动设置 3， 4 标靶，完成这一系列任务之后， 自动测量系统即可开始工作，检测盾构机在隧道内的姿态。 通过使用该自动测量系统，可以达到以下使用效果： (1)、对程序的回归测试更方便。 这可能是自动化测试最主要的任务，特别是在程序修改比较频繁时，效果是非常明显的。 由于回归测试的动作和用例是完全设计好的，测试期望的结果也是完全可以预料的，将回归测试自动运行，可以极大提高测试效率，缩短回归测试时间。 (2)、可以运行更多更繁琐的测试。 自动化的一个明显的好处是可以 在较少的时间内运行更多的测试。 可以大大减轻人工测量的工作量。 (3)、可以执行一些手工测试困难或不可能进行的测试。 比如，对于大量用户的测试，不可能同时让足够多的测试人员同时进行测试，但是却可以通过自动化测试模拟同时有许多用户，从而达到测试的目的。 (4)、更好地利用资源。 将繁琐的任务自动化，可以提高准确性和测试人员的积极性，将测试技术人员解脱 来投入更多精力设计更好的测试用例。 有些测试不适合于自动测试，仅适合于手工测试，将可自动测试的测试自动化后，可以让测试人员专注于手工测试部分，提高手工测试的效率。 16 第 4 章 棱镜与倾斜仪高精度自动导向系统 棱镜与倾斜仪自动导向系统的原理 自动全站仪激光导向系统能定时、实时动态测定盾构机的位置、姿态以及盾构姿态相对于设计轴线的偏差。 进而以此为基本依据调整千斤顶和推力，可使管片安装在正确位置，确保隧道施工轴线的偏差在允许的范围内。 导向系统自动化程度高、方案可行，理论证明其能满足盾构施工导向系统的精度要求。 由于地下施工条件艰苦、环境复杂，洞内湿度、大气折光和地球曲率等将对导向系统产生一定影响，可采取进一步措施提高精度，这里论述了采取自动跟踪全站仪导向系统与倾 斜仪等传感器相配合的措施以达到到检核的效果。 实际工程。