[发明专利]一种多传感器数据融合的盾构机实时导向系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种盾构机实时导向系统，可用于地铁隧道、过江隧道等隧道掘进领域。

背景技术

盾构机隧道掘进技术是地下暗挖隧道的一种工程建设技术，是随着现代交通运输、地下工程、矿山开采、水利工程、市政建设以及电气通讯设施的发展而发展起来的。早期的盾构机，主要是利用盾构机所特有的盾壳作为支护，防止地层的坍塌，以保证在其内部安全地进行开挖和衬砌等各种作业，开挖基本上是采用人工开挖方式。随着隧道工程的不断增多，为适应不同条件下的施工要求和提高施工效率，除不断完善软土隧道掘进机(即盾构机)及应用技术，又开发出能够适应岩石地层施工的岩石隧道掘进机及应用技术。随着技术的发展，遥控控制技术、激光制导技术以及陀螺仪定位系统已普遍应用于盾构机中，使得盾构机的操作、地表沉降的控制更趋简易，隧道的施工质量也越来越好。

现在盾构机中常用的导向系统有三种类型：陀螺仪导向系统、激光标靶导向系统和棱镜法导向系统。它们都能测量盾构机施工过程中的位姿，得到盾构机任意时刻的位置和姿态角数据，但各自的实现原理不同：

1.陀螺仪法导向系统：经典陀螺仪的基本结构是一个高速旋转的转子和各自分别固定在两个轴承上的两个框架。旋转转子的轴一般处于竖直的位置，所以紧靠转子的内框架是在竖直面上，而另一个框架则位于水平面上。这样的装置的两个框架的轴线全部在水平面上。姿态陀螺仪的基本原理就是角动量守恒，在没有外力矩的情况下，高速旋转的转子的角动量的大小和方向在惯性空间中保持不变。一般外框架的外轴承固定在飞行器结构上，飞行器的轴线和外框架的轴线相平行，这样在飞行器姿态变化时，它的翻滚角和俯仰角可以在外框架的内外轴承上测量出来。在这一类陀螺仪中，结构的不平衡，结构重心的偏离和轴承的摩擦力是这种陀螺仪的最主要的误差来源。这些因素引起了一定的力矩，使得陀螺仪的方位产生漂移。

陀螺仪用于盾构掘进机的方位检测时，能自动显示方位角、倾斜角、回转角。与掘进机的姿势管理软件连接可准确地实现顶管掘进机、盾构掘进机的施工管理。特点：陀螺仪是动态跟踪设备，通过与计算机联系，直接反映盾构机推进的过程数据，为盾构机定位提供了有利的保障，这为盾构机时刻处于良好的推进状态打下了基础。缺点是时滞较大，盾构机受地势影响会产生震动，陀螺仪有可能不能保持静定精度。由于以上特点，所以在施工中陀螺仪仅作为辅助参考，主要还是人工测量。

2.棱镜法导向系统：

具有代表性的是日本演算工房开发的棱镜法导向系统。在盾构机上三个已知位置安装全反射棱镜，依次测量三个棱镜的大地坐标，由于物体上三个点的坐标即可确定物体的位姿，则通过坐标运算，可得到盾构机在大地坐标系中的坐标位置和角度姿态。三棱镜法缺点是，三个棱镜的坐标不是同时测量得到，由于盾构机处于不断推进过程中，棱镜的位置坐标存在滞后性，需要利用算法补偿，且补偿无法完全抵消测量滞后所产生的误差，而棱镜坐标点测量的误差对盾构机姿态角的测量影响非常大。三个棱镜在盾构机内分布的区域较广，在掘进过程中，随着盾构机姿态的变化，易出现一个或两个棱镜被障碍物遮挡，无法测量的情况。

3.激光标靶法导向系统：

具有代表性的有由德国Vermessungstechnik公司生产的VMT导向系统和英国ZED Tunnel Guidance公司生产的ZED导向系统。电子标靶固定在盾体上，利用全站仪(Electronic Total Station，全站型电子速测仪)测量标靶上的棱镜坐标，同时发射激光束到标靶的传感器表面。标靶接收到入射激光束时，在水平及垂直方向上确定入射点的位置，从而确定水平偏航角。另外，其内部倾角仪测量盾构机轴线的滚动角与俯仰角。传统的激光标靶导向系统的主要缺点：为提供测量水平偏航角的激光束，需要改装全站仪，在全站仪上加装一个激光器，并确保激光器光轴与全站仪测距激光轴线平行。

公开号CN101392653的发明专利申请“隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量装置”，提供了一种新型电子标靶。该测量装置可直接利用全站仪的测距激光测量水平偏航角，利用倾角仪测量盾构机的滚角和俯仰角；克服了陀螺仪测量姿态角时不能保持静定精度、传统电子标靶需要改装全站仪的问题，可应用于激光标靶导向系统中。

激光标靶对地下隧道环境适应性存在问题，环境温度的变化会引起标靶内部传感器特性的变化，湿度过大使得标靶感光特性变化，地下施工中各种光源干扰激光束的测量，盾构机在掘进过程中的振动会对标靶内部测角传感器产生各种噪声干扰。

发明内容