應用于雙護盾隧道掘進機的導向系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種應用于雙護盾隧道掘進機(以下簡稱“TBM”)的導向系統，主要用于隧道掘進機施工時的導向。
【背景技術】
[0002]隨著軌道交通行業大力發展，雙護盾TBM在硬巖地質隧道施工方面得到了廣泛應用。目前國內外雙護盾TBM應用的導向系統都是將測量標靶直接安裝在TBM前盾體上，通過測量通道來進行TBM的掘進導向和姿態矯正。但是由于雙護盾TBM在掘進中前盾體的震動以及前盾與支撐盾之間柔性連接的影響，在實際的掘進施工中TBM的導向精度存在著很大的偏差，甚至存在著嚴重的“盲推”現象。
[0003]雙護盾TBM可以實現硬巖隧道開挖、出碴、支護的連續作業，因其安全、高效、可靠的性能，現在已經廣泛的應用于水利水電、礦山開采、軌道交通、市政、國防等工程。其主機由刀盤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)。導向系統就像TBM的眼睛一樣，指導TBM在掘進施工時沿著隧道設計軸線前進，提高隧道施工效率和隧道施工質量。目前國內外用于TBM的導向系統主要由安裝在前盾2上的激光標靶7、安裝在隧道管片壁9上的全站儀11和后視棱鏡12以及安裝導向系統控制軟件的工業電腦10四部分組成。導向系統的測量以安裝在隧道管片壁9上的全站儀11發出的激光束為基準，當發出激光束照射到安裝在TBM前盾2上的激光標靶7時與激光標靶7的軸線相比較，得出前盾2相對于全站儀11的滾動角、俯仰角和旋轉角。通過后視棱鏡12計算出激光標靶7和全站儀11的直線距離。所有的這些數據通過電纜傳輸到安裝導向系統控制軟件的電腦10上，這些數據與輸入工業電腦10的隧道設計軸線數據相比較，從而計算出TBM刀盤1掘進中心和隧道設計軸線中心的差值，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節TBM的掘進姿態，以達到使隧道的掘進軸線與隧道設計軸線一致的目的。
[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的空間位置關系不固定。為了保證能真實的顯現TBM實時掘進的姿態，使TBM沿著隧道設計軸線前進，激光標靶7必須要安裝在前盾2上才能最真實的反應刀盤1掘進的姿態。而在整個導向系統的測量過程中，最關鍵的要點是全站儀11發出的激光束要照射在前盾2的激光標靶7上，光的傳輸是直線傳播的，所以TBM主機中由尾盾8貫穿支撐盾6和伸縮盾4到達前盾2的測量視窗必須要足夠大才能滿足要求。
[0005]雙護盾TBM主要是針對硬巖隧道施工的，在刀盤掘進時產生的粉塵會比較大。為了保證工人的施工環境，減少粉塵和增加施工隧道內的含氧量，雙護盾TBM在設計時安裝了通風除塵和二次通風兩套系統。這種情況下TBM的后配套臺車的左右兩側就安裝了兩根風管(圖1中未圖示)。使雙護盾TBM的測量空間相對其它的隧道掘進機變得更加狹窄。同時，在城市地鐵施工時，為了躲避地上建筑物和已有隧道，小轉彎半徑的地鐵隧道設計越來越廣泛。隧道軸線設計轉彎半徑小與雙護盾TBM設計的測量視窗小的雙重疊加，使得全站儀11發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。這是目前國內外的雙護盾導向系統在地鐵硬巖隧道施工時普遍存在現象。當無法測量前盾體的姿態時，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，重新校對掘進軸線和設計軸線數據，會增加數據誤差，影響施工隧道的質量。
【發明內容】
[0006]本實用新型提供一種新型的雙護盾TBM用導向系統，主要是為了提高雙護盾TBM在掘進施工中導向精度，減少測量時的換站頻率，使導向系統能夠精確的確定TBM的實時姿態，尚效快速的掘進。
[0007]本實用新型的技術方案是:一種應用于雙護盾隧道掘進機的導向系統，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向系統的工業電腦，其特征在于，還包括安裝在支撐盾上的CCD測量相機、安裝在前盾上的LED標準特征點、以及安裝在尾盾上的激光標靶，CCD測量相機和全站儀與工業電腦之間進行數據傳輸。
[0008]所述的LED標準特征點由9個或12個LED特征點呈矩形分布在約平方米的平面上。
[0009]本實用新型的優點是:與目前國內外主流的雙護盾TBM導向系統向比較，本實用新型中全站儀發出的激光束直接照射到安裝在尾盾的激光標靶上，支撐盾和尾盾中間不再需要預留專門的激光測量視窗通道。這樣會大大的增加導向系統的測量距離，減少換站頻率，提高施工效率。同時因在做TBM設計時在支撐盾上不用預留激光測量視窗，在支撐盾的鋼體材料選型上會節省成本。
【附圖說明】
[0010]圖1是現有技術安裝在盾構機上的導向系統的總體結構軸向剖視示意圖；
[0011]圖2是本實用新型安裝在盾構機上的導向系統的總體結構軸向剖視示意圖；
[0012]圖3是圖2的A-A剖視圖；
[0013]圖4是圖2的B-B剖視圖；
[0014]圖5是圖2的C-C剖視圖。
【具體實施方式】
[0015]參見圖2?圖5，本實用新型的導向系統包括安裝在管片壁9上的后視棱鏡12、安裝在管片壁上9的全站儀11、安裝在駕駛室里的安裝了導向系統的工業電腦10、安裝在支撐盾6上的CCD測量相機5、安裝在前盾2上的LED標準特征點3、以及安裝在尾盾8上的激光標靶7，CCD測量相機5和全站儀11通過數據線與工業電腦10連接。
[0016]本實用新型利用CCD測量相機5實現在短距離時進行實時高精度定位測量。其原理是通過相機獲取周圍景物的圖像，利用景物中一些自然的或者人造的特征，通過圖像處理的方法來得到周圍的環境模型從而來實現相機的精確定位。具體的定位方法是:首先定義CCD相機坐標系、LED標準特征點坐標系及大地坐標系。測量相機獲取圖像后，進行圖像的預處理(圖像濾波與圖像分割，為常規技術)，通過預處理后的圖像對標準特征點和預定義坐標系比較進行定位。TBM在應用導向系統來測量時，首先通過支撐盾上的CCD測量相機5和前盾2的LED標準特征點3，將前盾2相對于支撐盾6的姿態數據(旋轉角，俯仰角和傾斜角)傳輸到駕駛室的工業電腦10上。同時，安裝在管片壁9上的全站儀11將激光束照射在尾盾8的激光標靶7上，將尾盾8的姿態數據(相對于隧道設計軸線)通過電纜也傳輸到工業電腦10中。由于雙護盾TBM的支撐盾6和尾盾8存在相對固定的位置關系，提前將這種位置關系的數據輸入到工業電腦10中，這樣通過前盾2相對于支撐盾6、支撐盾6相對于尾盾8和尾盾8相對于設計軸線的姿態數據，就可以精確地計算出前盾2的實時姿態，并顯示在工業電腦10上。
【主權項】
1.一種應用于雙護盾隧道掘進機的導向系統，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向系統的工業電腦，其特征在于，還包括安裝在支撐盾上的CCD測量相機、安裝在前盾上的LED標準特征點、以及安裝在尾盾上的激光標靶，CCD測量相機和全站儀與工業電腦之間進行數據傳輸。2.根據權利要求1所述的應用于雙護盾隧道掘進機的導向系統，其特征在于，所述的LED標準特征點由9個或12個LED特征點呈矩形分布在約平方米的平面上。
【專利摘要】一種應用于雙護盾隧道掘進機的導向系統，其特征在于，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、安裝在駕駛室里的安裝了導向系統的工業電腦、安裝在支撐盾上的CCD測量相機、安裝在前盾上的LED標準特征點、以及安裝在尾盾上的激光標靶。在隧道掘進施工時，CCD測量相機通過提取LED標準特征點光斑位置的變化，并且與開始在CCD測量相機內標定的位置進行比較，從而得出支撐盾和前盾的精確位置關系。本實用新型的優點是：其全站儀發出的激光束直接照射到安裝在尾盾的激光標靶上，支撐盾和尾盾中間不再需要預留專門的激光測量視窗通道。這樣會大大的增加導向系統的測量距離，減少換站頻率，提高施工效率。
【IPC分類】E21D9/08, G01C21/04
【公開號】CN204963871
【申請號】CN201520691146
【發明人】王斌, 邾繼貴, 王小強, 朱厚軍, 沈從浩, 田斌, 張曉日
【申請人】中船重工（青島）軌道交通裝備有限公司, 邾繼貴, 上海力信測量技術有限公司
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年9月9日