CN109403984B - 长距离曲线顶管自动导向系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长距离曲线顶管自动导向系统，包括：顶管机，其设于隧道中，所述顶管机机头上设有激光靶；初始全站仪，其上设有第一棱镜，所述初始全站仪设置于隧道始发井口内的支架上；多个次全站仪，每个次全站仪上均设有第二棱镜，多个次全站仪依次安装在激光靶与初始全站仪之间的随顶管机一同前进的且无法通视的隧道管片上；后视棱镜，其安装在隧道始发井口的墙壁上；其中，所述初始全站仪、多个次全站仪均与一计算机通讯连接。本发明的长距离曲线顶管自动导向系统，可以实现在长距离曲线顶管隧道中对顶管机姿态的自动测量，指导顶管机的掘进施工，具有系统结构简单使用方便，测量精度高，导向效果好等优点。

Description

长距离曲线顶管自动导向系统

技术领域

本发明涉及顶管导向技术领域，更具体地说，本发明涉及一种长距离曲线顶管自动导向系统。

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，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、天然气石油管道、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包括以下几种：

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。

3、激光经纬仪导向：在顶管机上安装标靶，在工作井安装激光经纬仪，激光经纬仪发射激光束，在标靶上形成红色的光斑，事先已将激光束与设计轴线调整至平行，标靶上激光斑的位置变化即为顶管机的位置变化，该技术能够直观的给操作工程师顶管机的位置变化，也具备数据的实时性，但是存在如下的缺陷：①测量数据不能保存；②只能用于顶进距离小于400米的直线顶管工程；③不能测量顶管机的姿态角；由于存在以上的问题，不能满足目前发展的长距离曲线顶管工程的测量需求。

4、测量机器人导向：在井口安装测量机器人，在顶管机上安装反射棱镜，编制工程软件控制测量机器人测量顶管机上的反射棱镜的坐标，计算顶管机的位置和偏差并实时的显示，该种方法亦可在工作井与顶管机之间增加测量机器人，到达坐标基准传递的目的，以便应用于长距离的曲线顶管工程。该技术具备数据实时性，但是经现场应用存在如下的问题：①由于顶管隧道内存在严重的大气折光，当测量机器人与顶管机的距离超过100米时，测量高程误差太大，数据准确度不能满足要求；②若在工作井与顶管机之间增加测量机器人，以便减小大气折光的影响，此时平面坐标(X，Y)的传递误差太大，并且数据的一致性较差，不能达到测量导向的目标，另外增加测量机器人，增加的成本太大。

以上各种测量导向技术均存在不少问题，不适合长距离曲线顶管隧道的测量。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种长距离曲线顶管自动导向系统，可以实现在长距离曲线顶管隧道中对顶管机姿态的自动测量，指导顶管机的掘进施工，具有系统结构简单使用方便，测量精度高，导向效果好等优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种长距离曲线顶管自动导向系统，包括：

顶管机，其设于隧道中，所述顶管机机头上设有激光靶；

初始全站仪，其上设有第一棱镜，所述初始全站仪设置于隧道始发井口内的支架上；

多个次全站仪，每个次全站仪上均设有第二棱镜，多个次全站仪依次安装在激光靶与初始全站仪之间的随顶管机一同前进的且无法通视的隧道管片上；

后视棱镜，其安装在隧道始发井口的墙壁上；

其中，所述初始全站仪、多个次全站仪均与一计算机通讯连接；

其中，所述支架包括：

套筒，其竖直设置，所述套筒内套设有滑杆，所述滑杆可沿套筒轴线方向滑动，所述滑杆沿其长度方向设有多个凹槽，所述套筒外周设有多个通孔，所述通孔与所述凹槽一一对应，每个凹槽内均设有弹簧，一定位柱其一端穿过通孔、凹槽并与弹簧固连，当弹簧压缩至最低点时，定位柱的一端位于凹槽内，当弹簧处于自然状态时，定位柱的另一端位于通孔外，所述初始全站仪安装于滑杆顶端。

优选的是，所述的长距离曲线顶管自动导向系统，所述滑杆顶端水平设有一固定板，所述固定板上端面沿长度方向设有一倒T形滑槽，一滑块其下端设有一与所述T形滑槽相适配的凸起，所述滑块通过凸起滑动连接所述滑槽，所述初始全站仪安装于滑块上端。

优选的是，所述的长距离曲线顶管自动导向系统，所述滑块上端设有一转轴，一基座其下端面对应转轴处设有一安装孔，所述转轴伸入安装孔内，所述基座可绕转轴转动，所述初始全站仪安装于基座上端。

优选的是，所述的长距离曲线顶管自动导向系统，每个次全站仪所对应的隧道管壁前方沿周向设有多个反射棱镜。

优选的是，所述的长距离曲线顶管自动导向系统，反射棱镜位于次全站仪所对应的隧道管壁前方20～50m，所述反射棱镜的数量不少于3个。

优选的是，所述的长距离曲线顶管自动导向系统，所述套筒的下端连接一液压气缸的活塞杆。

优选的是，所述的长距离曲线顶管自动导向系统，所述基座为圆柱形，所述基座外周设有一固定块，所述固定块上设有定位孔，所述滑块上端面位于转轴之外周向设有多个定位槽，一定位杆可穿过定位孔并伸入定位槽中，以使基座固定。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明的长距离曲线顶管自动导向系统，可以实现在长距离曲线顶管隧道中对顶管机姿态的自动测量，指导顶管机的掘进施工，具有系统结构简单使用方便，测量精度高，导向效果好等优点。且初始全站仪安装在支架上，通过支架可以实现初始对全站仪上下左右的安装位置进行调整。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的长距离曲线顶管自动导向系统其中一个技术方案的结构示意图；

图2为本发明的其中一个技术方案中多个次全站仪的安装示意图；

图3为本发明的其中一个技术方案中反射棱镜的安装示意图；

图4为本发明的其中一个技术方案中支架的结构示意图；

图5为本发明的其中一个技术方案中固定板的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1～5所示，一种长距离曲线顶管自动导向系统，包括：

顶管机1，其设于隧道2中，所述顶管机1机头上设有激光靶11；

初始全站仪3，其上设有第一棱镜，所述初始全站仪3设置于隧道始发井口21内的支架上；

多个次全站仪4，每个次全站仪4上均设有第二棱镜，多个次全站仪4依次安装在激光靶11与初始全站仪3之间的随顶管机一同前进的且无法通视的隧道管片上；

后视棱镜22，其安装在隧道始发井口21的墙壁上；

其中，所述初始全站仪3、多个次全站仪4均与一计算机通讯连接；

其中，所述支架包括：

套筒61，其竖直设置，所述套筒61内套设有滑杆62，所述滑杆62可沿套筒轴线方向滑动，所述滑杆62沿其长度方向设有多个凹槽63，所述套筒61外周设有多个通孔，所述通孔与所述凹槽63一一对应，每个凹槽63内均设有弹簧65，一定位柱64其一端穿过通孔、凹槽63并与弹簧65固连，当弹簧65压缩至最低点时，定位柱64的一端位于凹槽63内，当弹簧65处于自然状态时，定位柱64的另一端位于通孔外，所述初始全站仪 3安装于滑杆62顶端。

本发明的长距离曲线顶管自动导向系统，初始全站仪3、次全站仪4为现有的全站仪，比如可为美国天宝全站仪，使用时，在隧道的顶管机1上安装激光靶11，然后在隧道始发井口21的墙壁上安装后视棱镜22，在隧道始发井口21内安装初始全站仪3，首先利用计算机控制初始全站仪3从隧道始发井口先测量后视棱镜进行后视定向，再测量激光靶11 的坐标从而计算出顶管机1的位置，与设计线路比较，求出顶管机1此时的里程和偏差；当初始全站仪3测量不到激光靶11时，在激光靶11与初始全站仪3之间的随顶管机一同前进的隧道管片上安装第一个次全站仪4，由计算机控制初始全站仪3测量后视棱镜22 进行后视定向，再测量第一个次全站仪4计算其坐标，使第一个次全站仪4以初始全站仪 3的测量数据为基准重新进行后视定向，由第一个次全站仪4测量激光靶的坐标从而计算出顶管机1的位置，与设计线路比较，求出顶管机此时的里程和偏差；随着顶管机1的掘进，当初始全站仪3测量不到第一个次全站仪4时，再在第一个次全站仪4与初始全站仪 3之间的隧道管片上增加第二个次全站仪4，由计算机控制初始全站仪3先测量后视棱镜进行后视定向，再测量第二个次全站仪4计算其坐标，使第二个次全站仪4以初始全站仪3的测量数据为基准重新进行后视定向；由计算机控制第二个次全站仪4测量第一个次全站仪4的坐标，使第一个次全站仪4以第二个次全站仪4的测量数据为基准重新进行后视定向，再由第一个次全站仪4测量激光靶11的坐标从而计算出顶管机1的位置，与设计线路比较，求出顶管机1此时的里程和偏差；如此类推依次增加多个次全站仪4不断求出顶管机新的里程和偏差。上述多个次全站仪4的安装位置如图2所示，即多个次全站仪4 依次安装在激光靶11与初始全站仪3之间的随顶管机一同前进的且无法通视的隧道管片上，多个次全站仪4不位于一条直线上。上述初始全站仪3安装在支架上，通过按压定位柱64使弹簧65被压缩至最低点，然后向上或向下滑动滑杆62，松开定位柱64后，定位柱64卡在通孔(图未示)中进而固定滑杆62，通过这种方式可以上下调整初始全站仪3 的安装高度，从而适应不同高度的隧道。

在另一种技术方案中，所述的长距离曲线顶管自动导向系统，所述滑杆62顶端水平设有一固定板7，所述固定板7上端面沿长度方向设有一倒T形滑槽71，一滑块8其下端设有一与所述T形滑槽71相适配的凸起，所述滑块8通过凸起滑动连接所述滑槽71，所述初始全站仪3安装于滑块8上端。在本技术方案中，滑块8上的凸起可沿T形滑槽71 左右滑动，而初始全站仪3安装在滑动上，这样在水平方向上可以调整初始全站仪3的安装位置。

在另一种技术方案中，所述的长距离曲线顶管自动导向系统，所述滑块8上端设有一转轴81，一基座9其下端面对应转轴81处设有一安装孔(图未示)，所述转轴81伸入安装孔内，所述基座9可绕转轴81转动，所述初始全站仪3安装于基座上端。在本技术方案中，通过基座9绕转轴81转动，从而使初始全站仪3转动，这样可进一步调整初始全站仪3的角度。

在另一种技术方案中，所述的长距离曲线顶管自动导向系统，每个次全站仪4所对应的隧道管壁前方沿周向设有多个反射棱镜5。在本技术方案中，通过多个反射棱镜5拟合该管道断面的圆形形状，如果计算机检测到该断面圆形的圆心位置发生改变，这说明此断面发生了形变，起到检测作用。

在另一种技术方案中，所述的长距离曲线顶管自动导向系统，反射棱镜5位于次全站仪4所对应的隧道管壁前方20～50m，所述反射棱镜的数量不少于3个。

在另一种技术方案中，所述的长距离曲线顶管自动导向系统，所述套筒61的下端连接一液压气缸的活塞杆。在本技术方案中，将套筒61连接在液压气缸的活塞杆上，通过活塞杆的伸缩，进一步调整初始全站仪3的安装高度。

在另一种技术方案中，所述的长距离曲线顶管自动导向系统，所述基座9为圆柱形，所述基座9外周设有一固定块91，所述固定块91上设有定位孔，所述滑块8上端面位于转轴之外周向设有多个定位槽82，一定位杆92可穿过定位孔并伸入定位槽82中，以使基座9固定。在本技术方案中，通过固定块91转动基座9然后通过定位杆92插入定位槽 82中以使基座9固定。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.长距离曲线顶管自动导向系统，其特征在于，包括：

顶管机，其设于隧道中，所述顶管机机头上设有激光靶；

初始全站仪，其上设有第一棱镜，所述初始全站仪设置于隧道始发井口内的支架上；

多个次全站仪，每个次全站仪上均设有第二棱镜，多个次全站仪依次安装在激光靶与初始全站仪之间的随顶管机一同前进的且无法通视的隧道管片上；

后视棱镜，其安装在隧道始发井口的墙壁上；

其中，所述初始全站仪、多个次全站仪均与一计算机通讯连接；

其中，所述支架包括：

套筒，其竖直设置，所述套筒内套设有滑杆，所述滑杆可沿套筒轴线方向滑动，所述滑杆沿其长度方向设有多个凹槽，所述套筒外周设有多个通孔，所述通孔与所述凹槽一一对应，每个凹槽内均设有弹簧，一定位柱其一端穿过通孔、凹槽并与弹簧固连，当弹簧压缩至最低点时，定位柱的一端位于凹槽内，当弹簧处于自然状态时，定位柱的另一端位于通孔外，所述初始全站仪安装于滑杆顶端；所述套筒的下端连接一液压气缸的活塞杆；

所述滑杆顶端水平设有一固定板，所述固定板上端面沿长度方向设有一倒T形滑槽，一滑块其下端设有一与所述T形滑槽相适配的凸起，所述滑块通过凸起滑动连接所述滑槽，所述初始全站仪安装于滑块上端；

所述滑块上端设有一转轴，一基座其下端面对应转轴处设有一安装孔，所述转轴伸入安装孔内，所述基座可绕转轴转动，所述初始全站仪安装于基座上端；

初始全站仪安装在支架上，通过按压定位柱使弹簧被压缩至最低点，然后向上或向下滑动滑杆，松开定位柱后，定位柱卡在通孔中进而固定滑杆，通过这种方式上下调整初始全站仪的安装高度，从而适应不同高度的隧道；

滑块上的凸起沿T形滑槽左右滑动，而初始全站仪安装在滑块上，这样在水平方向上调整初始全站仪的安装位置。

2.如权利要求1所述的长距离曲线顶管自动导向系统，其特征在于，每个次全站仪所对应的隧道管壁前方沿周向设有多个反射棱镜。

3.如权利要求2所述的长距离曲线顶管自动导向系统，其特征在于，反射棱镜位于次全站仪所对应的隧道管壁前方20~50m，所述反射棱镜的数量不少于3个。

4.如权利要求1所述的长距离曲线顶管自动导向系统，其特征在于，所述基座为圆柱形，所述基座外周设有一固定块，所述固定块上设有定位孔，所述滑块上端面位于转轴之外周向设有多个定位槽，一定位杆可穿过定位孔并伸入定位槽中，以使基座固定。