盾构机自动纠偏方法 【技术领域】
本发明属于隧道掘进技术， 尤其涉及一种盾构机自动纠偏方法。背景技术 盾构机， 全称为 “盾构隧道掘进机” ， 是一种用于隧道掘进的工程机械。盾构机集 光、 机、 电、 液、 传感、 信息技术于一体， 具有开挖切削土体、 输送土碴、 拼装隧道衬砌、 测量导 向纠偏等功能， 涉及地质、 土木、 机械、 力学、 液压、 电气、 控制、 测量等多种技术。 盾构机已广 泛用于地铁、 铁路、 公路、 市政、 水电等隧道工程。
采用盾构机进行隧道施工具有自动化程度高、 节省人力、 施工速度快、 一次成洞、 不受气候影响、 开挖时可控制地面沉降、 减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响 水面交通等特点， 在隧道较长、 埋深较大的情况下， 用盾构机施工较为经济合理。
在地下作业的过程中， 盾构机的运动轨迹将基本形成地下隧道的实际轴线， 要求 实际轴线尽量接近或吻合隧道设计轴线 (DTA)， 以保证隧道工程的质量。因此， 盾构机的姿 态准确与否将直接影响到这个隧道工程的质量以及隧道的最后贯通， 必须严格按照隧道设 计轴线准确控制盾构机的实时姿态。如果盾构机的姿态与隧道设计轴线出现偏差， 则需要 及时对盾构机的姿态进行纠偏。
目前实际施工用的盾构机都是由操作人员根据测量结果， 采用手工方式进行纠偏 操作。为了提高施工效率和实现恶劣环境下无人值守施工操作， 需要一种盾构机自动纠偏 方法。
发明内容
本发明的目的在于提高施工效率和实现恶劣环境下无人值守施工操作， 提供一种 盾构机自动纠偏方法。
为达到上述目的， 本发明是通过以下技术方案来实现的 ：
本发明公开了一种盾构机自动纠偏方法， 包括以下步骤 ：
A、 激光全站仪测量盾构机前节部分、 铰接部分和后节部分的实时位置和姿态参 数；
B、 计算前节部分、 铰接部分和后节部分相对于隧道设计轴线的垂直面偏差和水平 面偏差 ； 计算盾构机整体在垂直面和水平面内的相对偏差和相对偏差变化量 ；
C、 计算前节部分、 后节部分和盾构机整体的相对垂直偏角和水平偏角， 并检测与 相应的设计值之间的偏差， 当所述偏差大于预定阈值时， 进入步骤 D ； 当所述偏差小于预定 阈值时， 返回步骤 A ；
D、 控制器通过压力传感器采集区压千斤顶的主推力和盾构机的主推油缸压力， 依 据区压千斤顶的主推力或者盾构机的主推油缸压力确定纠偏方式 ；
E、 控制器依据纠偏方式确定执行纠偏的千斤顶的位置， 并依据步骤 B 中计算得到 的数据控制执行纠偏的千斤顶的伸缩量， 调整前节部分与后节部分的偏转姿态。所述步骤 A 中， 激光全站仪将激光发射到隧道中的后视激光标靶以及盾构机内部 的两个目标激光标靶， 测量目标激光标靶相对于基准点的距离和方位角， 并根据盾构机角 度传感器和铰接行程传感器的测量数据， 计算盾构机的前节部分、 铰接部分和后节部分的 实时位置和姿态。
所述步骤 D 中， 所述纠偏方式包括顶进区压控制纠偏方式、 铰接控制纠偏方式和 区压铰接组合纠偏方式。
当区压千斤顶的主推力大于土质阻力并且超过第一预设值时， 采用所述顶进区压 控制纠偏方式 ；
当区压千斤顶的主推力大于土质阻力并且未超过第一预设值时， 采用所述铰接控 制纠偏方式。
当盾构机的主推油缸压力大于第二预设值时， 采用所述铰接控制纠偏方式 ；
当盾构机的主推油缸压力小于或者等于第二预设值时， 在隧道曲线段采用所述区 压铰接组合纠偏方式， 在隧道直线段采用所述顶进区压控制纠偏方式。
在顶进区压控制纠偏方式下， 纠偏操作行程对应于输出顶进区压力值的大小 ； 在 铰接控制纠偏方式下， 纠偏操作行程对应于纠偏油缸压力值的大小。
所述步骤 E 中， 为步骤 B 计算得到的数据设置 6 个纠偏阈值， 根据步骤 B 计算结果 所处的数值范围， 执行相应的纠偏控制逻辑算法。
采用本发明的技术方案， 能够提高施工效率和实现恶劣环境下无人值守施工操 作， 可实时检测盾构机的前节部分和后节部分的位置和姿态， 通过控制区压千斤顶和 / 或 铰接千斤顶的伸缩量， 可调整前节部分与后节部分的偏转姿态， 以使盾构机的顶进路线接 近或吻合隧道设计轴线， 从而实现盾构机顶进路线的准确施工控制。 附图说明
下面根据附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图 1 为本发明具体实施方式提供的盾构机自动纠偏方法的流程示意图 ； 具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
盾构机包括前节部分、 后节部分以及位于前节部分和后节部分之间的铰接部分， 铰接部分采用多个铰接千斤顶将前节部分和后节部分连接。在前节部分的前端安装有刀 盘， 刀盘旋转以开挖土体。 在后节部分的后端布置有多个区压千斤顶， 铰接千斤顶和区压千 斤顶均可以是液压千斤顶， 可根据盾构机的纠偏量的大小控制相应千斤顶的伸缩量来引导 盾构机在隧道中掘进。具体地讲， 通过控制千斤顶的伸缩量 ( 行程 )， 可调整前节部分与后 节部分的偏转姿态， 以使盾构机的顶进路线接近或吻合隧道设计轴线， 从而实现盾构机顶 进路线的准确施工控制。
图 1 为本发明具体实施方式提供的盾构机自动纠偏方法的流程示意图 ； 如图 1 所 示， 该流程主要包括以下步骤 ：
步骤 S101 中， 通过安装在隧道中的全站仪测量盾构机前节部分、 铰接部分和后节 部分的实时位置和姿态等参数。 具体地讲， 全站仪安装在隧道中， 全站仪将激光发射到安装在隧道中的后视激光标靶 ( 对应于后视点 ) 以及安装在盾构机内部的两个目标激光标靶 ( 对应于两个前视点 ) 上， 获得目标激光标靶相对于基准点的距离、 方位角等参数。根据全 站仪的测量数据以及安装在盾构机中的盾构机角度传感器和铰接行程传感器的测量数据， 可按照推演算法计算得到盾构机的前节部分、 铰接部分和后节部分的实时位置和姿态等参 数。
优选的是， 对于采集 ( 测量 ) 的数据， 可校验其合理性。将当前值与前三次数据的 平均值进行比较， 如相差 50％以上， 则视当前值为无效。对于初始值 ( 即无历史数据， 或历 史数据与当前值无相关性， 如每一环片的第一个数据、 倒站、 纠偏后的第一个数据等 )， 需要 先采集 3 个数据， 然后再进行校验。
步骤 S102 中， 计算前节部分、 铰接部分和后节部分相对于隧道设计轴线的垂直面 偏差和水平面偏差 ； 计算盾构机整体在垂直面和水平面内的相对偏差和相对偏差变化量。
根据计算得到的盾构机的实时位置和姿态等参数， 分别计算盾构机的前节部分、 铰接部分和后节部分相对于隧道设计轴线的垂直面偏差 Yj1、 Yj2、 Yj3 和水平面偏差 Xj1、 Xj2、 Xj3。
计算盾构机整体在垂直面内相对偏差 ΔY ＝ Yj1-Yj3 和水平面内相对偏差 ΔX ＝ Xj1-Xj3。计算垂直面内相对偏差变化量 εY ＝ ΔY1-ΔY2， 水平面内相对偏差变化量 εX ＝ ΔX1-ΔX2， 其中， ΔY1 和 ΔY2 分别表示在前后两个时刻计算的盾构机整体垂直面内相对偏差， ΔX1 和 ΔX2 分别表示在前后两个时刻计算的盾构机整体水平面内相对偏差。
εY 反映了前后两个时刻的垂直面内相对偏差的变化趋势， εX 反映了前后两个时 刻的水平面内相对偏差的变化趋势， 根据垂直面内相对偏差的变化趋势以及水平面内相对 偏差的变化趋势， 可调整盾构机的纠偏操作， 避免发生因为盾构机转弯半径过小而导致纠 偏失败。
步骤 S103 中， 计算前节部分、 后节部分和盾构机整体的相对垂直偏角和水平偏 角， 并检测与相应的设计值之间的偏差， 当所述偏差大于预定阈值时， 进入步骤 S104 ； 当所 述偏差小于预定阈值时， 返回步骤 S101。
根据垂直面偏差 Yj1、 Yj2、 Yj3 以及前节部分的长度和后节部分的长度， 计算前节部 分相对垂直偏角 θj11、 后节部分相对垂直偏角 θj12 和整体相对垂直偏角 θj13， 根据水平面 偏差 Xj1、 Xj2、 Xj3 以及前节部分的长度和后节部分的长度， 计算前节部分相对水平偏角 θj21、 后节部分相对水平偏角 θj22 和整体相对水平偏角 θj23。对于盾构机纠偏， 就是对相对垂直 偏角以及相对水平偏角进行纠正， 使得盾构机的顶进路线接近或吻合隧道设计轴线。
按照下面的等式计算 θj11、 θj12、 θj13、 θj21、 θj22 和 θj23，
其中， L1 是前节部分的长度， L2 是后节部分的长度。
检测 θj11、 θj12、 θj13、 θj21、 θj22 和 θj23 分别与相应的设计值之间的偏差， 确定偏 差是否大于预定阈值， 例如， 将预定阈值设为设计值的 ±5％。如果偏差大于预定阈值， 则 继续进行下面的纠偏操作， 进入步骤 S104 ； 如果偏差小于或等于预定阈值， 则返回到步骤 S101。
步骤 S104， 控制器通过压力传感器采集区压千斤顶的主推力和盾构机的主推油缸 压力， 依据区压千斤顶的主推力或者盾构机的主推油缸压力确定纠偏方式。 具体地讲， 所述 控制器为可编程逻辑控制器件， 所述控制器直接采集两个压力传感器的数值， 根据区压千 斤顶的主推力或盾构机的主推油缸压力， 可以确定采用顶进区压控制纠偏方式、 铰接控制 纠偏方式以及区压铰接组合纠偏方式中的一种来进行纠偏操作。
对于顶进区压控制纠偏方式， 该方式会损失区压千斤顶的主推力。在区压千斤 顶的主推力大于土质阻力并且超过第一预设值的条件下 ( 表示区压千斤顶的主推力足够 大 )， 优先采用区压控制纠偏方式， 即， 调整区压千斤顶的伸缩量来进行顶进区压控制纠偏。
对于铰接控制纠偏方式， 在区压千斤顶的主推力大于土质阻力并且未超过第一预 设值的条件下 ( 表示区压千斤顶的主推力不是足够大 )， 采用铰接控制纠偏方式， 调整铰接 千斤顶的伸缩量， 进行铰接控制纠偏。
对于区压铰接组合纠偏方式， 同时调整铰接千斤顶和液压千斤顶的伸缩量， 能够 更好的控制盾构机的姿态， 达到更好的纠偏效果。
根据盾构机的主推油缸压力， 下表列出了纠偏方式的确定原则 ：
这里的主推油缸压力也就是盾构机在掘进过程中需要的主推力。 当主推油缸压力 大于第二预设值时， 表示盾构机在掘进过程中需要较大的主推力进行掘进， 此时， 应该选择 铰接控制纠偏方式， 因为顶进区压控制纠偏方式会损失盾构机在掘进过程中的主推力。
步骤 S105， 控制器依据纠偏方式确定执行纠偏的千斤顶的位置， 并依据步骤 B 中 计算得到的数据控制执行纠偏的千斤顶的伸缩量， 调整前节部分与后节部分的偏转姿态。
根据 Yj1、 Yj2、 Yj3、 Xj1、 Xj2、 Xj3 以及 ΔY、 Δ X、 ε Y、 εX 两组数据， 控制将执行纠偏的千 斤顶的伸缩量， 以调整前节部分与后节部分的偏转姿态， 以使盾构机的顶进路线接近或吻
合隧道设计轴线， 从而实现盾构机顶进路线的施工控制。
根据本发明的盾构机纠偏方法， 还可确定纠偏操作行程。纠偏操作行程是指盾构 机在掘进多远的距离后实现目的纠偏， 使盾构机运行到正常的隧道设计轴线上来。
在顶进区压控制纠偏方式下， 纠偏操作行程对应于输出顶进区压力值的大小 V。 在 铰接控制纠偏方式下， 纠偏操作行程对应于纠偏油缸压力值的大小 V。
可以利用经验公式来确定输出顶进区压力值或纠偏油缸压力值的大小 V ：
V ＝ k1k2k3k4k5k6ΨXY，
其中 ： ΨXY 是基本纠偏量， 可预先设定 ； k1 是盾构机机头实际偏差影响系数 ； k2 是 盾构机机头实际姿态影响系数 ； k3 是盾尾间隙影响系数 ； k4 是土质影响系数， 土质包括粘 土、 粉土、 粉沙土、 砂砾层等 ； k5 是管片形式影响系数， 管片包括通用型、 标准型管片， 也可分 为标准环、 左转环、 右转环等 ； k6 是管片楔形量影响系数。
根据本发明的盾构机纠偏方法， 还可检查 Yj1、 Yj2、 Yj3、 Xj1、 Xj2、 Xj3 与 ΔY、 ΔX、 εY、 εX 两组数据， 设定超下限、 下下限、 下限、 上限、 上上限、 超上限六个阈值， 测量值处于不同 数据范围时， 进行不同的处理。两组数据独立检查， 独立给出纠偏控制逻辑， 然后再加权综 合， 给出统一的控制算法。 设置 6 个阈值的标准是依据掘进施工现场的实际条件来设定的经验值。可考虑 以下因素来设置 6 个阈值 ： 盾构机区压千斤顶、 铰接千斤顶所能提供的推力大小 ； 纠偏量大 小； 纠偏操作行程设定 ； 纠偏路线的选取 ； 施工现场隧道的土壤湿度、 地质状况等。
根据本发明的盾构机纠偏方法， 可实时检测盾构机的前节部分和后节部分的位置 和姿态， 通过控制区压千斤顶和 / 或铰接千斤顶的伸缩量， 可调整前节部分与后节部分的 偏转姿态， 使盾构机的顶进路线接近或吻合隧道设计轴线， 从而实现盾构机顶进路线的准 确施工控制。
上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理， 任何熟悉本技术领域的技术人 员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围 内。