УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОРИЕНТАЦИИ ПРОХОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ТОННЕЛЕЙ
DEVICE FOR ORIENTATION OF TUNNELLING SYSTEM DURING CONSTRUCTION OF CURVED TUNNELS

Изобретение относится к области горной промышленности, в частности к устройствам для ориентации проходческих комплексов при строительстве криволинейных тоннелей, в том числе при строительстве криволинейных тоннелей методом продавливания.
Известно устройство для ориентации проходческого щита, содержащее лазерную мишень, установленную на проходческом щите, и источник лазерного излучения, установленный в стартовой шахте (патент Великобритании №2095720 А от 1982 г. по Кл. МКИ E21D 9/093).
Недостатком данного устройства является относительно низкая точность ориентации при проходке криволинейных тоннелей.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является устройство для ориентации проходческого комплекса при строительстве криволинейных тоннелей, содержащее источник опорного лазерного излучения, установленный в пусковой шахте, мишень, установленную на проходческом комплексе, промежуточные лазерные модули, установленные на расстоянии друг от друга в пределах обеспечения прямой видимости в возведенной части тоннеля, измеритель длины проходки и каналы передачи данных между блоками системы управления устройства и компьютером с монитором (ROBT №4, 2002 г. Система управления SLA-PV продавливанием трубопроводов компании VMT GmbH).
Недостатком данного устройства является недостаточная точность ориентации комплекса при строительстве криволинейных поверхностей, обусловленная тем, что в процессе продавливания весь тоннель находится в движении и, следовательно, на участках тоннеля отсутствуют неподвижные базовые точки, необходимые для расчета координат проходческой машины.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении точности ориентации проходческого комплекса, унификации устройства и упрощении его сборки.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для ориентации проходческого комплекса при строительстве криволинейных тоннелей, содержащем источник опорного лазерного излучения, установленный в пусковой шахте, лазерную мишень, установленную на проходческом комплексе, промежуточные лазерные модули, установленные на расстоянии друг от друга в пределах обеспечения прямой видимости в возведенной части тоннеля, измеритель длины проходки и каналы передачи данных между блоками системы управления устройства и компьютером с монитором, источник опорного лазерного излучения, лазерная мишень и промежуточные лазерные модули выполнены в виде унифицированных модулей, каждый из которых содержит размещенные на общей платформе двухкоординатный инклинометр, лазерный ротационный нивелир и регистратор лазерного излучения, при этом платформа выполнена с возможностью колебательного движения вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной оси тоннеля.
На фиг.1 представлена схема размещения элементов устройства в тоннеле.
На фиг.2 представлена конструкция унифицированного модуля устройства.
На фиг.3 представлена схема ротационного лазерного нивелира.
Устройство для ориентации проходческого комплекса при строительстве криволинейных тоннелей содержит источник 1 опорного лазерного излучения 2, расположенный в стартовой шахте 3, лазерную мишень 4, установленную в проходческом комплексе 5, промежуточные лазерные модули 6, установленные на расстоянии друг от друга в пределах обеспечения прямой видимости в возведенной части тоннеля 7, измеритель 8 длины проходки.
Источник 1 опорного лазерного излучения, лазерная мишень 4 и промежуточные модули 6 выполнены в виде унифицированного модуля 9, состоящего из двухкоординатного инклинометра 10, лазерного ротационного нивелира 11, размещенных на общей платформе 12, приводимой в колебательное движение вокруг горизонтальной оси 13, перпендикулярной оси тоннеля, приводом 14 качания платформы 12, и регистратор 15 лазерного излучения.
Лазерный ротационный нивелир 11 содержит лазер 16 с собирающей линзой 17, луч 18 которого ориентирован по оси вращения двигателя 19 горизонтальной круговой развертки, призму 20, установленную на оси двигателя 19, отклоняющей луч 18 на 90°, и датчику 21 фазы вращения двигателя 19.
Устройство работает следующим образом.
Первый унифицированный модуль 9 жестко установлен в стартовой шахте 3. При его инициации включается лазер 16, привод 14 качания платформы 12, двигатель 19 горизонтальной круговой развертки луча 18 и включается электроника системы (на чертеже условно не показана). Лазерный луч начинает сканировать окружающее модуль 9 пространство. Горизонтальную составляющую развертки обеспечивает двигатель 19. Регистрацию углового положения луча 18 обеспечивает датчик 21 фазы вращения луча 18. Точность регистрации обеспечивается минимальной детонацией привода и точностью датчика 21. Вертикальную составляющую развертки обеспечивает привод 14 качания платформы 12, а его угловое положение относительно горизонта измеряет инклинометр 11. В результате сложения движений лазерный луч 18 перемещается по спиральной траектории, угловой шаг которой определяется отношением скоростей привода 14 качания и частотой вращения двигателя 19 и не должен превышать линейных размеров регистратора 15 лазерного луча на максимальном расстоянии между модулями. Для повышения скорости измерения координат в качестве регистратора 15 лазерного излучения используется линейная вертикально установленная фотодиодная матрица. Такая конструкция позволяет увеличить шаг вертикальной развертки сканирования, что повышает скорость сканирования пространства, в котором находятся соседние модули 9. Для последующего расчета координат положения модулей принимаются координаты засвеченных фотодиодов. Поскольку рассматриваемый модуль установлен с известной ориентацией относительно начального участка проектной оси тоннеля 7, генерируемый им сканирующий лазерный луч 18 выполняет функции опорного луча 2. По его известному геометрическому положению в каждый цикл измерения производится ориентация остальных модулей.
Второй унифицированный модуль 9 установлен на проходческом комплексе 5. В процессе сканирования лазерный луч 2 попадает на регистратор 15 лазерного луча второго модуля 9. В момент попадания лазерного луча на регистратор 15 формируется сигнал, по которому считываются показания с инклинометров 10 первого и второго модулей 9, соответствующие углам уклона и крена обеих модулей и с датчика 21 фазы вращения угловое положение лазерного луча 18 первого модуля.
По полученным данным, с учетом показаний измерителя 8 длины проходки, соответствующее расстоянию между первым и вторым модулями 6, рассчитываются координаты второго модуля 9 относительно первого. Точность измерения по вертикали зависит от класса точности инклинометров 10.
Угловое положение второго модуля 9 и соответственно угловое положение проходческой машины определяется симметрично вышеописанным действиям, а именно путем сканирования лазерным лучом 18 второго модуля 9 пространства, в котором расположен первый модуль 9. В момент засветки регистратора 15 первого модуля снимаются показания с инклинометров 10 первого и второго модулей 9, углового положения лазерного луча 18 второго модуля и измерителя расстояния между модулями. По этим показаниям рассчитывается угловая ориентация второго модуля 9 и соответственно, поскольку второй модуль 9 жестко установлен на проходческом комплексе 5 и выполняет функцию мишени, определяется угловая ориентация проходческого комплекса 5.
В процессе проходки расстояние между первым и вторым модулями 9 увеличивается и вследствие кривизны проектной оси сооружаемого тоннеля, они оказываются вне зоны прямой видимости друг от друга.
В этот момент или раньше с учетом максимальной проектной кривизны на всем протяжении тоннеля в тоннеле на известном расстоянии производится установка третьего и, по мере необходимости, последующих унифицированных модулей 9. Информация со всех модулей 9 и измерителя 8 длины проходки по каналам связи поступает на управляющий компьютер. В нем производится расчет в общей системе координат точек реального положения всех установленных модулей 9 и соответственно реальной траектории строящегося тоннеля, а также координаты проходческого комплекса 5 и его угловое положение относительно проектной оси тоннеля, что позволяет вести проходческий комплекс 5 по заданной траектории с требуемой точностью. При этом широкий телесный угол захвата упрощает установку модулей как в стартовой шахте на проходческом комплексе, так и в тоннеле.