《全断面隧道掘进机 导向系统》

1JB/T14981—202X全断面隧道掘进机导向系统本文件规定了全断面隧道掘进机导向系统的型式、基本参数和技术要求，描述了相应的试验方法，规定了检验规则、随行文件、包装、运输和贮存。本文件适用于全断面隧道掘进机导向系统的制造。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T191包装储运图示标志GB/T4208—2017外壳防护等级（IP代码）GB/T6388运输包装收发货标志GB7247.1激光产品的安全第1部分：设备分类、要求GB/T13384机电产品包装通用技术条件GB/T18268.1测量、控制和实验室用的电设备电磁兼容性要求第1部分：通用要求GB/T24343—2009工业机械电气设备绝缘电阻试验规范GB/T26802.1工业控制计算机系统通用规范第1部分：通用要求GB/T27663全站仪GB/T32296—2015航天飞行器常用坐标系GB/T34354—2017全断面隧道掘进机术语和商业规格GB50446—2017盾构法隧道施工与验收规范DL/T1739—2017静力水准装置3术语和定义GB/T32296—2015、GB/T34354—2017、GB50446—2017界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1全断面隧道掘进机fullfacetunnelboringmachine通过开挖并推进式前进实现隧道全断面成型，且带有周边壳体的专用机械设备。[来源：GB/T34354—2017，2.1，有修改]3.2导向系统guidancesystem实时动态测量和显示掘进机掘进位置和姿态的系统。[来源：GB/T34354—2017，2.75，有修改]3.3全站仪导向系统totalstationguidancesystem以具有测角、测距功能的经纬仪为主要测量元件，通过测量激光靶或棱镜计算掘进机位置和姿态的导向系统。3.4激光指向导向系统laserpointingguidancesystem2JB/T14981—202X以激光经纬仪、激光指向仪或激光器为主要测量元件，通过图像测量和显示掘进机位置和姿态的导3.5惯性测量导向系统inertialguidancesystem以陀螺仪、加速度计为主要测量元件，通过测量角速度、加速度计算掘进机位置和姿态的导向系统。3.6设计轴线designedtunnelaxis隧道设计中心线。3.7姿态positionandstance掘进机主机的空间状态。[来源：GB50446—2017，2.0.17，有修改]3.8水平偏差horizontaldeviation掘进机轴线上选定的测量点在隧道水平断面形成的投影点与隧道设计轴线在隧道水平断面投影线之间的垂直线段的长度。3.9竖向偏差verticaldeviation掘进机轴线上选定的测量点在隧道纵断面形成的投影点与隧道设计轴线在隧道纵断面投影线之间的铅垂线段的长度。注：正值表示在隧道设计轴线上方，负值表示在隧道设计轴线下方，掘进机竖向偏差示意图见图1。图1掘进机水平与竖向偏差示意图3.10俯仰角pitchangle掘进机轴线与水平面的夹角。3.11方位角azimuthangle从掘进机轴线上特定点的指北方向线起，顺时针方向至掘进机轴线的水平夹角。注：掘进机方位角示意图见图2。[来源：GB/T32296—2015，3.16，有修改]3.123JB/T14981—202X滚转角rollangle掘进机水平轴面相对于水平面的旋转角度。注：正值表示掘进机前进方向顺时针转动，负值表示掘进机前进方向逆时针转动，掘进机滚转角示意图见图2。图2掘进机俯仰角、方位角与滚转角示意图3.13特征点featurepoint设置在掘进机上，用于建立掘进机三维坐标与掘进机结构几何尺寸相互换算关系的测量标志点。4型式和基本参数4.1型式全断面隧道掘进机导向系统（以下简称导向系统）按测量方式分为：a)全站仪导向系统，适用于盾构机、岩石隧道掘进机，见图3；b)激光指向导向系统，适用于直线隧道用顶管机，见图4；c)惯性测量导向系统，适用于顶管机，见图5。图3全站仪导向系统结构示意图4JB/T14981—202X标引序号说明：图4激光指向导向系统结构示意图图5惯性测量导向系统结构示意图4.2型号导向系统型号由产品代号、类别代号和主参数组成，全站仪导向系统、激光指向导向系统、惯性测量导向系统的主参数分别为全站仪精度、激光指示器有效射程、惯性测量单元零偏稳定性，标记方法如下：□—□□主参数：全站仪导向系统全站仪精度，单位为角秒（″激光指向导向系统激光指示器有效射程，单位为米（m）；类别代号：S—全站仪导向系统；M—激光指向导向系统；D—惯性测量导向系统产品代号：由制造商自行规定，用大写英文字母表示示例2：激光指示器有效射程为800m的激光指向导向系统，标记为：□-M800。4.3基本参数4.3.1全站仪导向系统全站仪导向系统基本参数如下:5JB/T14981—202X——全站仪精度，单位为角秒（″——最大测量距离，单位为米（m——最短测量周期，单位为秒（s——特征点数量，单位为个。4.3.2激光指向导向系统激光指向导向系统基本参数如下:——激光指示器有效射程，单位为米（m——测量周期，单位为秒（s）。4.3.3惯性测量导向系统惯性测量导向系统基本参数如下:——惯性测量单元零偏稳定性，单位为度每小时（°/h）；——寻北精度，单位为度（°）；——对准时间，单位为分（min）。5技术要求5.1一般要求5.1.1系统表面应洁净，无裂纹、碰伤、划痕、毛刺，金属件无锈蚀，涂镀层完好无剥落。5.1.2系统所有标志、标识及印记应清晰、正确，并位于明显处，无短缺字符现象。5.1.3在测量部件上应设置防撞、反光等防护标识。5.1.4系统的特征点设置的数量不应少于3个，特征点应分布均匀，不应在同一断面上布设。5.1.5系统在环境温度5℃～50℃，相对湿度小于90%的环境条件下应能正常使用。5.2功能要求5.2.1全站仪导向系统、惯性测量导向系统应具有以下功能：a)设计轴线录入功能；b)姿态和空间位置检测功能；c)报警功能：当实际掘进坐标偏离设计轴线超过设定阈值时，导向系统及时报警；d)界面显示功能：包括掘进机空间位置和姿态的实时数据，显示信息包括但不限于表1规定的项目；e)控制点的自动或人工检核功能；f)数据接口功能：系统软件能够向其他系统提供数据，数据内容包括但不限于坐标、偏差、环号、里程、滚转角和俯仰角等；g)与掘进机控制系统通信的功能；h)数据查询、导出和报表功能。注：数据接口功能见附录A。表1界面显示信息11213°4°6JB/T14981—202X表1界面显示信息（续）5°6m7m8m9mm5.2.2激光指向导向系统应具有以下功能：a)当前水平偏差、竖向偏差自动显示功能；b)数据查询、导出功能。5.3精度要求5.3.1全站仪导向系统5.3.1.1重复性精度不应大于3mm。5.3.1.2准确性精度不应大于5mm。5.3.2激光指向导向系统精度不应大于有效射程的0.1‰。5.3.3惯性测量导向系统5.3.3.1坐标精度不应大于总里程数的2%。5.3.3.2高程精度不应大于总高差的2%。5.4部件要求5.4.1工控机应符合GB/T26802.1的要求，且硬盘容量不应低于512G。5.4.2全站仪5.4.2.1应符合GB/T27663中Ⅱ等以上的等级要求。5.4.2.2在视距满足要求的隧道内有效测量距离不应小于200m。5.4.2.3应具有自动跟踪功能，满足遥控测量的要求。5.4.3激光靶5.4.3.1应能正常采集数据，并具有计算和通讯功能。5.4.3.2角度测量精度不应大于0.05°。5.4.3.3测量时激光水平入射角量程不应小于±8°,激光垂直入射角量程不应小于±6°,滚转角量程不应小于±15°。5.4.3.4与工控机测量命令响应时间不应超过2s。5.4.4倾角传感器5.4.4.1角度测量精度不应大于0.05°。5.4.4.2测量量程不应小于±15°。7JB/T14981—202X5.4.5无线电台在隧道环境中无其他信号干扰情况下的通讯距离不应小于200m。5.4.6激光指示器5.4.6.1有效射程应满足工程要求。5.4.6.2光斑直径不应大于有效射程的0.1‰。5.4.7惯性测量单元5.4.7.1惯性测量单元对准方位角精度不应大于0.05°,滚转角和俯仰角精度不应大于0.05°,其自对准时间宜为5min～15min。5.4.7.210h导航方位角精度不应大于0.1°,滚转角和俯仰角精度不应大于0.1°。5.4.8静力水准装置量程应满足工程项目的高程需求。5.5电气性能要求5.5.1系统用电气元件在额定电压±10%范围内应能正常工作。5.5.2系统外接电池容量持续供电时长不应低于24h。5.6安全性要求5.6.1导向系统各部件及连线的绝缘性能应符合GB/T24343—2009中6.3的规定。5.6.2具有激光装置的仪器应按照GB7247.1中的规定设置安全警告标志。5.6.3导向系统应能在掘进机的电磁干扰环境下正常运行。5.6.4导向系统中电控箱外壳防护等级不应低于GB/T4208—2017规定的IP55。6试验方法6.1试验条件6.1.1试验场地应满足系统正常使用的要求。6.1.2试验环境温度5℃~35℃,相对湿度40%～70%。6.1.3试验用仪器仪表在试验前应进行检定或校准，仪器仪表包括：全站仪、钢直尺、激光测距仪、工控机、计时器。6.2外观使用目测的方法检查外观。6.3功能6.3.1全站仪导向系统、惯性测量导向系统功能检测方法如下：a)将导向系统按照使用状态进行部署；b)输入数据与设计数据运行的偏差值，模拟输入错误的设计轴线数据，使测量数据与设计轴线的偏差大于运行误差，观察导向系统是否发出警告；c)检查开始测量时，导向系统软件界面是否实时数据变化，并查看数据内容；d)检测系统工作状态，是否具有自检功能；e)在导向系统工控机的软件界面上查看与掘进机的通讯状态；f)在导向系统工控机上进行数据查询、导出和生成报表的操作。6.3.2激光指向导向系统功能检测方法如下：a)将导向系统按照使用状态进行部署；b)上下左右移动刻度板，检查导向系统是否实时数据变化；8JB/T14981—202Xc)在导向系统工控机上进行数据查询、导出的操作。6.4精度6.4.1全站仪导向系统精度6.4.1.1重复性全站仪导向系统的重复性试验方法如下：a)选择直线路段；b)将各设备包括全站仪、激光靶、棱镜、工控机、无线电台安置在合适的位置，全站仪处在激光靶（前视棱镜）和后视棱镜之间；c)按照操作说明书连接整套系统，并通电；d)试验时，在工控机上开始测量，获得测量目标（激光靶/棱镜）的坐标，数据库记录坐标次数n不小于30次；e)将数据库数据导出，根据公式（1）～公式（3）计算标准差。式中：SX，SY，SZ连续n次测量同一目标的标准差，单位为毫米（mmXi，Yi，Zi第i次读数值，单位为米（m）；x，y，z——n次读数的平均值，单位为米（m）。6.4.1.2准确性全站仪导向系统的准确性试验方法如下：a)在一个可移动的试验平台上安装激光靶/棱镜、目标棱镜（模拟掘进机中心坐标）；b)按照操作说明书连接整套系统，并通电；c)导向系统全站仪测量初始零位数据，输入导向系统软件的测站信息中，此后后视棱镜、导向系统全站仪不移动；d)将检验全站仪架设在系统附近，作为掘进机中心坐标真实值的测量工具；e)试验平台向前移动，获得掘进机中心坐标，此时检验全站仪测得目标棱镜坐标；f)试验平台回到原点，向后、向左、向右分别移动，重复步骤e）；g)按照式公式（4）～公式（6）计算标准差σX、σY和σZ：9JB/T14981—202X式中：σX，σY，σZ——连续i次测量计算的系统所得与直接测量同一目标的标准差，单位为毫米（mmXi，Yi，Zi第i次测量系统读取的掘进机中心坐标值，单位为米（m）；xi，yi，zi第i次测量全站仪直接测得的目标棱镜坐标，单位为米（m）。6.4.2激光指向导向系统精度激光指向导向系统精度试验方法如下：a)在试验平台上安置刻度板，激光指向装置发射激光束的中心与刻度板中心在一条直线；b)将激光指向导向系统按照使用状态进行部署；c)前后左右移动试验平台，记录水平偏差、竖向偏差的值。与钢直尺测量的光斑位移偏差对比。6.4.3惯性测量导向系统精度6.4.3.1坐标精度惯性测量导向系统坐标精度试验方法如下：a)在可移动的试验平台上模拟掘进机中心坐标安装惯性测量导向系统、目标棱镜；b)按照操作说明书连接整套系统，并通电；c)输入惯性测量导向系统初始零位数据；d)将检验全站仪架设在系统附近，作为掘进机中心坐标真实值的测量工具；e)试验平台向前移动，获得掘进机中心坐标，此时检验全站仪测得目标棱镜坐标，同时测量起始点与终点的距离Di；按此步骤重复测量5次；f)按照水平定位圆概率误差ΔP对坐标精度进行评价，满足坐标精度指标小于2%D即为合格：1)按照式（7）计算测试路径里程的均值D：式中：D——测试路径里程的均值，单位为米（m）；Di第i次测量起始点与终点的距离，单位为米（m）。2)按照式（8）、式（9）计算σX和σY：式中：σX，σY连续i次系统解算所得与直接测量同一目标的标准差，单位为米（m）；JB/T14981—202XXi，Yi第i次系统解算的掘进机中心坐标值，单位为米（m）；xiyi第i次检验全站仪直接测得的目标棱镜坐标，单位为米（m）。,3)按照式（10）计算水平定位圆概率误差ΔP：ΔP=0.5887(σX+σY)·············································(10)式中：ΔP水平定位圆概率误差，单位为米（m）。6.4.3.2高程精度惯性测量导向系统高程精度试验方法如下：a)将水管与水箱连通，将水箱安装在约10m高处，将压力传感器1安装在水箱下方作为基点A，压力传感器2固定安装在低于基点A的位置作为基点B，压力传感器3安装在水管末端作为测点C，水管中充满水，排完水管中气泡后密封，测量布置示意图见图6；图6测量布置示意图b)固定两个基点，通过全站仪测量出两基点高程；c)移动测点，记录两基点与测点处的压力值，同时用全站仪测量测点的高程；按此步骤重复测量5次，按式（11）计算：式中：HCi第i次测试测点C的高程，单位为米（m）；HA，HB基点A和基点B的高程，单位为米（m）；PAiPBiPCi第i次测试基点A、基点B和测点C的压力值，单位为千帕（kPa）；d)按照式（12）计算高程精度σH，满足高程精度σH小于总高差的2%即为合格：JB/T14981—202X式中：σH高程精度，单位为米（m）；HCi第i次测试测点C的高程，单位为米（m）；hCi第i次测试全站仪测得的测点C的高程，单位为米（m）。6.5部件6.5.1检查工控机出厂检测报告。6.5.2检查全站仪检定证书。6.5.3检查激光靶出厂检测报告。6.5.4检查倾角传感器出厂检测报告。6.5.5无线电台通讯距离试验方法如下：a)将无线电台一个与全站仪连接并通电，另一个与工控机连接；b)将两个无线电台置于掘进机拖车同侧，由工控机发送指令，查看全站仪是否能执行；c)随距离增加，直至在直线距离200m处仍能执行指令。6.5.6激光指示器的光斑直径试验方法如下：a)激光指示器与刻度板之间的距离在有效射程内，在同高程处分别进行固定；b)激光指示器通电，发射激光，刻度板上呈现光斑，用激光测距仪测量激光指示器与刻度板之间的距离，钢直尺量光斑直径。6.5.7检查惯性测量单元出厂检测报告。6.5.8静力水准装置按DL/T1739—2017第6章的方法进行试验。6.6电气性能6.6.1供电稳定性调节供电电源，分别将电压值调整到额定值的90%和110%，检查系统工作状态。6.6.2电池容量导向系统持续运行，记录电量耗尽所需时间。6.7安全性6.7.1绝缘性能按GB/T24343给出的方法进行试验。6.7.2激光安全检查激光仪器的安全标记。6.7.3电磁兼容性能按GB/T18268.1给出的方法进行试验。6.7.4防护等级按GB/T4208—2017中第1