CC BY
137
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2019. № 2
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
УДК 681.2 DOI: 10.17213/0321-2653-2019-2-26-36
АНАЛИЗ СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
© 2019 г. А.В. Батюков1, А.А. Гуммель1, В.С. Пузин1, А.В. Живодерников1, М.А. Земляной2
1Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия,
ООО ПСК «Гидрострой» г. Новороссийск, Россия
ANALYSIS OF POSITIONING SYSTEMS OF MICROTUNNELING COMPLEXES
A.V. Batyukov1, A.A. Gummel1, V.S. Puzin1, A.V. Zhivodernikov1, M.A. Zemlyanoy2
1Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, 2LLS DCC «Gidrostroy», Novorossiysk, Russia
Батюков Александр Владимирович - инженер, НИИ Электромеханики, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: Alexbatyukov@gmail.com
Гуммель Андрей Артурович - канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, НИИ Электромеханики, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: gummel@rambler.ru
Пузин Владимир Сергеевич - канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, НИИ Электромеханики, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: vspuzin@gmail.com
Живодерников Андрей Вячеславович — лаборант-исследователь, НИИ Электромеханики, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Земляной Михаил Александрович - канд. техн. наук, директор, ООО ПСК «Гидрострой», г. Новороссийск, Россия. E-mail: p218_gidrostroy@mail.ru
Batyukov Alexander Vladimirovich — Engineer, Engineer of the Research Institute of Electromechanics, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: Alexbatyukov@gmail.com
Gummel Andrey Arturovich - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Engineer of the Research Institute of Electro-mechanics, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: gummel@rambler.ru
Puzin Vladimir Sergeevich - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Engineer of the Research Institute of Elec-tromechanics, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: vspuzin@gmail.com
Zhivodernikov Andrey Vyacheslavovich - junior researcher, Engineer of the Research Institute of Electromechanics, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Zemlyanoy Mikhail Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, Director, LLS DCC «Gidrostroy», Novorossiysk, Russia. E-mail: p218_gidrostroy@mail.ru
Рассмотрены устройства и методы для определения местоположения проходческих щитов при микротоннелировании. Существующие устройства для определения координат проходческих щитов микротоннелепроходческих комплексов можно разделить на несколько групп, по принципу определения координат: лазерные, тахеометрические и инерциальные системы позиционирования. Принцип действия лазерных систем позиционирования заключается в регистрации лазерного луча специальными приемными мишенями. Похожим образом работают и тахеометрические системы, в которых используются высокоточные тахеометры и отражающие призмы. Инерциальные системы позиционирования определяют координаты с помощью обработки информации, получаемой с акселерометров, гироскопов и инклинометров. Описываются конструкции систем позиционирования и методы определения координат с их помощью. Приведено сравнение существующих систем, а также их достоинства и недостатки. Сделаны выводы о возможностях применения существующих систем в строительстве тоннелей методом продавливания.
Ключевые слова: проходческий щит; микротоннелирование; система позиционирования; тоннельная навигация.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. № 2
The devices and methods for determining the location of tunneling shields during microtunneling are considered. The existing devices for determining the coordinates of tunneling shields of microtunneling complexes can be divided into several groups, according to the principle of determining the coordinates: laser, tacheomet-ric and inertial positioning systems. The principle of operation of laser positioning systems is to register a laser beam with special receiving targets. Tacheometric systems that use high-precision total stations and reflective prisms work in the same way. Inertial positioning systems determine coordinates using information processing from accelerometers, gyroscopes, and inclinometers. Describes the design of positioning systems and methods for determining the coordinates with their help. A comparison of existing systems, as well as their advantages and disadvantages. Conclusions about the possibilities of using existing systems in the construction of tunnels by pushing are made.
Keywords: tunneling shield; microtunneling; positioning system; tunnel navigation.
Введение
Рост объемов строительства, повышение требований к безопасности ведения строительных работ при устройстве тоннелей и прокладке подземных инженерных коммуникаций в условиях плотной городской застройки приводят к необходимости использовать технические устройства, обеспечивающие проведение подземных горных выработок с минимальным воздействием на окружающую среду и дневную поверхность. В значительной степени этим требованиям отвечают технические устройства, реализующие способы бестраншейной проходки, которые являются альтернативой традиционной открытой технологии строительства подземных коммуникаций и позволяют преодолевать искусственные и естественные преграды (автодороги, железные дороги, насыпи, дамбы, реки, наземные и подземные искусственные сооружения и инженерные коммуникации и т.п.), встречающиеся на пути возведения тоннелей, коллекторов без нарушения режима их функционирования.
Одним из способов бестраншейной проходки является технология строительства тоннеля, коллектора с использованием микротоннеле-проходческих щитовых комплексов. Она получила широкое распространение благодаря таким преимуществам, как возможность безаварийного сооружения тоннелей в сложных горнотехнических условиях, безопасность ведения работ, высокие скорости проходки, высокий уровень механизации и низкая трудоемкость работ [1].
Проходческий щит микротоннелепроход-ческого комплекса (МТПК) представляет собой сложную мехатронную систему (рис. 1), в которой его перемещение и продавливание трубной конструкции обделки производится с помощью силовых гидравлических установок.
В настоящее время для возведения тоннелей и коллекторов способом микротоннелирова-ния используются проходческие щиты диаметром от 0,36 до 1,4 м [2].
Рис. 1. Проходческий щит МТПК / Fig. 1. Microtunneling shield
В некоторых случаях, в результате малых диаметров проходческих щитов и стесненности рабочего пространства, нахождение машиниста и обслуживающего персонала в проходческом щите затруднено. Существует необходимость управлять возведением тоннеля, коллектора дистанционно (безлюдная проходка подземной горной выработки), в результате чего необходимо применение высокоточных дистанционных систем контроля и управления в составе МТПК.
К дистанционным системам контроля и управления, входящим в состав МТПК, относятся системы позиционирования.
В настоящей статье проводится анализ существующих систем позиционирования проходческого щита микротоннелепроходческого комплекса. Известно несколько типов систем позиционирования щита МТПК, которые различны по способу определения местоположения проходческого щита: спутниковые навигационные системы, системы навигации на основе лазеров (в том числе оптические), тахеометров и инер-циальные навигационные системы.
Спутниковые навигационные системы позиционирования
Способ, основанный на применении GNSS систем позиционирования для контроля местоположения в подземном пространстве проходческого щита, заключается в использовании низкочастотных ретрансляторов, располагаемых на поверхности земли по трассе возведения тоннеля, коллектора. Определение координат объекта
ISSN0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
производится методом радиопеленгации источника электромагнитного излучения (эммитера), закрепленного на проходческом щите.
К таким системам относится система подземного позиционирования UGPS (Under Ground Positioning System) производства Швейцарии [3]. Она состоит из четырех приемников, расположенных на поверхности, переносного передатчика-эмиттера в корпусе проходческого щита, блока управления, компьютера со специализирован-
Приемники устанавливаются на дневной поверхности по трассе возведения тоннеля, коллектора в фиксированных точках с известными геодезическими координатами. С помощью радиосвязи обеспечивается взаимодействие между приемниками, передатчиком-эммитером и компьютером, визуализирующим сигнал из-под земли на экране.
Передатчик-эммитер, находящийся в тоннеле, излучает сигнал, улавливаемый приемниками, после чего компьютер определяет его точное местоположение в пространстве. Такой метод позволяет отслеживать движущийся под землей проходческий щит на площади 300x300 м без переустановки приемников. Глубина измерения данной системой - до 200 м. Точность измерения - до 10 см на каждые 100 м глубины.
Во всем мире насчитывается более 70 компаний, производящих GNSS (Global Navigation Satellite System) - оборудование геодезического класса. На сегодняшний день в России наиболее широко представлены следующие фирмы-производители аппаратуры геодезического класса: Javad, Leica Geosystems, NavCom Technology Inc., NovAtel, Septentrio, Topcon-Sokkia, Trimble Navigation.
Недостатки спутниковой навигационной системы позиционирования: передатчик-иммитер достаточно громоздок - имеет размеры 25 x45 см и вес 8 кг, что усложняет его размещение на корпусе проходческого щита, который имеет несколько секций.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
Лазерные и оптические системы позиционирования
Способ определения координат с помощью лазерных систем позиционирования заключается в следующем.
Источник лазерного излучения формирует лазерный луч, направленный вдоль проектной оси тоннеля на приемную мишень, расположенную в хвостовой части проходческого щита. Приемная мишень представляет собой матрицу из фоточувствительных элементов. Попадание лазерного луча на фотоэлемент регистрируется микроконтроллером, вследствие чего осуществляется вычисление отклонения координат щита относительно проектного положения.
Известно устройство фирмы VMT GmbH GB «SLS Microtunnelling L» [4] (предназначено для проходки прямых тоннелей небольшой длины), которое определяет вертикальное и горизонтальное положение (наклон и крен) машины, используя лазерный луч, направленный на мишень (рис. 3).
ю
Рис. 3. Устройство системы SLS-Microtunnelling L / Fig. 3. SLS-Microtunnelling L system
Фирмой Herrenknecht (Германия) разработана система навигации «ELS» (Electronic Laser System) (рис. 4) [5].
2 - курвиметр; 3 - лазерная мишень / Fig. 4. «ELS» system: 1 - laser; 2 - odometer; 3 - laser target
Лазер, неподвижно установленный в стартовой шахте, нацелен на электронную мишень «ELS Target», смонтированную внутри щита. Для обработки сигналов электронной мишени и визуализации данных о положении щита используется промышленный компьютер.
Откалиброванное оборудование генерирует лазерный луч, в направлении оси возводимого тоннеля. Точка попадания лазерного луча на поверхность мишени определяется при помощи
ным программным обеспечением (рис. 2).
Рис. 2. Общий вид системы UGPS / Fig. 2. General view of the UGPS system
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2019. № 2
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
электроники и передается по каналам передачи данных на компьютер в пульте управления. Там данные этих измерений представляются на мониторе в графическом и цифровом форматах.
Для измерения расстояния до мишени проходческого щита используется курвиметр, закрепленный в стартовом котловане, данные о количестве оборотов и угловом положении которого передаются в промышленный компьютер лазерной системы позиционирования.
В состав системы позиционирования входят следующие компоненты: курвиметр с датчиком угловых перемещений, лазер, лазерная мишень, компьютер с монитором, принтер, кабель для передачи данных.
Для увеличения дальности проходки прямолинейных участков длиной до 400 метров применяется система ЕЬБ-ИШЬ - электронная лазерная система с гидростатическим водяным уровнем (рис. 5). Применение гидростатического водяного уровня позволяет снизить влияние рефракции лазерного луча вследствие перепада температур по длине тоннеля и тем самым достичь приемлемой точности на большем расстоянии проходки.
Система оптической навигации РЕКБОЯСЛМ-10" ОБО ОЕЫ [6] предназначена для управления пилотным бурением и включает следующие части (рис. 6): диодную мишень РЕЕГОЯЬиХ; камеру; монитор; соединительные кабели.
Камера располагается в задней части стартового котлована и передает изображение диодной мишени по оптическому каналу на монитор. Таким образом, у оператора имеется возможность сразу исправлять возможное отклонение пилотной буровой головки от заданной траектории. Поскольку камера соединена с оптической системой, то с увеличением расстояния изображение на мониторе становится меньше. Однако монитор дополнительно оснащен электронным масштабированием, что позволяет достигать при пилотном бурении длины в 150 м. Точность навигационной системы составляет ±15 мм на 100 м.
Известное устройство [7] предназначено для автоматического контроля положения проходческих комплексов, применяемых при строительстве тоннелей и коллекторов. Изобретение включает задатчик направления проходки и визирную цель - видеодатчик. Задатчик направления проходки выполнен в виде теодолита, а визирная цель представляет собой линейку фоточувствительных элементов, размещенных в хвостовой части щита проходческого комплекса в плоскости, перпендикулярной его продольной оси и симметрично относительно этой оси. В исходном положении оптическая ось видеодатчика проходческого комплекса колинеарна с осью визирной цели. Проектное направление проходки задают с помощью теодолита.
При продвижении головной части щита методом продавливания крепи вероятны боковые, вертикальные, скручивающие или комбинированные отклонения ее от заданной трассы. В результате этих отклонений происходит смещение визирной цели от исходного положения. Величина и характер этих отклонений фиксируются матрицей видеодатчика, сигналы с которого поступают в автоматизированную систему для последующей обработки и выдачи на монитор оператору полученных данных, после чего оператор осуществляет действия по дальнейшей работе проходческого комплекса. Описанное устройство автоматического контроля положения проходческого комплекса может быть применено при строительстве прямолинейных тоннелей и коллекторов.
Недостатки указанных лазерных и оптических систем позиционирования: отсутствие возможности высокоточного определения геодезических координат проходческого щита при возведении тоннеля по криволинейной траектории.
Еще одним устройством, представляющим интерес, является разработка ООО «Альянс-К»
Рис. 6. Основные части системы FERF0RCAMA0" / Fig. 6. Main parts of the PERFORCAM-Ю" system
Рис. 5. Устройство системы «ELS-HWL» с электронным уровнем: 1 - лазерная станция; 2 - контрольный модуль; 3 - курвиметр; 4 - лазерная мишень; 5 - датчик высоты / Fig. 5. «ELS-HWL» system with electronic level: 1 - laser station; 2 - control module; 3 - odometer; 4 - laser target; 5 - height sensor
1
ISSN0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
(Российская Федерация) [8]. Данное изобретение предназначено для определения ориентации проходческого комплекса при строительстве криволинейных тоннелей (рис. 7).
Устройство содержит источник опорного лазерного излучения, установленный в стартовой шахте (рис. 7, а), лазерную мишень, установленную на проходческом щите, промежуточные лазерные модули, установленные на расстоянии друг от друга в пределах обеспечения прямой видимости в возведенной части тоннеля, измери-
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
между блоками системы управления устройства и компьютером с монитором. Источник опорного лазерного излучения, лазерная мишень и промежуточные лазерные модули выполнены в виде унифицированных модулей (рис. 7, б), каждый из которых содержит размещенные на общей платформе двухкоординатный инклинометр, лазерный ротационный нивелир (рис. 7, в) и регистратор лазерного излучения. Платформа выполнена с возможностью колебательного движения вокруг горизонтальной оси, перпендикуляр-
тель длины проходки и каналы передачи данных ной оси тоннеля.
5
5
4
\ V
2
у
15 \ ' ' 13
19
20 18
21 16
Я г
18 11
б
Рис. 7. Устройство для определения ориентации проходческого комплекса: 1 - лазер; 2 - лазерный луч; 3 - стартовая шахта; 4 - лазерная мишень; 5 - проходческий комплекс; 6 - промежуточный лазерный модуль; 7 - возведенная часть тоннеля; 8 - курвиметр; 9 - унифицированный модуль; 10 - двухкоординатный инклинометр; 11 - лазерный ротационный нивелир; 12 - платформа; 13 - горизонтальная ось; 14 - привод качания; 15 - регистратор лазерного излучения; 16 - лазер; 17 - линза; 18 - лазерный луч; 19 - двигатель; 20 - призма; 21 - датчик фазы вращения двигателя / Fig. 7. A device for determining the orientation of the tunnel complex: 1 - laser; 2 - laser beam; 3 - starting shaft; 4 - laser target; 5 - tunnel complex; 6 - intermediate laser module; 7 - erected part of the tunnel; 8 - odometer; 9 - unified module; 10 - two-dimensional inclinometer; 11 - laser rotational level; 12 - platform; 13 - horizontal axis; 14 - swing drive; 15 - laser radiation recorder; 16 - laser; 17 - lens; 18 - laser beam; 19 - engine; 20 - prism; 21 - motor rotation phase sensor
Рис. 8. Структурная схема системы контроля положения проходческого щита / Fig. 8. Block diagram of the position control system of the tunnel shield
1
а
2
2
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Также известно изобретение [9], в котором описана система контроля положения и управления движением минищита для строительства минитоннелей.
В задачи системы входит контроль положения минищита относительно проектного направления движения, опрос датчиков состояния технологического оборудования, предварительная обработка полученных данных и обмен информацией с ПЭВМ оператора по лазерным каналам передачи информации.
Система состоит из двух модулей (рис. 8), предназначенных для монтажа в стартовом котловане (аппаратура оператора) и в минищите (аппаратура минищита).
В состав аппаратуры оператора входят:
- пульт управления, являющийся основным узлом обработки информации процесса строительства тоннеля;
- микроконтроллер, собирающий информацию с установленных в котловане датчиков, формирующих локальные команды управления аппаратурой оператора и обменивающийся информацией с пультом управления;
- блок управления лазером, лазер и модулятор, передающая антенна и отклоняющая оптика (задают режим полупроводникового лазера, формируют его направленное излучение с требуемым диаметром луча);
- приемная антенна, фотодетектор, усилитель, дифференциатор, фильтр и пороговое устройство, позволяющие осуществить фокусировку лазерного излучения, поступающего по обратному каналу связи на фотодетектор, провести его детектирование, усиление, фильтрацию и восстановление первоначальной формы сигнала для последующей его передачи через интерфейс, выполняющий согласование уровней логических сигналов в вычислительное устройство.
В состав аппаратуры минищита входят:
- две фотоматрицы, содержащие набор фотодетекторов, с помощью которых осуществляется регистрация лазерного излучения прямого канала;
- блоки сопряжения 1 и 2, предназначенные для коммутации ячеек фотоматриц на усилитель, дифференциатор, фильтр и пороговое устройство для усиления регистрируемого фотодетекторами сигнала и восстановления его формы;
- микроконтроллер, предназначенный для управления работой входящих в состав аппаратуры минищита блоков в соответствии с требуемым алгоритмом; выполняет сканирование фотоматриц для определения координат засвечен-
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
ных лазерным излучением прямого канала фотодетекторов, рассчитывает координаты центра луча в локальной системе координат, обменивается информацией с локальной системой управления работой оборудования минищита, принимает, декодирует и исполняет команды управления, передаваемые с пульта оператора посредством лазерного излучения прямого канала, осуществляет передачу посредством блока управления лазером, лазера, модулятора и передающей антенны служебной информации на пульт управления.
Недостатки устройства определения ориентации проходческого комплекса при строительстве криволинейных тоннелей: отсутствует возможность применения указанного устройства на проходческом щите, состоящем из нескольких модулей. Нет возможности применения указанного устройства для обоснования расчетной траектории выведения модульного щита МТПК на заданную ось, отсутствует определение геодезических координат нож-хвост модульного проходческого щита, а также его крена и деферента.
Тахеометрические навигационные системы позиционирования
В тахеометрических (призменных) навигационных системах позиционирования для определения положения проходческого щита используется тахеометр, который измеряет координаты нескольких призм, жестко закрепленных на щите. Крен и продольный уклон могут как вычисляться по координатам призм, так и измеряться электронным инклинометром [10].
Координаты призм вычисляются геодезическими методами вычисления координат: тригонометрическим нивелированием и полигонометрией.
К подземным навигационным системам позиционирования на основе тахеометров относятся модели «SN-Pi», «SN-PA», «SN-PAi» российской компании «Навигатор», система «ACS II» фирмы TACS GmbH (Германия), система SLS Microtunnelling LT фирмы VMT (Германия).
В состав систем «SN-PА» входят тахеометр фирмы Leica TCA 1203, промышленный компьютер, проводная связь между тахеометром и компьютером, три призмы в корпусе (рис. 9, 10).
В системе «SN-Pi» позиция проходческого щита определяется после введения координат двух призм, закрепленных в задней части щита. Крен и продольный уклон автоматически измеряются с помощью электронного инклинометра.
В системе «SN-PA» во время проходки производятся непрерывные автоматические замеры с
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
помощью тахеометра. Актуальные координаты (в том числе продольный уклон и крен) щита определяются после определения координат трех призм, закрепленных в его хвостовой части.
Рис. 9. Устройство навигационной системы SN-PA / Fig. 9. SN-PA navigation system
-4 I I I It'll
-1» о +1ДО
Рис. 10. Определение положения проходческого щита с
помощью навигационной системы SN-PA / Fig. 10. Determining the position of the tunnel shield using the SN-PA navigation system
Рис. 11. Устройство системы «SLS Microtunnelling LT» / Fig. 11. SLS Microtunnelling LT system
Система «SN-PAi» определяет координаты проходческого щита тахеометром в автоматическом режиме по двум мотопризмам, закрепленным на щите. Крен и продольный уклон автоматически измеряются электронным инклинометром.
Недостатком вышеприведенных тахеометрических систем позиционирования является отсутствие возможности их применения при строительстве тоннелей малого диаметра (360 - 1400 мм), а также криволинейных тоннелей, коллекторов, высокая трудоемкость работ, необходимость наличия высококвалифицированного персонала. Кроме того, существует необходимость калибровки тахеометра и призм после каждой продвижки тоннельной крепи и проходческого щита МТПК.
Система «SLS-Microtunneling LT» разработана для проходки длинных криволинейных участков трасс. Она состоит из автоматического тахеометра VMC Leica TCA 1203plus, имеющего встроенный лазер, который монтируется внутри тоннеля и движется вместе с трубопроводом, а также сенсорной системы, с помощью которой автоматически настраиваются призмы [11]. Координаты тахеометра непрерывно вычисляются по известным координатам секций тоннельной крепи (рис. 11).
В начальной стадии, когда мишень находится в прямой видимости тахеометра, система монтируется в стартовой шахте тоннеля. Для получения координат в глобальной системе отсчета устанавливается опорная призма с известными координатами (рис. 12).
1
3
Рис. 12. Установка системы в начальной фазе: 1 - опорная призма; 2 - тахеометр; 3 - мишень / Fig. 12. Installation of the system in the initial phase: 1 - support prism; 2 - total station; 3 - target
По мере продвижения проходческого щита мишень покидает зону прямой видимости тахеометра. Для продолжения определения координат, тахеометр устанавливается внутри тоннеля с помощью кронштейна с автоматическим треге-ром (используется для горизонтирования тахеометра) и инклинометром. Любые отклонения, вызванные вращением трубопровода, фиксируются инклинометром, расположенным на тахеометре, и учитываются при вычислении координат (рис. 13).
_J
Рис. 13. Определение координат в криволинейном тоннеле / Fig. 13. Determination of coordinates in a curved tunnel
Перед тахеометром с помощью кронштейнов закрепляются две контрольные призмы. Они предназначены для определения фактического положения продвигающегося тоннеля перед тахеометром, чтобы определить расхождение между измеренным положением секций крепи и теоретическим положением проходческого щита. Задняя обратная призма устанавливается в стартовой шахте в точке с известными координатами.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
При наличии большого расстояния она может не определяться тахеометром и в этом случае устанавливается в тоннеле вместе с вспомогательным инклинометром, который позволяет учесть в расчетах возможное вращение труб (рис. 14). При определенных условиях для обеспечения точного пикетирования проходческого щита в стартовой шахте на трубах устанавливается курвиметр.
Рис. 14. Третий этап проходки криволинейного тоннеля
/ Fig. 14. The third stage of the curvilinear tunnel
Недостатком «SLS-Microtunneling LT» -тахеометрической системы позиционирования является отсутствие возможности их применения при определении высокоточного положения «хвост-нож» модульного проходческого щита, а также «крена-деферента» корпуса модульного проходческого щита. Кроме того, оснащение проходческого щита указанной тахеометрической системой налагает ограничения на использование различного вида транспорта отбитой горной массы в щитах с малым диаметром (от 360 до 2000 мм). Также, необходима калибровка тахеометра и призм после каждой продвижки тоннельной крепи и проходческого щита МТПК.
Инерциальные навигационные системы позиционирования
С помощью инерциальной навигационной системы позиционирования производится определение местоположения движущегося объекта, основанное на использовании законов инерции [12]. В этом способе не требуется внешней ин-
формации, полученной оптическими средствами, радиосредствами или другими способами.
Инерциальные навигационные системы позиционирования предназначены для определения координат местоположения, параметров движения и углов ориентации подвижного объекта. В общем случае они состоят из блока волоконно-оптических или микроэлектромеханических инерциальных датчиков (гироскопов, акселерометров) со встроенным приемником спутниковой навигационной системы и подключаемой антенны. В процессе работы системы приёмник спутниковой навигационной системы осуществляет определение текущих координат местоположения объекта. Блок инерциальных датчиков определяет параметры углового и линейного движения объекта, а встроенный в него высокоскоростной вычислитель осуществляет расчёт углов ориентации (крена, тангажа и путевого угла), коррекцию координат местоположения, после чего выдает навигационную информацию оператору.
Как видно из технических характеристик, (табл. 1), системы подобного рода (например, продукт «КомпаНав-2МТ» (рис. 15)) не могут обеспечить достаточную точность определения положения без коррекции от спутниковой навигационной системы [13].
Рис. 15. Инерциальная система навигации КомпаНав-2МТ / Fig. 15. Inertial navigation system KompaNav-2MT
Таблица 1 / Table 1
Технические характеристики системы «КомпаНав-«2МТ» / Technical characteristics of the «KompaNav- «2MT» system
Параметры Интегрированный режим (ИНС/СНС) Без коррекции от СНС Режим коррекции от одометра
Углы ориентации (крен, тангаж), град: - прямолинейное движение - маневрирование 0,3 0,8 0,5 1 0,4 0,8
Курс (путевой угол), град 0,5 5 5
Путевая скорость, м/с 0,3 5 1,5
Горизонтальные координаты, м 6 600 2,5 % от ПП
Высота, м 10 15 15
Примечание: ПП - Пройденный путь
ISSN0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
Система позиционирования UNS (Universal Вычисление текущего положения объекта произ-Navigation System) (рис. 16) представляет собой водится на основе ускорения объекта и его угло-инерциальную систему позиционирования на вых скоростей по трем осям с дискретизацией во основе использования гироскопа и электронного времени, в связи с чем при определении положе-гидростатического уровня. ния будет накапливаться ошибка измерения.
Для компенсации погрешностей в углах ориентации и координатам, свойственных инерциаль-ным системам позиционирования, в системе UNS необходимо каждые 40 метров производить калибровку позиционирования датчиков в составе инер-циальной системы, установленной на проходческом щите МТПК [14]. Данная система предназначена для возведения прямолинейных и криволинейных участков трассы длиной до 200 метров точность проходки - отклонение не более 30 мм на 100 м при калибровке системы каждые 40 м.
К недостаткам инерциальных систем позиционирования относится необходимость корректировки показаний, компенсирующих появление возможной ошибки при интегрировании данных, получаемых с инерционных датчиков.
Данные, полученные в результате обзора существующих систем позиционирования проходческих щитов МТПК, сведены в табл. 2.
Таблица 2 / Table 2
Показатели существующих систем позиционирования проходческих щитов МТПК / Characteristics of the existing positioning systems of micro-tunneling complexes
Рис. 16. Система навигации UNS: 1 - контрольный модуль; 2 - курвиметр; 3 - гирокомпас; 4, 6 - датчики высоты; 5 - гибкий трубопровод / Fig. 16. UNS navigation system: 1 - control module; 2 - odometer; 3 - gyrocompass;
4, 6 - height sensors; 5 - flexible pipeline
Она не требует обеспечения прямой видимости между всеми ее элементами, что позволяет осуществлять криволинейную проходку диаметром от 800 мм с достаточной точностью и не зависит от температуры воздуха по длине тоннеля.
Системы навигации Показатели
Проходка криволинейных тоннелей Возможность применения систем навигации на проходческих щитах диаметром от 360 до 1400 мм Степень автоматизации Точность Уровень стоимости Определение координат «хвост-нож» многосекционного щита
Спутниковые:
UGPS + - низкая низкая высокая нет
Лазерные и оптические:
«SLS Microtunnelling L» - + высокая высокая высокая нет
«ELS-HWL» + + средняя высокая высокая нет
Патент Ш №2197616 - + средняя - высокая нет
Патент Ш №2385418 + - высокая - высокая нет
Патент Ш №2405937 - - низкая ±20 мм высокая нет
«РЕЕЕОЯСАМ-Ю" OSD ОЕШ - + высокая ±15 мм средняя нет
Тахеометрические:
<т-Рт + - низкая ±5 мм средняя нет
<т-РА» + - высокая ±5 мм средняя нет
<т-РА1» + - высокая ±5 мм средняя нет
«SLS-Microtunneling 1Г» + + высокая ±5 мм высокая нет
Инерциальные:
«КомпаНав-2МТ» + - высокая низкая низкая нет
«UNS» + - средняя ±30 мм высокая нет
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. В подземных условиях нет возможности автономного использования спутниковой навигационной аппаратуры типа GPS, так как земная поверхность препятствует прохождению сигнала со спутников. Определение координат проходческого щита с помощью спутниковых сигналов возможно при условии использования ретрансляторов, устанавливаемых на поверхности земли в районе проведения работ, однако данные устройства обеспечивают низкую точность определения координат, а также имеют достаточно большие габариты, что накладывает ограничения на их применения в проходческих щитах малого диаметра.
2. «ELS-HWL» обладают высокой точностью и полностью автоматизированы, однако их применение возможно лишь при проходке прямолинейных тоннелей. Этот фактор является основным недостатком данных систем позиционирования. То же, можно сказать об оптической системе позиционирования «PERFORCAM-10" OSD OEN» и об устройстве, описанном в [7].
Таким образом, основным недостатком вышеописанных лазерных и оптических систем являются их конструктивные и технологические особенности и параметры результатов их работы, вследствие которых они применяются только при прямолинейной проходке.
3. Тахеометрические системы позиционирования отличаются высокой точностью и высокой степенью автоматизации, но также имеют и свои недостатки:
- системы «SN-Pi», «SN-РА», «SN-РАЬу не предназначены для определения координат при проходке криволинейных тоннелей методом продавливания;
- навигационная система зарубежной фирмы VMT GmbH «SLS Microtunneling LT» позволяет вести работы при возведении тоннелей, коллекторов по криволинейной траектории. Однако отсутствует возможность их применения при определении высокоточного положения «хвост-нож» модульного проходческого щита, а также «крена - деферента» корпуса модульного проходческого щита. Кроме того, оснащение проходческого щита указанной тахеометрической системой налагает ограничения на использование различного вида транспорта отбитой горной массы в щитах с малым диаметром (от 360 до 2000 мм), также указанная система позиционирования требует постоянной калибровки тахеометра и призм после каждой продвижки тон-
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
нельной крепи и проходческого щита МТПК на шаг передвижки (0,5 - 1,5 м).
4. Применение инерциальных систем позиционирования «КомпаНав-2МТ» и «UNS» затруднено, а в иных случаях невозможно в связи с низкой точностью данных систем в автономном режиме и отсутствием возможности проведения калибровки датчиков, расположенных в тоннелях диаметром от 360 до 1200 мм. Для стабильной работы инерциальных систем позиционирования требуется постоянная высокая трудоемкость по коррекции параметров датчиков, входящих в ее состав через каждые 30 - 40 м проведения тоннеля.
5. На рынке РФ и мировом рынке отсутствуют системы позиционирования для криволинейной проходки с определением геодезических координат с высокой точностью «хвост-нож» модульных проходческих щитов МТПК.
Заключение
В настоящей работе выполнен анализ существующих конструкций систем позиционирования проходческих щитов с целью поиска новых технических решений для высокоточного определения геодезических координат «хвост-нож» проходческого щита МТПК. Создаваемая, система позиционирования должна определять показатели координат: центральной оси в «хвосте» секции «модуля ручного управления», «носовой» части секции «модуля ручного управления», центральной оси в «хвосте» секции «модуля машинного отделения», «носовой» части секции «модуля машинного отделения», в «хвосте» секции «ножевого модуля» и в «носовой» секции «ножевого модуля», а также позиционирования с высокой степенью точности измерять крен и деферент каждого из модулей «хвост-нож» модульного проходческого щита МТПК.
Обзор и анализ показали, что наиболее приемлемым из существующих способов определения координат и положения проходческого щита в пространстве является применение лазерной системы позиционирования при условии использования промежуточных модулей с учетом установки стационарной базовой станции (точки постоянного закрепления) в стартовом котловане, на которые в автоматическом режиме производится визирование мобильной лазерной установки, смонтированной в тоннеле. Это позволит использовать данную систему при проходке по криволинейной траектории и обеспечит совместное применение инерциальной системы позиционирования для каждого модуля корпуса
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
проходческого щита МТПК. Установка промежуточных модулей системы позиционирования позволит избежать искажений лазерного луча, проявляющихся на больших расстояниях из-за разности температур воздуха в тоннеле.
Применение совместно с лазерной системой позиционирования инерциальной системы позиционирования обеспечит заданную точность определения геодезических координат «хвост-нож» модульного проходческого щита МТПК, а также высокую точность угла крена и угла деферента каждого модуля проходческого щита МТПК. Точность такой системы позволит выполнить требования нормативных документов, регламентирующих работы при проходке тоннелей бестраншейным способом [2].
Литература
1. Бренер В.А. Щитовые проходческие комплексы: учеб. пособие. М.: 2009. 447 с.
2. Освоение подземного пространства. Микротоннелирова-ние. Правила и контроль выполнения, требования к результатам работ. СТО НОСТРОЙ 2.27.124-2013 М.: ООО Изд-во «БСТ», 2013. 93 с.
3. Применение спутниковых навигационных систем в глубоких карьерах, подземных горных выработках / [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://cyberleninka.ru /article/v/primenenie-sputnikovyh-navigatsionnyh-sistem-v-glubokih-karierah-podzemnyh-gornyh-vyrabotkah (дата обращения 25.01.19)
4. SLS Microtunnelling L / [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://vmt-gmbh.de/en/products/navigate-tunnelling /microtunnelling/sls-microtunnelling-l/ (дата обращения: 25.01.19)
5. Зум В. Инновации третьего поколения в бестраншейной технологии строительства тоннелей [Электронный ресурс] // Союздонстрой [сайт].- Режим доступа: http://soyuzdonstroy.ru /ru/presscentr/nauchnye-publikacii/innovacii-tretego-pokoleniya-v-bestranshejnoj-tehnologii-stroitelstvatonnelej.html
6. Perforator PBA-155 - шедевр горизонтального бурения / [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://gorbur.ru/ oborudovanie/perforator-pba-155-shedevr-gorizontalnogo-bureniya.html (дата обращения 10.05.18)
7. Пат. 2197616 РФ МПК E21D9/093
8. Пат. 2385418 РФ МПК E21D9/00
9. Пат. 2405937 РФ МПК E21D9/093
10.Тоннельная навигация / [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://geoprogram.ru/tunnel (дата обращения: 25.01.19)
11. Curved microtunnel success in the USA / [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.tunneltalk.com/USA-Jul2010-First-planned-curved-microtunnel-in-USA.php (дата обращения 25.01.19)
12. Селиванова Л.М., Шевцова Е.В. Инерциальные навигационные системы: учеб. пособие. Ч.1: Одноканальные инерциальные навигационные системы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 46 с.
13. КомпаНав-2МТ Малогабаритная интегрированная инерци-ально-спутниковая навигационная система для наземного применения - описание системы / [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.teknol.ru/pdfrus/2015/CN_2MT _land_description_rus_2015 .pdf (дата обращения 25.01.19)
14. Providing an ultimate solution to tunnel navigation. // Inzynieria Bezwykopowa, special edition NO-DIG 2005 Рp. 30 - 33.
References
1. Brener V.A. Shchitovyeprohodcheskie kompleksy: Uchebnoeposobie [Shield tunneling complexes: Tutorial]. Moscow, 2009, 447 p.
2. Osvoenie podzemnogo prostranstva. Mikrotonnelirovanie. Pravila i kontrol' vypolneniya, trebovaniya k rezul'tatam rabot. STO NOSTROJ [The development of underground space. Microtunnelling Rules and performance monitoring, requirements for work results. STO NOSTROY]. Moscow, 2013, 93 p.
3. Primenenie sputnikovyh navigacionnyh sistem v glubokih kar'erah, podzemnyh gornyh vyrabotkah [The use of satellite navigation systems
in deep quarries, underground mines]. Aviable at: https://cyberleninka.ru/article/v/primenenie-sputnikovyh-navigatsionnyh-sistem-v-glubokih-karierah-podzemnyh-gornyh-vyrabotkah. (accessed 25.01.2019)
4. SLS Microtunnelling L. Aviable at: http://vmt-gmbh.de/en/products/navigate-tunnelling/microtunnelling/sls-microtunnelling-l/. (accessed 25.01.19)
5. Zum V. Innovacii tret'ego pokoleniya v bestranshejnoj tekhnologii stroitel'stva tonnelej [Third generation innovation in trenchless tunnel construction technology]. Aviable at: http://soyuzdonstroy.ru/ru/presscentr/nauchnye-publikacii/innovacii-tretego-pokoleniya-v-bestranshejnoj -tehnologii-stroitelstvatonnelej.html (accessed 25.01.19)
6. Perforator PBA-155 - shedevr gorizontalnogo bureniya [Perforator PBA-155 - horizontal drilling masterpiece]. Aviable at: http://gorbur.ru/oborudovanie/perforator-pba-155-shedevr-gorizontalnogo-bureniya.html. (accessed 25.01.19)
7. Patent 2197616 RF MPK E21D9/093
8. Patent 2385418 RF MPK E21D9/00
9. Patent 2405937 RF MPK E21D9/093
10. Tonnel'nayanavigaciya [Tunnel navigation]. Aviable at: https://geoprogram.ru/tunnel. (accessed 25.01.19)
11. Curved microtunnel success in the USA. Aviable at: https://www.tunneltalk.com/USA-Jul2010-First-planned-curved-microtunnel-in-USA.php. (accessed 25.01.19)
12. Selivanova L.M., Shevcova E.V. Inercial'nye navigacionnye sistemy: ucheb. posobie. -Ch.1: Odnokanal'nye inercial'nye navigacionnye sistemy [Inertial navigation systems: a tutorial. -Part 1: One-Channel Inertial Navigation Systems]. Moscow, 2012, 46 p.
13. KompaNav-2MTMalogabaritnaya integrirovannaya inercial'no-sputnikovaya navigacionnaya sistema dlya nazemnogoprimeneniya -opisanie sistemy [KompAnav-2MT Compact integrated inertial-satellite navigation system for terrestrial use - system description]. Aviable at: http://www.teknol.ru/pdf/rus/2015/CN_2MT_land_description_rus_2015 .pdf (accessed 25.01.19)
14. Providing an ultimate solution to tunnel navigation. Inzynieria Bezwykopowa, special edition NO-DIG, 2005, pp. 30 - 33
Поступила в редакцию /Received 02 апреля 2019 г. /April 02, 2019
