基于姿态智能调控的曲线顶管三维避绕施工方法及系统与流程

本发明涉及顶管施工设备领域，具体为基于姿态智能调控的曲线顶管三维避绕施工方法及系统。

背景技术：

1、管网在施工中，直线顶管施工方式已难以适配复杂路网、避让既有地下设施的建设需求，曲线顶管凭借灵活的轨迹适配性，成为狭小场地、复杂地下工况下的主流非开挖施工技术，现阶段常规曲线顶管施工大多采用单一激光导向定位、人工实时观测纠偏的作业模式，依靠施工人员经验判断机头姿态偏差及掘进轨迹，自动化、智能化水平较低，存在明显技术短板。

2、现有传统施工技术仅能实现简单的平面轨迹监测与单向偏差修正，无法对顶管机头的俯仰、滚动、航向等多维姿态参数进行全方位采集，难以构建三维空间掘进控制体系，长距离曲线顶进过程中极易产生姿态偏差累积，进而出现轴线漂移、管节错台、掘进轨迹偏离设计曲线等质量问题。同时，传统顶管纠偏方式多为偏差产生后的被动滞后纠偏，无法预判机头偏移趋势，也不能实时监测机头与周边地下管线、构筑物的安全间距，在老旧城区、密集管网区域施工时，极易发生剐蹭、挤压既有构筑物，引发管线破损、地表沉降、路面塌陷等安全隐患，施工安全性与可控性较差。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供基于姿态智能调控的曲线顶管三维避绕施工方法及系统，旨在解决背景技术中提及的施工精度低、纠偏滞后及安全风险高等问题。本发明基于地下空间三维数字模型，实时动态监测机头及管节与既有管线、构筑物的水平、垂直安全净距，动态更新障碍物风险等级，并建立四级工况智能判定机制。区别于传统人工凭经验预判、被动纠偏的滞后施工模式，本发明可实现偏移趋势超前预判与风险前置预警，针对不同风险等级自动匹配对应纠偏策略；在临近障碍物时，可快速触发安全闭锁并重构局部轨迹，从根源上规避顶管机头剐蹭、挤压或损伤既有地下管线及构筑物，显著提升施工安全性与轨迹可控性。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：基于姿态智能调控的曲线顶管三维避绕施工方法，具体包括以下步骤：

3、步骤一：前期三维地质与地下障碍物全域勘测建模；采用地质雷达、管线探测仪、钻孔取样获取地层参数，既有管线或构筑物三维坐标，导入上位机建立地下空间三维数字模型；

4、步骤二：始发井设备布设与智能传感系统标定安装；始发井内布设主顶油缸、多组机头四向纠偏油缸、中继间接力顶推机构；在顶管机头内置光纤惯性导航、激光靶标、mems倾角、土压、位移和油压全套传感模块；

5、步骤三：初始姿态基准匹配与避绕轨迹预推演；控制系统读取惯性导航初始坐标、激光基准数据，匹配机头当前三维姿态，姿态包括水平偏差、高程偏差、俯仰角、滚动角和方位角；三维模型开展避绕轨迹仿真推演，预判曲线转弯、靠近障碍物时姿态偏移趋势，生成预测性超前纠偏参数，下发至液压执行单元待机；

6、步骤四：多源传感同步采集、数据滤波清洗和三维姿态实时监测；启动刀盘切削，主顶油缸匀速顶进，每单次顶程（300～800mm）同步采集多源传感数据；

7、步骤五：多级阈值智能判定和分层三维避绕纠偏动态调控；将实测姿态坐标与预设避绕曲线对比，自动分级判定偏差工况；

8、步骤六：同步注浆姿态协同补偿控制；根据曲线凹凸侧、机头偏转角度动态调节注浆泵压力与流量；曲线外侧加大注浆填充间隙，内侧低压补浆，维持完整泥浆润滑套；注浆流量、压力与机头姿态数据联动，避免因摩阻不均加剧姿态偏移，防止管节卡滞、轴线漂移；

9、步骤七：姿态数据存储与轨迹动态修正迭代；每完成一节管节顶进，系统自动归档姿态、纠偏、障碍物监测数据；对比实际掘进轨迹与设计曲线，利用机器学习模型修正导航误差和纠偏参数库，自动校准惯性导航零点，消除累积测量误差。

10、优选的，所述步骤四中还包括：顶进工况稳态建立与参数初始化、多维姿态参数高频同步采集、多源数据融合降噪与误差修正、障碍物距离动态实时测距监测和姿态轨迹实时可视化存档。

11、优选的，所述步骤一中录入设计曲线顶管轴线、最小转弯半径、障碍物安全避让阈值，划分直线段、缓和曲线段和急曲线避绕段，预设多级姿态偏差报警阈值与分级纠偏策略库。

12、优选的，所述步骤二中地面布设基准激光导向仪；完成所有传感器零点校准、有线和无线传输链路调试，将设备坐标与三维模型坐标系统一匹配，建立姿态数据实时闭环传输通道。

13、优选的，所述步骤五中包括姿态偏差量化比对与风险等级判定，其判定标准为：

14、正常工况：姿态自适应微调和平稳顶进控制；

15、当水平、高程偏差均在安全允许范围内，且远离障碍物时，系统维持匀速顶进，动态微调主顶油缸同步性，均衡管节受力；根据曲线内外侧摩阻差异，自适应微调注浆量，保持泥浆套均匀稳定，预防姿态被动偏移；

16、一级预警工况（小偏差、偏移≤20mm，临近障碍物安全边界）：预测性前置纠偏；

17、二级纠偏工况（明显偏移、20mm＜偏移≤50mm，进入预警区间）：三维联动精准纠偏；

18、三级紧急避绕工况（偏移＞50mm，逼近障碍物、超阈值偏移）：安全闭锁+轨迹重构纠偏。

19、优选的，所述步骤五中还包括纠偏效果实时闭环校验：

20、每一次纠偏动作完成后，系统持续采集后续顶进姿态数据，验证纠偏收敛效果；若偏差收敛缓慢或出现反向偏移，自动迭代修正纠偏参数，实现“监测—判定—纠偏—校验—再优化”的全自动闭环控制。

21、姿态异常声光预警与人工干预备份：

22、各级偏差工况对应不同等级声光报警，实时弹窗提示偏移方向、偏移量、障碍物风险等级；保留人工手动介入通道，可随时切换手动微调模式，保障复杂地层、突发工况下的施工安全与轨迹可控。

23、优选的，所述步骤七中包括接收井贯通姿态闭环校验；机头进入接收井前10m加密采样频率，持续微调姿态，保证机头精准落入接收井预留洞口；贯通后导出全程三维轨迹、障碍物避让记录，完成施工数据归档。

24、基于姿态智能调控的曲线顶管三维避绕施工系统，所述系统包括中央处理器，所述中央处理器包括感知采集层、数据传输通信模块、核心控制处理模块和人机交互与执行驱动输出模块，所述中央处理器与感知采集层、数据传输通信模块、核心控制处理模块和人机交互与执行驱动输出模块电性连接。

25、优选的，所述感知采集层包括：三维姿态核心传感模块、力学与地层监测模块、周边障碍物安全监测模块和辅助环境传感模块；

26、所述三维姿态核心传感模块还包括：光纤陀螺惯性导航模块，用于测方位角、三维坐标、偏转趋势和曲线段无通视条件下的独立导航；mems双轴倾角传感器，用于采集机头俯仰角和滚动角；激光靶标光电位置传感器，用于配合地面激光导向仪，采集水平和垂直基准偏移量；高精度磁致伸缩位移传感器，用于监测纠偏油缸和主顶油缸伸缩行程；

27、所述力学与地层监测模块包括油压压力变送器，用于主顶和纠偏油缸油压采集；土仓土压力传感器、孔隙水压力传感器，用于水土阻力监测；刀盘扭矩传感模块，用于切削阻力反馈和辅助姿态预判；

28、所述周边障碍物安全监测模块包括高精度应变片传感器，用于地下管线应力监测；激光沉降位移计，用于地表构筑物沉降监测；

29、所述辅助环境传感模块包括温湿度传感模块、泥浆流量和压力变送器。

30、优选的，所述数据传输通讯模块包括无线数传模块和近距离传感数据稳定传输模块，所述近距离传感数据稳定传输模块通过井下有线 rs485或工业以太网传输模块完成近距离传感数据稳定传输；信号隔离放大模块用于井下强振动、泥浆潮湿环境抗干扰和放大微弱传感电信号；光电转换模块，用于远距离井下光纤数据传输和屏蔽电磁干扰；

31、所述核心控制处理模块包括：

32、工业plc主控模块用于逻辑运算、偏差对比、纠偏指令输出；

33、边缘计算处理单元，用于实时三维坐标解算、偏差分级判定和超前纠偏预测算法运行；

34、数据存储模块，用于固态存储硬盘，存储姿态、避绕监测和操作日志；

35、时钟同步模块，用于多传感器时间戳统一，保证数据时序匹配；

36、所述人机交互与执行驱动输出模块包括：

37、地面上位机触控显示模块，用于三维可视化界面，实时展示机头姿态、轨迹、障碍物位置和偏差报警；

38、声光报警模块，用于一级、二级和三级偏差分级灯光和蜂鸣报警；

39、液压伺服驱动控制模块，用于接收plc指令，输出电信号控制纠偏油缸、主顶油缸和注浆泵电磁阀；

40、继电器输出模块，用于刀盘启停、注浆泵和中继间油缸开关量控制；

41、远程传输云模块，用于手机或电脑远程查看施工姿态与避绕状态，数据云端备份。

42、本发明的有益效果：

43、1、本发明，基于地下空间三维数字模型，实时动态监测机头、管节与既有管线、构筑物的水平、垂直安全净距，动态更新障碍物风险等级，建立四级工况智能判定机制；区别于传统人工凭经验预判、被动纠偏的滞后施工模式，本发明可实现偏移趋势超前预判、风险前置预警，针对不同风险等级自动匹配对应纠偏策略，在临近障碍物时可快速触发安全闭锁与局部轨迹重构，从根源上规避顶管机头剐蹭、挤压、损伤既有地下管线及构筑物的风险。

44、2、本发明，可实时采集机头三维坐标、俯仰、滚动、航向偏差等全维度姿态数据，突破传统单一激光导向仅可单向定位、曲线段无通视条件无法精准监测的缺陷，同时通过数据滤波降噪、多源数据融合修正、长距离分段零点校准技术，有效消除设备振动、电磁干扰、地下复杂环境带来的测量误差，杜绝长距离曲线顶进的姿态偏差累积问题，配合“小偏差预纠偏、中偏差精准纠偏、超阈值紧急轨迹重构”的分级调控策略。