一种基于空间向量构建的隧道炮眼定深定向系统及方法与流程

本发明属于隧道钻爆法施工，具体涉及一种基于空间向量构建的隧道炮眼定深定向系统及方法，适用于采用气腿式凿岩机进行人工打眼的隧道钻爆施工中炮眼钻进方向的精准定向。

背景技术：

1、隧道钻爆法施工中，炮眼（尤其周边眼）的布设精度直接影响隧道开挖轮廓质量及超欠挖控制效果。钻爆施工中，完成掌子面炮眼放样（即在掌子面上标定出各炮眼的孔口位置）之后，需将凿岩机就位并使钻杆对准设计方向开始钻进。这一“使钻杆对准设计方向”的过程即为炮眼定向——其本质是使钻杆空间姿态参照设计炮眼轴线方向来确定。对于采用气腿式凿岩机进行人工打眼的常规钻爆施工而言，炮眼定向直接决定了钻孔的实际空间走向是否偏离设计值。

2、目前，与本发明较为接近的现有技术主要有以下两类。

3、其一为测量放样结合人工经验定向方法。该方法为目前隧道钻爆施工中针对气腿式凿岩机普遍采用的定向方式。该方法的典型实施流程为：首先，测量人员利用全站仪基于隧道洞内控制网，在掌子面上放样出炮眼设计轮廓线及孔口位置，并用红油漆或喷漆在掌子面上作出标记，该放样环节仅给出炮眼孔口的平面位置，不涉及方向信息；随后，操作人员将气腿式凿岩机就位，将钻杆前端抵住已标记的炮眼孔口位置；定向环节完全依赖操作人员的个人经验，通过目测判断钻杆的竖直角和外插角，凭手感调整钻机气腿的支撑高度和支撑角度；在钻进过程中，操作人员通过持续观察和手感维持钻杆方向。该方法的主要缺陷在于：炮眼方向完全依赖操作人员的目测估计与手感判断，误差不可控且离散性大，周边眼外插角偏差直接导致超欠挖失控。

4、其二为全站仪理论定向方法。从测量学原理上而言，全站仪具备空间点位坐标测量与放样功能，可用于确定任意两点间的空间方向向量。理论上可针对每个炮眼通过全站仪在掌子面后方或侧方设定两个参考点，使这两个参考点的连线方向与设计炮眼方向一致。然而，该方法在实际施工中几乎不被采用：若每个炮眼均采用全站仪进行方向标定，每循环数十乃至上百个炮眼逐一放线定向，测量工作量极大，单循环施工时间成倍增加；且隧道掌子面附近空间狭窄，爆破后岩面凹凸不平，全站仪架设与通视条件受限，难以对每个炮眼逐一实施精细化方向控制。

5、此外，公开号为cn103968718a的中国专利公开了一种隧道爆破用距离定角度的炮孔定向法。该方法在已有台车横向的顶梁和两侧的下层悬臂梁上分别设置标记尺，标记尺上设有可移动的标记物，用于标记钻杆两端到隧道中心线的距离，通过直角三角形角度与边长的关系，将对炮孔角度的控制转化为对钻杆两端到隧道中心线距离的控制。该方法虽然成本低廉、易于实施，但仍属于人工机械式测量范畴，需人工读数、人工计算，且依赖以隧道中心线为参照的物理标记尺，无法实现自动化实时测量与闭环控制。

6、而公开号为cn121089535a的中国专利公开了一种基于实景复制模型的隧道炮眼定位方法，基于具有绝对坐标的实景复制的掌子面及边墙模型，根据爆破设计参数获取设计炮眼在相对坐标下的眼口坐标和眼底坐标，通过坐标变换将设计炮眼眼口和眼底的坐标转化至绝对坐标中。该方法仅涉及炮眼位置的定位与放样，解决的是“炮眼打在哪里”的问题，而未涉及钻杆姿态的实时测量与方向控制，即未解决“钻杆朝哪个方向打”的问题。

7、公告号为cn102901414b的中国专利公开了一种隧道定向断裂爆破聚能药包孔内定位定向推送专用装置，由带定位刻度和滑动定位环的中空炮杆、带定向滑槽和卡口的定向套筒、两端分别连接定向手柄和圆形旁挡片的定向推杆等组件装配而成，通过调节手柄方向在孔外对炮眼内聚能管切缝进行精准定向。该装置解决的是炮眼装药阶段聚能药包的孔内定位定向问题，而非钻孔阶段钻杆的空间方向定向问题，属于隧道钻爆施工中完全不同工序的技术方案。

8、综上所述，上述现有技术中，测量放样结合人工经验定向方法虽为施工现场的普遍做法，但定向精度完全依赖工人经验，缺乏客观的测量与控制手段；全站仪理论定向方法从原理上可行但在实际施工中因效率与现场条件限制而无法落地实施。这些方法均未解决炮眼空间方向定量表达与精准控制的根本问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对背景技术中存在的缺陷及不足，提供一种基于空间向量构建的隧道炮眼定深定向系统及方法。

2、本发明的技术方案：

3、一种基于空间向量构建的隧道炮眼定深定向系统，包括：

4、固定基站模块，由布设于隧道已开挖段稳定位置的若干个固定基站组成，各固定基站的空间坐标预先标定并纳入隧道施工控制网，用于建立统一的三维空间坐标系；

5、移动测量端模块，刚性连接或贴合于凿岩机钻杆表面；

6、计算单元模块，与固定基站模块及移动测量端模块通信连接，用于计算和存储全断面炮眼设计空间向量；

7、指示模块，与计算单元模块通信连接，用于根据偏差向操作人员输出调整指引及施工状态反馈。

8、所述指示模块包括显示屏、信号灯及语音提示模块；显示屏安装于计算单元模块上或独立设置于操作人员视野范围内，且显示屏、信号灯及语音提示模块分别与计算单元模块通信连接。

9、所述固定基站模块同时连接多个移动测量端模块，各移动测量端模块分别安装于多台凿岩机钻杆上。

10、所述移动测量端模块包括长基线杆，前端uwb定位单元，后端uwb定位单元及imu惯性测量单元，长基线杆通过前端定位臂和后端定位臂刚性连接于凿岩机钻杆表面，前端uwb定位单元和后端uwb定位单元分别安装于长基线杆的两端，imu惯性测量单元集成于长基线杆内部。

11、所述计算单元模块为工业计算机、嵌入式工控机或平板电脑，可随身携带。

12、所述固定基站为uwb固定基站。

13、一种基于空间向量构建的隧道炮眼定深定向方法，基于所述的基于空间向量构建的隧道炮眼定深定向系统实现，包括以下步骤：

14、s1：全炮眼设计空间向量参数化解算，在施工准备阶段，将隧道轴线及曲线要素、隧道断面设计数据和钻爆设计参数导入计算单元模块7，内置全断面炮眼空间向量参数化计算模型，输入当前掌子面里程后自动实时解算生成该里程位置所有炮眼的理论设计空间向量；

15、s2：炮眼放样定位，在掌子面上放样标定各炮眼的孔口位置；

16、s3：固定基站布设，在隧道已开挖段稳定位置，布设uwb固定基站，构建uwb定位系统；

17、s4：炮眼长度生成，将移动测量端模块作为独立定位点，依次贴合于掌子面上已放样的各炮眼孔口位置，由uwb定位系统自动采集各炮眼孔口的实测空间坐标，并由计算单元模块7根据设计眼底坐标自动推算每个炮眼的精确钻进长度；

18、s5：移动测量端安装，将移动测量端模块通过前端定位臂和后端定位臂刚性连接于凿岩机钻杆表面，并将凿岩机钻杆前端抵住已标定的炮眼孔口位置；

19、s6：钻杆实际向量构建，通过uwb定位系统获取前端uwb定位单元的空间坐标a和后端uwb定位单元的空间坐标b，构建凿岩机钻杆实际空间向量v1= b-a；

20、s7：向量匹配与调整指引生成，计算单元模块将凿岩机钻杆实际空间向量v1与当前炮眼的设计空间向量v2i进行智能匹配，计算空间夹角偏差θi及其水平分量δh和竖向分量δv，并将空间夹角偏差转换为调整指引，调整指引以图形化箭头、数字读数和/或语音提示方式通过指示模块输出；

21、s8：人工调整钻机气腿与钻杆姿态，根据指示模块输出的调整指引，人工操作气腿式凿岩机的气腿进行支撑高度和支撑角度的调节，配合人工调整凿岩机钻杆的空间指向；

22、s9：定向完成判定，计算单元模块持续监测空间夹角偏差θi；

23、当θi≤预设阈值时，计算单元模块判定定向完成，指示模块由黄色信号切换为绿色定向完成信号，同时显示屏上显示“定向完成，可开钻”提示，操作人员据此启动凿岩机开始钻进；

24、当θi>预设阈值时，重复步骤s5至s7直至空间夹角偏差θi不大于预设阈值。

25、步骤s6中，还包括imu融合修正，在uwb信号受遮挡或短暂失锁时，imu惯性测量单元提供凿岩机钻杆姿态的连续测量数据，对v1进行动态补偿与平滑滤波，保证凿岩机钻杆实际空间向量v1的连续性与稳定性。

26、步骤s7中，所述空间夹角偏差θi= arccos((v1·v2i)/(|v1|×|v2i|))，水平分量δh和竖向分量δv通过空间夹角偏差分解得到；调整指引包括水平调整方向和幅度、竖向调整方向和幅度。

27、单个所述固定基站同时支持多个移动测量端模块的定位与通信，各移动测量端模块分别安装于多台凿岩机钻杆上，在统一的三维空间坐标系下独立进行钻杆向量构建与偏差计算，实现多台凿岩机并行施工与协同定向。

28、本发明的有益效果：

29、本发明采用uwb无线定位技术，无需逐点架设仪器、无需通视条件、无需反复对中整平，钻杆就位后系统自动完成坐标采集与向量匹配，固定基站在施工准备阶段提前布设、一次标定可持续服务后续多个循环，移动测量端即装即用、拆装便捷。整个定向过程无需额外测量工序，操作人员只需按照指引进行气腿调整，单炮眼定向时间较全站仪法大幅缩短，使精准定向首次具备了与人工经验法相当的施工效率，现场施工节奏不受影响。

30、本发明以空间向量作为炮眼方向的唯一表达形式，通过uwb定位系统实时获取凿岩机钻杆两端空间坐标，构建具有精确数学定义的钻杆实际向量；计算单元根据隧道设计参数自动生成每个炮眼的理论设计向量；系统将两者进行精确的数学匹配与偏差计算。整个过程实现了炮眼方向的定量表达与精准控制，方向误差收敛至预设阈值以内，从根本上解决了人工经验法精度不可控的问题。

31、本发明通过精确测算每个炮眼的炮眼长度，对炮眼端部位置实施定量控制，使除掏槽眼以外的各类炮眼其孔底端部能够按设计精确齐平于同一垂直于隧道轴线的设计平面，实现“眼底共面”。该布置方式可确保起爆后各炮眼药包能量在同一作用面上充分叠加，从而有效改善爆破能量分布均匀性，显著提升掌子面平整度和开挖轮廓控制质量，从空间位置上根本解决了炮眼“长短不一、参差不齐”的工程顽疾。

32、本发明系统结构轻便、部署快速，固定基站可安装于高处避开施工干扰，移动测量端体积小、重量轻，通过定位臂即可刚性安装于钻杆表面，不影响凿岩机正常操作与搬运；uwb非光学测量技术不依赖光学视线，不受粉尘、水雾及照明条件影响，imu惯性测量单元进一步保障了信号短暂失锁时的连续性与鲁棒性。操作人员无需具备丰富的“打眼手感”和方向判断经验，只需按照系统输出的“向左/向右/上仰/下俯”量化指引进行钻机气腿与钻杆姿态操作即可完成精准定向，将炮眼定向从依赖个人技能的“手艺活”转变为依据客观数据的“标准操作”，不同工人按照相同指引均可达到一致的精度水平。

33、本发明通过计算单元模块内置全断面炮眼的空间向量参数化计算模型与设计参数，在输入当前掌子面里程后，自动实时解算生成该里程位置所有炮眼对应的理论设计空间向量及每个炮眼的设计钻进长度；操作人员就位后，系统实时采集钻杆实际向量及当前钻杆进尺深度，与理论向量及设计长度进行双向匹配，以量化指引方式告诉操作人员“当前偏了多少、该往哪个方向调、该打多深”。这一技术真空的填补，使炮眼定向与深度控制首次具备了从设计到实施的完整数据链条，实现了快、准、齐、便利四者的统一。

34、本发明通过固定基站建立统一的三维空间坐标系，所有移动测量端均在同一坐标系下解算坐标、构建向量、匹配偏差，单个基站可同时支持多个移动测量端并行工作，各工位独立获得各自的调整指引，互不干扰但在坐标系层面保持统一。多台凿岩机并行施工时无需各自独立架设测量设备，共享同一空间基准，从“各打各的”升级为“统一基准下的协同作业”，在保证精度的前提下进一步提升群体施工效率。

35、本发明将隧道炮眼定向由传统“放样点位+人工估角度和炮眼长度”的粗放模式提升为“统一坐标基准+空间向量与设计炮眼长度智能匹配+量化指引人工执行”的标准化作业模式，同时实现了快、准、齐、便利四者的统一，具有显著的技术进步性与工程应用价值。