CN103382833B - 非开挖导向仪及使用该导向仪的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非开挖导向仪，所述非开挖导向仪应用的钻机包括钻机动力头，安装在钻机动力头上的钻杆，钻机动力头连接有齿轮，齿轮与固定在钻架上的齿条啮合，所述非开挖导向仪包括安装在钻杆末端钻头上的探棒、跟踪接收仪以及同步显示器，其特征在于，所述非开挖导向仪还包括钻杆位移测量装置，所述钻杆位移测量装置包括靠近钻杆地面部分设置的钻杆在线检测单元，检测齿轮转动或齿条移动过的齿数的齿数计数单元，以及接收钻杆在线检测单元和齿数计数单元的信号从而计算钻头深度的信号处理单元，所述信号处理单元设于跟踪接收仪以及同步显示器内。由于偏航角的信号不受环境因素干扰，不仅可以得到较为准确的钻头深度值，确保非开挖施工的正常进行。

Description

非开挖导向仪及使用该导向仪的测量方法

技术领域

本发明涉及一种非开挖导向仪，尤其是一种使用该导向仪的深度和偏航角测量方法。

背景技术

随着城市建设的大规模发展，需要在城市中铺设截污管或能源(液化气、天然气等)供应管，较常用的方法是开挖槽来埋管埋线，这会造成环境污染，引起交通堵塞，并且存在施工安全隐患。

因此，目前也已开发使用了非开挖铺管技术，即一种利用岩土钻掘手段，在路面不挖沟、不破坏大面积地表层的情况下，铺设、修复和更换地下管线的施工技术。使用非开挖技术具有周期短、成本低、污染少、安全性能好等优点，而且不会影响正常的交通秩序。

非开挖铺管技术应用较广的为水平导向前进法，其是利用非开挖导向仪引导装有钻头的钻杆进行定向前进来实现。非开挖导向仪包括提供钻头实时的工况-深度、倾角以及钟点方向，让地面的操作人员实时掌握钻孔轨迹以便对后续的操作进行及时的修正，以保证按既定的路线轨迹精确定向，完成非开挖铺管。由此可见，非开挖铺管技术对于非开挖导向仪的精确测量有着很高的要求。

而现有的非开挖导向仪测量深度的方法可以通过有线或无线的方式，然而有线传输设备安装复杂，并且只能以整根钻杆为最小单位来计算当前的深度，缺乏实时性和精度，不能满足实际操作的需要；而无线结构相对简单，包括地下的探棒、地上的跟踪接收仪以及同步显示器，通过地下安装在钻头上的探棒发出信号，由地面操作人员操作跟踪接收仪，在确定钻头相对于地面的垂直投放点后，根据该点位导向仪的跟踪接收导向仪接收探棒的信息来计算钻头的深度，如申请号为2004100321021.8的中国专利申请公开的一种非开挖导向仪，以及申请号为201220627817.8的中国专利公开的一种非开挖导向仪，都是采用了上述的方法来获得深度数据。

然而在实际施工中，因施工环境的复杂不确定性，不可避免的会遇到很多干扰源，当钻头深度过深时，跟踪接收仪会因此无法测量钻头的深度，而只能显示钻头的倾角和钟点方向。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的缺点，提供一种非开挖导向仪，能够准确的测量深度，以确保非开挖施工的正常进行。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种使用上述非开挖导向仪的测量方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的第一个技术方案为：一种非开挖导向仪，所述非开挖导向仪应用的钻机包括钻机动力头，安装在钻机动力头上的钻杆，所述非开挖导向仪包括安装在钻杆末端钻头上的探棒、跟踪接收仪以及同步显示器，其特征在于，所述非开挖导向仪还包括钻杆位移测量装置，所述钻杆位移测量装置包括靠近钻杆地面部分设置的钻杆在线检测单元，实时检测钻杆位移的位移检测单元，以及接收钻杆在线检测单元和位移检测单元的信号从而计算钻头深度或偏航角的信号处理单元；所述钻机动力头连接有齿轮，齿轮与固定在钻架上的齿条啮合，所述位移检测单元包括检测齿轮转动或齿条移动过的齿数的齿数计数单元。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的第二个技术方案为：一种非开挖导向仪，所述非开挖导向仪应用的钻机包括钻机动力头，安装在钻机动力头上的钻杆，所述非开挖导向仪包括安装在钻杆末端钻头上的探棒、跟踪接收仪以及同步显示器，其特征在于，所述非开挖导向仪还包括钻杆位移测量装置，所述钻杆位移测量装置包括靠近钻杆地面部分设置的钻杆在线检测单元，实时检测钻杆位移的位移检测单元，以及接收钻杆在线检测单元和位移检测单元的信号从而计算钻头深度或偏航角的信号处理单元；所述钻机动力头安装在钻架上，在所述钻架上设置有连接到信号处理单元的滑动变阻器，在钻机动力头上设置有电刷，所述电刷和滑动变阻器电气接触。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种非开挖导向仪的测量方法，使用如上所述的非开挖导向仪，其特征在于，包括如下步骤：

1)信号处理单元根据钻杆在线检测单元检测到的当前信号判断钻机上是否安装有钻杆，如果有，信号处理单元记录探棒发送的当前钻头的倾角α₁，并进行步骤2)；

2)信号处理单元根据位移检测单元在钻杆钻进一段时间后的信号计算钻杆在上述一段时间内的位移量ΔL，判断钻杆的运动方向，并记录当前钻头的倾角α₂；

3)信号处理单元根据ΔL得到上述一段时间的起点到终点钻头位置的直线距离ΔS，根据公式ΔH＝ΔS·cosα计算上述一段时间内钻头的深度变化量ΔH，其中首次测量时ΔH为钻头的实时深度，第二次测量时以第一次测量得到的深度结合ΔH得到钻头的实时深度，以此类推。

假设所述钻杆的运动轨迹为直线，则ΔS＝ΔL。

假设所述钻杆的运动轨迹为圆弧，则

在步骤1)中，当钻机上没有钻杆时，钻杆在线检测单元不产生信号；当钻杆被安装到钻机上时，钻杆在线检测单元产生一个感应信号，信号处理单元根据该感应信号判断此时钻机上安装有钻杆。

信号处理单元还根据ΔE＝ΔP·sinβ计算钻头的实时偏航位置，其中，ΔE为钻头的偏航角变化量，ΔP为上述一段时间内钻头起点到终点钻头位置的直线距离在水平面的投影，β₁为上述一段时间初始时刻探棒轴线在水平面投影的偏航角，β₂为上述一段时间结束时刻探棒轴线在水平面投影的偏航角，第一次测量时，选择一个参考基准线，结合ΔE得到钻头的实时偏航位置；第二次测量时以第一次测量得到的偏航位置结合ΔE得到钻头的实时偏航位置，以此类推。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过检测一段时间内钻杆的位移量，结合偏航角可以近似得到这段时间内钻杆钻进深度的变化量(即钻头深度的变化量)；由于倾角的信号不受环境因素干扰，不仅可以得到较为准确的钻头深度值，确保非开挖施工的正常进行，而且加大了深度测量的范围，最大可测量30米的深度，扩大了应用范围。

附图说明

图1为本发明的钻杆地面部分示意图；

图2为本发明的位移检测单元另一个实施例的示意图；

图3为本发明的齿数计数单元一个实施例的示意图；

图4为本发明的齿数计数单元另一个实施例的示意图；

图5为本发明的深度计算一个实施例的示意图；

图6为本发明的深度计算另一个实施例的示意图；

图7为本发明的偏航角变化量计算示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

参见图1、图3和图4，地面上钻杆1的部分，其安装在钻机的钻机动力头21上，由钻机动力头21带动钻杆1前进或后退。

非开挖导向仪包括有安装在钻杆1末端钻头处的探棒，跟踪接收仪，同步显示器，以及钻杆位移测量装置，钻杆位移测量装置包括钻杆在线检测单元31、齿数计数单元32和信号处理单元33。信号处理单元33可以设置在跟踪接收仪或同步显示器内，也可以为独立的装置。

其中，钻杆在线检测单元31用于检测当前钻机上是否安装有钻杆1用于钻进，其安装在钻机上靠近钻杆1的位置，优选的，为接近传感器。当钻机上没有钻杆1时，钻杆在线检测单元31不产生信号；当钻杆1被安装到钻机上时，钻杆在线检测单元31由于钻杆1的存在，产生一个感应信号，并传递到信号处理单元33，由此信号处理单元33判断此时钻机上安装有钻杆1。

钻机动力头21安装在钻架22上，与齿轮23连接，齿轮23与齿条24啮合并可在齿条24上滚动，齿条24沿钻杆1延伸方向固定安装在钻架22上。由于齿轮23被钻机动力头21驱动后，在齿条24上旋转滚动产生反作用力，带动钻机动力头21移动，由此带动钻杆1前进或后退。

齿数计数单元32靠近齿轮23或齿条24设置，优选的为齿轮传感器，当齿轮23或齿条24的齿顶靠近时，由于电磁感应，齿轮传感器产生一个脉冲信号，由此信号处理单元33可以记录齿轮23或齿条24移动过的齿数。当齿轮23转动或钻机动力头21沿着齿条24移动时，齿轮23或齿条24的单齿通过齿数计数单元21时都会产生一个信号，并传递到信号处理单元33，信号处理单元33通过产生的信号数量从而获得单齿通过齿数计数单元21的总数量。在两个检测的时间点之间，根据通过的单齿数，结合齿轮23或齿条24的几何参数，由此可以计算出钻机动力头21的位移量，当钻机上安装有钻杆1时，钻机动力头21的位移量即相当于钻杆1的位移量(前进或后退的长度)。

钻机动力头21在前进和后退的过程中，齿轮23或齿条24的单齿相对于齿数计数单元21的移动方向不同，齿数计数单元21能够产生不同的信号(此处可设置两个齿轮传感器，前进和后退时两个齿轮传感器接收到信号的顺序不同)，信号处理单元33根据接收到的不同信号可以判断当前钻机动力头21移动的方向。

参见图2，为齿数计数单元32可替代的实施例，在钻架22上设置有滑动变阻器34，连接到信号处理单元33，在钻机动力头21上设置有电刷35，滑动变阻器34和电刷35具有良好的电气性能接触。当钻机动力头21移动带动电刷35在滑动变阻器34上移动时，导致滑动变阻器34的输出电阻改变，从而影响电流和电压的输出大小，信号处理单元33可根据滑动变阻器34的信号输出强度计算得到一段时间内电刷35在滑动变阻器34上滑过的距离，从而得到钻机动力头21的位移量，即得到钻杆1的位移量。

可替代的，也可以在驱动动力头21上设置激光测距仪或者超声波测距仪，在钻架22上设置标靶，通过激光或者超声波测量到标靶的距离可以得到钻机动力头21的位移量，即得到钻杆1的位移量。

非开挖导向仪的探棒安装在钻杆1末端的钻头上，得到钻杆1的钻进位移量后，该位移量即钻头的位移量，由此可以计算钻杆1的钻头实时的深度。参见图5，a为第一个检测时间点钻头的位置-上测点，b为第二个检测时间点钻头的位置-下测点，α₁为上测点a的倾角，α₂为下测点b的倾角，上述两个角度值可以由非开挖导向仪的探棒发出的信号得到，该信号不会受到环境因素的干扰；ΔS为上测点a和下测点b之间的直线距离，在本实施例中，假设钻杆1的位移轨迹为一条直线，则ΔS＝ΔL，ΔL即上文所述的钻杆1的位移量，钻杆1前进时ΔL为正值，钻杆1后退时ΔL为负值，ΔH为检测的两个时间点之间钻头的深度变化量。

采用平均角法计算深度变化量ΔH，取则ΔH＝ΔL·cosα，ΔP＝sinα·ΔL，ΔP为所计算时间段内钻头起点(即上测点a)到终点(即下测点b)位置的直线距离在水平面的投影。在实际的施工过程中，钻杆1前进或后退的轨迹并不为上测点a和下测点b之间的直线，用两点之间的直线近似钻杆1的轨迹，当检测的两个时间点无限接近时，则上测点a和下测点b之间的直线可以无限逼近钻杆1实际的轨迹。

可替代的，也可以假设钻杆1的位移为一条圆弧，参见图6，则此时， $\mathrm{\Δ}S=2\·\frac{180\·\mathrm{\Δ}L}{\mathrm{\π}({\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1)}sin\frac{({\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1)}{2},\mathrm{\Δ}H=\mathrm{\Δ}S\·cos\mathrm{\α},$ $\mathrm{\Δ}P=2\·\frac{180\·\mathrm{\Δ}L}{\mathrm{\π}({\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1)}sin\frac{({\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1)}{2}sin\frac{{\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2}{2}.$ 第一次测量时基准的深度为零，则当前实时的深度为ΔH，第二次测量时则由第一次测得的钻头的深度与当前计算得到的ΔH即可得到当前钻头实时的深度，钻头前进时ΔH为正值，钻头后退时则ΔH为负值，以此类推。

在此基础上，还可以计算钻头在这段时间内的偏航角变化量，参见图7，信号处理单元33根据ΔE＝ΔP·sinβ计算上述一段时间内钻头的偏航位置变化量ΔE，其中β₁为第一个检测时间点探棒轴线在水平面投影的偏航角，β₂为第二个检测时间点探棒轴线在水平面投影的偏航角，第一次测量时，需要选择一个参考方向，通常以钻头入土时探棒轴线在水平面的投影为计算偏航位置的参考基准线，以该参考基准线得到当前实时偏航位置。第二次测量时以第一次测量得到的偏航位置结合ΔE得到钻头的实时偏航位置，以此类推。

信号处理单元33将上述测量后得到的实时深度以及偏航位置传送到跟踪接收仪(当信号处理单元33设于跟踪接收仪内时则无需传送)，以便手持该跟踪接收仪的操作人员及时指挥钻机操作人员进行合适的操作。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理前提下，还可以做出多种变形和改进，这也应该视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种非开挖导向仪，所述非开挖导向仪应用的钻机包括钻机动力头(21)，安装在钻机动力头(21)上的钻杆(1)，所述非开挖导向仪包括安装在钻杆(1)末端钻头上的探棒、跟踪接收仪以及同步显示器，其特征在于，所述非开挖导向仪还包括钻杆位移测量装置，所述钻杆位移测量装置包括靠近钻杆(1)地面部分设置的钻杆在线检测单元(31)，实时检测钻杆(1)位移的位移检测单元，以及接收钻杆在线检测单元(31)和位移检测单元的信号从而计算钻头深度或偏航角的信号处理单元(33)；所述钻机动力头(21)安装在钻架(22)上，在所述钻架(22)上设置有连接到信号处理单元(33)的滑动变阻器(34)，在钻机动力头(21)上设置有电刷(35)，所述电刷(35)和滑动变阻器(34)电气接触。

2.一种非开挖导向仪的测量方法，使用如权利要求1所述的非开挖导向仪，其特征在于，包括如下步骤：

1)信号处理单元(33)根据钻杆在线检测单元(31)检测到的当前信号判断钻机上是否安装有钻杆(1)，如果有，信号处理单元(33)记录探棒发送的当前钻头的倾角α₁，并进行步骤2)；

2)信号处理单元(33)根据位移检测单元在钻杆(1)钻进一段时间后的信号计算钻杆(1)在上述一段时间内的位移量ΔL，判断钻杆(1)的运动方向，并记录当前钻头的倾角α₂；

3)信号处理单元(33)根据ΔL得到上述一段时间的起点到终点钻头位置的直线距离ΔS，根据公式ΔH＝ΔS·cosα计算上述一段时间内钻头的深度变化量ΔH，其中首次测量时ΔH为钻头的实时深度，第二次测量时以第一次测量得到的深度结合ΔH得到钻头的实时深度，以此类推。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述钻杆(1)的运动轨迹为直线，则ΔS＝ΔL。

4.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述钻杆(1)的运动轨迹为圆弧，则

5.如权利要求2～4中任一项所述的测量方法，其特征在于，在步骤1)中，当钻机上没有钻杆(1)时，钻杆在线检测单元(31)不产生信号；当钻杆(1)被安装到钻机上时，钻杆在线检测单元(31)产生一个感应信号，信号处理单元(33)根据该感应信号判断此时钻机上安装有钻杆(1)。

6.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，信号处理单元(33)还根据ΔE＝ΔP·sinβ计算钻头的实时偏航位置，其中，ΔE为钻头的偏航角变化量，ΔP为上述一段时间内钻头起点到终点钻头位置的直线距离在水平面的投影，β₁为上述一段时间初始时刻探棒轴线在水平面投影的偏航角，β₂为上述一段时间结束时刻探棒轴线在水平面投影的偏航角，第一次测量时，选择一个参考基准线，结合ΔE得到钻头的实时偏航位置；第二次测量时以第一次测量得到的偏航位置结合ΔE得到钻头的实时偏航位置，以此类推。