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摘要:針對隧道工程鉆爆法開挖過程中鉆爆設(shè)計(jì)圖形放樣、初期支護(hù)拱架安裝定位精確度不高的問題,通過分析國內(nèi)外隧道工程開挖與初期支護(hù)采用的測量放樣技術(shù),提出基于激光的全自動測量放樣技術(shù)方案,并研發(fā)了配套設(shè)備。工程試驗(yàn)結(jié)果表明,該技術(shù)及配套設(shè)備,具有安裝使用簡單、運(yùn)行安全可靠、定位精準(zhǔn)等特點(diǎn),能夠發(fā)揮隧道開挖及初期支護(hù)全自動化快速施工測量放樣的技術(shù)優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞:隧道工程;測量放樣;激光;自動化;北斗激光圖像定位儀

引言

目前,我國巖質(zhì)隧道工程開挖方法基本采用TBM法和鉆爆法,由于TBM裝備比較昂貴,操作技術(shù)比較復(fù)雜,適用條件有限,仍未被廣泛采用[1-4]。我國的隧道工程鉆爆法施工技術(shù)經(jīng)歷了鋼釬打孔—風(fēng)鉆鉆孔—鑿巖臺車鉆孔跨越式的技術(shù)進(jìn)步,取得了顯著的技術(shù)成果,隧道爆破安全狀況有了較大的改善。由于鉆爆法相關(guān)配套技術(shù)的進(jìn)步和其較高的經(jīng)濟(jì)性價比,可以預(yù)見鉆爆法在未來一段時期內(nèi),仍將占據(jù)隧道工程開挖的主導(dǎo)地位[5-7]。爆破設(shè)計(jì)是鉆爆法隧道開挖的關(guān)鍵技術(shù),鉆孔位置(周邊眼、掏槽眼、其他掘進(jìn)孔位置)、鉆孔深度、鉆孔間距和平行度精度要求是鉆爆法爆破設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù),尤其是炮孔孔位必須精準(zhǔn)定位才能達(dá)到爆破設(shè)計(jì)的效果。實(shí)踐中,鉆爆法的爆破設(shè)計(jì)孔位在掌子面上的定位以及初期支護(hù)時格柵鋼架的定位,多數(shù)還是采用“全站儀+人工打點(diǎn)”的方式,這種方式動用人工多、效率低下且孔位精準(zhǔn)度不易控制,同時也存在高空墜落、物體打擊等安全隱患[8-10]。隨著我國安全、環(huán)保、快速、機(jī)械化的隧道建設(shè)理念日漸深入人心,勞動力成本日益增長,這對隧道工程建設(shè)的機(jī)械化、自動化提出了更高的要求[11-12]。國內(nèi)外隧道工程實(shí)際應(yīng)用中,關(guān)于炮孔定位以及格柵拱架安裝自動化激光定位方面的文獻(xiàn)報道并不多。國際上,20世紀(jì)80—90年代美國和中國臺灣的工程技術(shù)人員研發(fā)了利用激光發(fā)射裝置定位隧道爆破孔位的設(shè)備,但這些設(shè)備由于存在以下幾個方面的缺陷并未被廣泛應(yīng)用:1)采用“氦氖(氣體)激光器”生成激光圖形,但“氦氖(氣體)激光器”長期使用容易漏氣,使用壽命較短,尤其是在有較大振動、沖擊波的環(huán)境中使用,缺點(diǎn)尤為突出。2)“氦氖(氣體)激光器”需要較高的穩(wěn)頻條件,較大功率的成本很高(經(jīng)在有霧霾、煙塵較大的隧道中實(shí)際驗(yàn)證得知,要滿足現(xiàn)場儀器距掌子面距離大于50m的環(huán)境使用,激光功率至少要500mW)。3)不具有自動測距功能。圖形上任意1點(diǎn)X、Y坐標(biāo)值的確定取決于α角(X軸擺角)、β角(Y軸擺角)和儀器到隧道掌子面的距離d,而他們采用的掃描頭、控制驅(qū)動裝置只能獲取α角、β角,不能自動獲取儀器到隧道掌子面的距離d(還需人工測量補(bǔ)充),屬于一種半自動化產(chǎn)品,效率較低。4)儀器安裝在三腳架上,放置在隧道路面中間,與施工作業(yè)人員、機(jī)械、車輛等相互影響,效率較低,且作業(yè)距離較短,存在很大的安全隱患。5)只能實(shí)現(xiàn)爆破孔位圖放樣,不能投射格柵拱架圖形,功能單一。國內(nèi)方面,廣西大學(xué)羅俊教授、武漢理工大學(xué)趙利坤教授聯(lián)合開發(fā)了一種半自動化的激光投射裝置[13],但同樣也不具有自動獲取儀器到隧道掌子面距離d和指導(dǎo)格柵拱架安裝等功能,每爆破循環(huán)施工后還需要人工測量并輸入下一循環(huán)掌子面需要的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)圖形,占用了工序時間,效率不高,同時該設(shè)備放在地面上,存在一定的安全隱患。中交路橋孔慶波等[14]利用激光導(dǎo)向儀代替全站儀進(jìn)行隧道開挖和初期支護(hù)放樣等工作,以單束激光線為基準(zhǔn),根據(jù)穿線放樣測量原理,確定沿隧道縱向的中線斷面,在斷面上選取1個點(diǎn)作為控制點(diǎn)控制隧道測量施工。這種方法只是粗略地指引隧道開挖和初期支護(hù),還需要人工采用尺量的方式確定爆破孔位位置,效率較低且精準(zhǔn)性不易控制。鑒于目前國內(nèi)外激光放樣技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,蘇州北璇履方工程科技公司采用泵浦YAG(固體)激光器作為發(fā)射源,通過遠(yuǎn)程投射方法實(shí)現(xiàn)隧道開挖過程中鉆孔爆破圖形自動放樣以及初期支護(hù)時為格柵拱架安裝提供準(zhǔn)確的邊線輪廓位置,提出了一種快速、準(zhǔn)確、安全、低成本的測量放樣技術(shù)方案,并研發(fā)了第1代隧道開挖與支護(hù)全自動化激光測量放樣設(shè)備及配套軟件系統(tǒng)(北斗激光圖像定位儀BigDipperlaserimagelocator,縮寫為BLIL)。

1全自動測量放樣系統(tǒng)研發(fā)

1.1研發(fā)思路與技術(shù)方案

針對當(dāng)前工程建設(shè)領(lǐng)域隧道、巷道圍巖開挖鉆爆設(shè)計(jì)炮孔定位以及初期支護(hù)時格柵鋼架的定位不準(zhǔn)確、效率低以及不安全的問題,提供了一種定位準(zhǔn)確快速、使用安全的遠(yuǎn)程投射式技術(shù)方案及其配套設(shè)備。

1.1.1技術(shù)方案1)該設(shè)備可用于直線、曲線及各種形狀隧道施工。1次安裝直線段可使用150m,曲線段也可使用70(曲率半徑2000m)~100m。在施工前,可一次性將設(shè)計(jì)圖中各個斷面的樁號和斷面數(shù)據(jù)輸入,系統(tǒng)會自動完整地描述整條隧道形狀,只要輸入樁號就會顯示出該斷面的標(biāo)準(zhǔn)圖形。也可在鉆孔作業(yè)前,打開設(shè)備,無需人工測量放點(diǎn),BLIL就會按自身測距激光數(shù)據(jù)將該斷面鉆孔布置圖投射至掌子面上,在掌子面不斷向前延伸的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)按測距數(shù)據(jù)自動分析計(jì)算投射出標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(與里程樁號相匹配)。2)該設(shè)備不超過12kg,便于攜帶。距掌子面一定距離(初次安裝可設(shè)在100m左右),借助全站儀將機(jī)箱牢固固定在隧道頂板中線位置上(設(shè)有智能調(diào)整平臺,安裝時間不超過1h;設(shè)計(jì)有防護(hù)鋼板,防止飛石破壞儀器),指令發(fā)送可在安全距離之外通過移動終端或電腦操作。3)該設(shè)備盡量安裝在隧道中心線豎直方向上,在不影響機(jī)器設(shè)備運(yùn)行的情況下盡量靠近隧道頂部,一般距離小于900mm。4)安置好設(shè)備后,通過水平氣泡整平對中,并打開設(shè)備震鏡激光及測距激光,通過全站儀測定儀器靶標(biāo)中心三維坐標(biāo)及工作面震鏡激光點(diǎn)位置三維坐標(biāo),儀器震鏡照射在工作面的激光點(diǎn)也要在中心豎直方向上,盡量使得激光點(diǎn)及儀器中心點(diǎn)在同一高程上。該過程需要設(shè)備和全站儀配合工作,以使設(shè)備豎軸垂直、水平軸水平,設(shè)備中心、激光點(diǎn)在中心線上,水平方向?qū)嶋H偏差≤5mm即可。通過全站儀測量,得到激光光路坡度、方位角,有了激光點(diǎn)三維坐標(biāo)還可以算出和中心線的交點(diǎn)切線方位角及里程樁號,進(jìn)而得到對應(yīng)的斷面輪廓。5)鉆孔工作人員按投射在隧道掌子面上的鉆爆設(shè)計(jì)圖,直接按光點(diǎn)位置進(jìn)行鉆孔作業(yè),能夠保證隧道(巷道)輪廓及爆破設(shè)計(jì)方案的精準(zhǔn)執(zhí)行(150m距離誤差小于2cm)。6)初期支護(hù)時,無需人工測量定位,BLIL按照位置測距指令自動投射指導(dǎo)拱架施工的激光光環(huán)(自動識別該處里程所對應(yīng)的設(shè)計(jì)圖紙),指導(dǎo)作業(yè)人員準(zhǔn)確地安裝格柵拱架。

1.1.2技術(shù)原理北斗激光圖像定位儀由激光定向儀硬件和軟件系統(tǒng)組成,采用激光發(fā)生器振鏡原理并結(jié)合激光測距功能,可在隧道施工作業(yè)面上,按設(shè)計(jì)斷面尺寸智能投射開挖進(jìn)尺的斷面或輪廓線。該設(shè)備是一種用智能化人機(jī)交互方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離激光投射鉆爆設(shè)計(jì)圖像、進(jìn)行隧道掘進(jìn)初期支護(hù)定位的系統(tǒng)。首先,通過專用軟件,將設(shè)計(jì)圖紙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為BLIL可識別的掃描圖形,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖形尺寸的自動跟隨(與掌子面樁號相匹配);其次,進(jìn)行激光圖形掃描達(dá)到投射圖像與設(shè)計(jì)圖紙圖形相同的目的,指導(dǎo)施工。技術(shù)原理示意圖見圖1。1)通過終端系統(tǒng),無線藍(lán)牙模塊向BLIL發(fā)送指令,BLIL自動獲取當(dāng)前位置與掌子面目標(biāo)之間的距離d,通過無線藍(lán)牙模塊反饋給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)經(jīng)過處理確定合適的掃描振鏡的角度θ。2)根據(jù)激光斷面儀與掌子面目標(biāo)之間的距離d與掃描振鏡的角度θ確定所需圖形,并在電腦中轉(zhuǎn)換,生成振鏡系統(tǒng)可辨析的掃描圖形。3)將2)生成的掃描圖形通過無線藍(lán)牙模塊回饋給X/Y振鏡解碼板,控制泵浦激光器系統(tǒng),并經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換板、X/Y振鏡驅(qū)動板、激光發(fā)射天線單元、振鏡系統(tǒng)單元處理,將處理后的掃描圖形在掌子面上投射出激光點(diǎn)(輪廓帶)。4)掃描振鏡的角度θ隨著距離的變化而發(fā)生變化,以保持激光斷面儀投射方向與事先設(shè)定方向一致,并且使振鏡在不同距離下投射圖形尺寸大小相同,即投射圖形的半徑H=dtanθ(d為激光斷面儀到斷面的水平距離,θ為激光斷面儀投射光束的張角)。

1.1.3BLIL系統(tǒng)組成BLIL系統(tǒng),見圖2,包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2個部分。1.1.3.1硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)包括機(jī)箱、定位調(diào)試系統(tǒng)、激光發(fā)射部分、振鏡系統(tǒng)、電源部分、激光自定位系統(tǒng)及專用軟件,激光發(fā)射部分、振鏡系統(tǒng)及電源部分都設(shè)置在機(jī)箱內(nèi)。激光發(fā)射部分包括無線藍(lán)牙模塊、激光測距儀、控制泵浦激光器系統(tǒng)、激光發(fā)射天線單元以及激光專用電源;振鏡系統(tǒng)包括X/Y振鏡解碼板、D/A轉(zhuǎn)換板、X/Y振鏡驅(qū)動板;電源部分包括DC/DC電源模塊和開關(guān)電源模塊。機(jī)箱設(shè)置有箱蓋、連接塊、定位卡緊件、安裝板、空心軸、契銷;其中,箱蓋連接塊連接定位卡緊件,定位卡緊件通過組合螺母連接安裝板,安裝板連接空心軸,空心軸通過雙頭螺栓連接契銷及契型脹銷固定。1.1.3.2軟件系統(tǒng)專門開發(fā)的軟件系統(tǒng)可根據(jù)錄入的設(shè)計(jì)資料實(shí)時分析計(jì)算斷面輪廓、隧道走向和坡向數(shù)據(jù),控制儀器在隧道工作面投射斷面圖指導(dǎo)施工。軟件操作界面簡潔,對計(jì)算機(jī)要求不高,操作簡便,如圖3所示。

2BLIL系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)

為了掌握BLIL在隧道開挖及初期支護(hù)測量放樣過程的實(shí)際性能,BLIL系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)完成后,分別在北京至沈陽鐵路客運(yùn)專線J-1標(biāo)三棱山隧道、哈爾濱至牡丹江鐵路客運(yùn)專線站前工程SG-6標(biāo)紅旗溝隧道、新建衢州至寧德鐵路QNZJZQ-3標(biāo)黃塢隧道進(jìn)行了3次設(shè)備定型試驗(yàn)(見圖4),測試該系統(tǒng)的基本功能(見圖5),先后檢驗(yàn)了BLIL系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境下的應(yīng)用效果。

2.1BLIL系統(tǒng)功能

現(xiàn)場操作表明,該系統(tǒng)安裝簡單、快捷、易操作,能顯著提高拱架的安裝速度,提高施工的科技含量,使用中每個循環(huán)可以節(jié)省1個多h,同時可以提高布眼的準(zhǔn)確率,大量減少由于超挖帶來的混凝土用量,現(xiàn)場作業(yè)工人及管理人員對設(shè)備的自動化、精準(zhǔn)性及高效性等給予高度肯定。通過現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下基本功能:1)激光自動測距。將所測的距離參數(shù)d輸入電腦能夠自動匹配當(dāng)前掌子面所對應(yīng)的鉆爆設(shè)計(jì)圖形,實(shí)現(xiàn)圖形自動跟隨功能,使投射到掌子面的激光圖形與該里程樁號爆破設(shè)計(jì)圖紙保持一致。2)由X/Y掃描振鏡、X/Y馬達(dá)、X/Y微型測角原件、X/Y控制電路及X/Y振鏡解碼器板組成的智能化X/Y振鏡系統(tǒng),可以自動且精確地獲取掌子面上任意1點(diǎn)X和Y方向的轉(zhuǎn)角(α、β角)。3)X/Y驅(qū)動馬達(dá)與控制電路之間設(shè)有絕對式微測角編碼器,可以對馬達(dá)的轉(zhuǎn)角進(jìn)行精準(zhǔn)地測量和控制,即能夠?qū)︸R達(dá)連接的振鏡的擺動角度進(jìn)行精準(zhǔn)測量與控制。4)系統(tǒng)設(shè)置的2個附加半導(dǎo)體激光器,可以監(jiān)控爆破作業(yè)后機(jī)箱的移動情況,如有移動,可重新對掛在洞頂?shù)膬x器進(jìn)行調(diào)整,能起到保證監(jiān)測可靠的作用。5)當(dāng)CAD原始圖參數(shù)通過電腦輸入主機(jī)后,電腦部分可整體移到隧道之外,儀器的工作指令可通過手機(jī)、PAD等移動端進(jìn)行遠(yuǎn)程無線操控。

2.2BLIL系統(tǒng)不足

通過試驗(yàn),也發(fā)現(xiàn)BLIL系統(tǒng)還有需進(jìn)一步深入研究和改進(jìn)的地方:1)可增加隧道斷面儀的功能,用于隧道初期支護(hù)前超欠挖統(tǒng)計(jì)以及初期支護(hù)后、二次襯砌后的斷面檢查。2)軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面還需改善和提高。3)主機(jī)質(zhì)量12kg對于大斷面隧道而言,安裝仍然不易,設(shè)備在輕量化、小型化方面還需進(jìn)一步優(yōu)化。

3結(jié)論與體會

通過全自動隧道激光測量放樣系統(tǒng)的研發(fā)和實(shí)踐,突破了無法自動獲取儀器到掌子面距離、爆破圖形自動跟隨、無線數(shù)據(jù)傳輸及指令下達(dá)等核心技術(shù)融合難題,很好地實(shí)現(xiàn)了隧道工程開挖及支護(hù)過程中測量放樣自動、高效、精準(zhǔn)的目的,為實(shí)現(xiàn)隧道施工機(jī)械化、自動化提供了一種可行的技術(shù)方案。1)BLIL系統(tǒng)能夠顯著提高爆破作業(yè)鉆孔精準(zhǔn)度和快速定位初期支護(hù)格柵拱架安裝位置,提高了工作效率,且保證了作業(yè)人員的安全。2)設(shè)備集成度高,安裝調(diào)試便捷,能耗低,數(shù)據(jù)傳輸、指令下達(dá)均可遠(yuǎn)程操作,隧道后續(xù)施工中交叉干擾可忽略不計(jì)。3)國內(nèi)外同類產(chǎn)品和技術(shù)方案存在著一些沒有解決的問題,因而使得激光測量放樣技術(shù)及配套設(shè)備一直未能廣泛推廣應(yīng)用。本文闡述的自動化激光測量放樣系統(tǒng),是針對目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品存在的不足進(jìn)行的自主創(chuàng)新,是為推進(jìn)我國隧道施工技術(shù)進(jìn)步作出的努力和嘗試。隨著BLIL系統(tǒng)的進(jìn)一步完善,后續(xù)將增加隧道斷面掃描功能,進(jìn)一步輕量化、小型化主機(jī),降低安裝難度,升級軟件系統(tǒng),保證BLIL系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

作者：王巍謝爽劉寶許石新棟單位：中國交通建設(shè)股份有限公司廣州市軌道交通十二號線總承包項(xiàng)目經(jīng)理部