隧道工程自动化激光测量放样系统研发与应用

0引言

目前，我国岩质隧道工程开挖方法基本采用TBM法和钻爆法，由于TBM装备比较昂贵，操作技术比较复杂，适用条件有限，仍未被广泛采用[1-4]。我国的隧道工程钻爆法施工技术经历了钢钎打孔—风钻钻孔—凿岩台车钻孔跨越式的技术进步，取得了显著的技术成果，隧道爆破安全状况有了较大的改善。由于钻爆法相关配套技术的进步和其较高的经济性价比，可以预见钻爆法在未来一段时期内，仍将占据隧道工程开挖的主导地位[5-7]。爆破设计是钻爆法隧道开挖的关键技术，钻孔位置(周边眼、掏槽眼、其他掘进孔位置)、钻孔深度、钻孔间距和平行度精度要求是钻爆法爆破设计的关键参数，尤其是炮孔孔位必须精准定位才能达到爆破设计的效果。实践中，钻爆法的爆破设计孔位在掌子面上的定位以及初期支护时格栅钢架的定位，多数还是采用“全站仪+人工打点”的方式，这种方式动用人工多、效率低下且孔位精准度不易控制，同时也存在高空坠落、物体打击等安全隐患[8-10]。

随着我国安全、环保、快速、机械化的隧道建设理念日渐深入人心，劳动力成本日益增长，这对隧道工程建设的机械化、自动化提出了更高的要求[11-12]。国内外隧道工程实际应用中，关于炮孔定位以及格栅拱架安装自动化激光定位方面的文献报道并不多。国际上，20世纪80—90年代美国和中国台湾的工程技术人员研发了利用激光发射装置定位隧道爆破孔位的设备，但这些设备由于存在以下几个方面的缺陷并未被广泛应用： 1)采用“氦氖(气体)激光器”生成激光图形，但“氦氖(气体)激光器”长期使用容易漏气，使用寿命较短，尤其是在有较大振动、冲击波的环境中使用，缺点尤为突出。2)“氦氖(气体)激光器”需要较高的稳频条件，较大功率的成本很高(经在有雾霾、烟尘较大的隧道中实际验证得知，要满足现场仪器距掌子面距离大于50 m的环境使用，激光功率至少要500 mW)。3)不具有自动测距功能。图形上任意1点X、Y坐标值的确定取决于α角(X轴摆角)、β角(Y轴摆角)和仪器到隧道掌子面的距离d，而他们采用的扫描头、控制驱动装置只能获取α角、β角，不能自动获取仪器到隧道掌子面的距离d(还需人工测量补充)，属于一种半自动化产品，效率较低。4)仪器安装在三脚架上，放置在隧道路面中间，与施工作业人员、机械、车辆等相互影响，效率较低，且作业距离较短，存在很大的安全隐患。5)只能实现爆破孔位图放样，不能投射格栅拱架图形，功能单一。

国内方面，广西大学罗俊教授、武汉理工大学赵利坤教授联合开发了一种半自动化的激光投射装置[13]，但同样也不具有自动获取仪器到隧道掌子面距离d和指导格栅拱架安装等功能，每爆破循环施工后还需要人工测量并输入下一循环掌子面需要的爆破设计参数图形，占用了工序时间，效率不高，同时该设备放在地面上，存在一定的安全隐患。中交路桥孔庆波等[14]利用激光导向仪代替全站仪进行隧道开挖和初期支护放样等工作，以单束激光线为基准，根据穿线放样测量原理，确定沿隧道纵向的中线断面，在断面上选取1个点作为控制点控制隧道测量施工。这种方法只是粗略地指引隧道开挖和初期支护，还需要人工采用尺量的方式确定爆破孔位位置，效率较低且精准性不易控制。

鉴于目前国内外激光放样技术发展现状，苏州北璇履方工程科技公司采用泵浦YAG(固体)激光器作为发射源，通过远程投射方法实现隧道开挖过程中钻孔爆破图形自动放样以及初期支护时为格栅拱架安装提供准确的边线轮廓位置，提出了一种快速、准确、安全、低成本的测量放样技术方案，并研发了第1代隧道开挖与支护全自动化激光测量放样设备及配套软件系统(北斗激光图像定位仪Big Dipper laser image locator, 缩写为BLIL)。

1全自动测量放样系统研发

1.1研发思路与技术方案

针对当前工程建设领域隧道、巷道围岩开挖钻爆设计炮孔定位以及初期支护时格栅钢架的定位不准确、效率低以及不安全的问题，提供了一种定位准确快速、使用安全的远程投射式技术方案及其配套设备。

1.1.1 技术方案

1)该设备可用于直线、曲线及各种形状隧道施工。1次安装直线段可使用150 m，曲线段也可使用70(曲率半径2 000 m)～100 m。在施工前，可一次性将设计图中各个断面的桩号和断面数据输入，系统会自动完整地描述整条隧道形状，只要输入桩号就会显示出该断面的标准图形。也可在钻孔作业前，打开设备，无需人工测量放点，BLIL就会按自身测距激光数据将该断面钻孔布置图投射至掌子面上，在掌子面不断向前延伸的基础上，系统按测距数据自动分析计算投射出标准断面图(与里程桩号相匹配)。

文章来源：《激光杂志》 网址: http://www.jgzzzz.cn/qikandaodu/2020/0929/482.html