激光自動(dòng)找平技術(shù)在南水北調(diào)渠床整理施工中的應(yīng)用

□張玉波 □余良碧（中國水利水電第十一工程局有限公司）

1.前言

南水北調(diào)中線工程是一項(xiàng)跨流域、跨省市的特大型水利工程，是改善我國水資源配置、實(shí)現(xiàn)全面建設(shè)小康社會(huì)宏偉目標(biāo)的重大基礎(chǔ)性戰(zhàn)略工程。沿線主要有明渠、倒虹吸、渡槽、地涵等建筑物組成，其中以明渠工程占據(jù)比例最大。渠道設(shè)計(jì)方案對(duì)渠床基礎(chǔ)面質(zhì)量要求在不擾動(dòng)原狀土的情況下平整度達(dá)到2 m靠尺檢測(cè)<10 mm，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)較高。針對(duì)工程特點(diǎn)，如何確保大型渠床整理達(dá)到高精度質(zhì)量要求，同時(shí)既能避免原基面長(zhǎng)時(shí)間暴露又能及時(shí)為后續(xù)作業(yè)工序提供作業(yè)面，形成與渠道襯砌混凝土機(jī)械化澆筑速度相匹配的渠床整理施工技術(shù)，成為提高渠道施工水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。公司以承攬的南水北調(diào)中線漳古段SG8標(biāo)渠道工程為依托，圍繞著這一關(guān)鍵工序，擺脫傳統(tǒng)觀念束縛，引進(jìn)激光自動(dòng)控制找平技術(shù)，應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)反鏟、推土機(jī)、平地機(jī)等常用設(shè)備上，結(jié)合南水北調(diào)渠道施工工況探索出一套高效、經(jīng)濟(jì)的渠床高精度整理的施工方法。

2.工程概況

SG8標(biāo)段位于河北省內(nèi)丘縣境內(nèi)，渠道起點(diǎn)樁號(hào)121+985，終點(diǎn)樁號(hào)133+870，標(biāo)段全長(zhǎng)11.885 km，其中渠道長(zhǎng)11.325 km?？偢汕^水?dāng)嗝娌捎锰菪螖嗝妫O(shè)計(jì)底寬18.5～22.0 m，設(shè)計(jì)邊坡1:2.0～1：2.75。整個(gè)過水?dāng)嗝娌捎矛F(xiàn)澆混凝土襯砌，襯砌厚度渠底8 cm，渠坡10cm。襯砌板底分別鋪設(shè)有復(fù)合土工膜防滲層和4 cm厚擠塑聚苯乙烯泡沫塑料保溫板?？偢汕湫蛿嗝嬉妶D1。

圖1 總干渠典型斷面圖

3.激光控制機(jī)械自動(dòng)找平工作原理

激光控制機(jī)械自動(dòng)找平系統(tǒng)是用于對(duì)施工作業(yè)面進(jìn)行高精度平整的光機(jī)電液一體化自動(dòng)控制設(shè)備，是專門與相關(guān)施工機(jī)械配套并提高其自動(dòng)化水平的重要手段，是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的整平作業(yè)技術(shù)之一。該系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、激光接收器、激光傳感器、控制器和液壓工作站這五大部件組成。在施工機(jī)械上安裝激光控制機(jī)械自動(dòng)找平系統(tǒng)，它利用激光束產(chǎn)生的平面作為非視覺控制手段代替操作人員的目測(cè)判斷能力做為控制基準(zhǔn)，用以控制施工機(jī)具刀口的升降高度。通過液壓伺服系統(tǒng)操縱機(jī)械工作，完成土地平整作業(yè)，其施工精度很高。

4.渠床整理施工及激光找平技術(shù)應(yīng)用

渠坡坡面附近開挖施工分3步進(jìn)行，第一用反鏟挖除給定坡比和高程（預(yù)留保護(hù)層）的雛形。第二是在襯砌前精確測(cè)量，反鏟粗削坡開挖，偏差嚴(yán)格控制在預(yù)留保護(hù)層厚度15 cm以內(nèi)。第三采用自動(dòng)削坡機(jī)精削至設(shè)計(jì)建基面；渠底修整與渠坡道理相同，只是使用機(jī)械不同，反鏟開挖預(yù)留保護(hù)層后，采用推土機(jī)粗平、平地機(jī)精確刮平至設(shè)計(jì)建基面。

在施工過程中反鏟粗削坡工序、渠底推土機(jī)粗平工序、渠底平地機(jī)精確找平工序施工中應(yīng)用激光控制機(jī)械自動(dòng)找平系統(tǒng)，充分發(fā)揮設(shè)備性能，利用激光束產(chǎn)生的平面作為非視覺控制基準(zhǔn)，準(zhǔn)確控制機(jī)械的運(yùn)行軌跡，達(dá)到精細(xì)化施工的目的。

4.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用

渠道坡度控制的關(guān)鍵是削坡施工環(huán)節(jié)，為了探索又快又準(zhǔn)的削坡工藝，嘗試在反鏟上應(yīng)用激光自動(dòng)找平技術(shù)。應(yīng)用時(shí)取消了激光發(fā)射源及接收器，簡(jiǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為VL坡度修正儀，僅由傳感器、顯示器、信號(hào)燈組成。各部件之間通過電纜連接，通過安裝在挖斗、小臂、大臂、機(jī)身四處的傳感器，它們感受各部位的重力加速度變化，將立體三維空間的數(shù)值變化由控制器屏幕顯示出來，通過信號(hào)燈的指示，可使操作手實(shí)時(shí)作業(yè)正確判斷，達(dá)到精確削坡的目的，同時(shí)提高施工效率。施工前結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，選擇顯示器主菜單上的削坡項(xiàng)，輸入坡比的百分?jǐn)?shù)，按確定健，然后清零，這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)儲(chǔ)存記憶這一指令。機(jī)械手在削坡作業(yè)中就會(huì)從控制器屏幕上看到鏟斗工作時(shí)的角度變動(dòng)值，它給操作手提示坡度數(shù)值情況，每次反鏟在斜面或平地上行走發(fā)生移位變化時(shí)都要將斗鏟放置在已成型坡面上重新清零設(shè)定，然后再進(jìn)行施工，以確保參照標(biāo)準(zhǔn)的延續(xù)。經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果顯示坡度誤差為零，坡面高度正偏差5～10 cm，符合預(yù)先設(shè)定的精度要求。渠道開挖及削坡過程中只需測(cè)量人員測(cè)放出渠坡開口線或基底設(shè)計(jì)高程，設(shè)備操作手即可開展有結(jié)構(gòu)尺寸要求的基坑作業(yè)面施工，并可滿足任意坡比的開挖及削坡需求。

由于操作手在作業(yè)過程中不便隨時(shí)觀看顯示器，該系統(tǒng)安裝在駕駛室內(nèi)的LED燈就給出了一個(gè)直觀燈光信號(hào)提示，該燈自上而下分綠、藍(lán)、紅3種顏色，分別代表了欠挖、標(biāo)準(zhǔn)、超挖3種情況，輔助操作手及時(shí)完成即定的操作指令，使單機(jī)操作手即可開展有結(jié)構(gòu)尺寸要求的作業(yè)面施工。

4.2 激光自動(dòng)找平技術(shù)在推土機(jī)上的應(yīng)用

該系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、激光接收儀、自動(dòng)伸降桿、操作器等部件組成。其工作原理是利用激光束產(chǎn)生的平面（或坡面）作為非視覺控制手段引導(dǎo)操作手作出正確判斷，用以控制推土機(jī)刀口的升降高度。施工過程中，現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)好激光源后（通過激光發(fā)射器可形成自動(dòng)水平或一定坡度的激光面），當(dāng)推土機(jī)刀口的初始位置根據(jù)設(shè)計(jì)高程確定后，通過調(diào)整安裝在鏟刀上的自動(dòng)伸降桿將激光接收儀對(duì)準(zhǔn)激光源標(biāo)準(zhǔn)面。此時(shí)在推土機(jī)的行進(jìn)作業(yè)過程中，激光接收儀的信號(hào)指示燈和操作器顯示屏?xí)嬷僮魇值犊诟叱涛恢闷?，以便操作手快速?shí)時(shí)做出正確判斷，達(dá)到精確操作的目的，提高施工效率。

實(shí)際施工過程中推土機(jī)主要用于渠底，當(dāng)渠底精削成型時(shí)渠坡襯砌混凝土板已經(jīng)成型，這時(shí)可將坡腳齒槽混凝土頂面作為基準(zhǔn)面?，F(xiàn)場(chǎng)架好激光源后，將推土機(jī)鏟刀移至基準(zhǔn)面上，調(diào)整自動(dòng)伸降桿，當(dāng)接收器上的紅色指示燈出現(xiàn)“一”字形時(shí)，表明開挖基準(zhǔn)面已設(shè)定好，此時(shí)再將自動(dòng)伸降桿上調(diào)12 cm，這時(shí)的基準(zhǔn)面也就向下移動(dòng)了12 cm（包含渠底8 cm厚混凝土和4 cm厚保溫板），即渠底的設(shè)計(jì)高程，此方法便于現(xiàn)場(chǎng)快速校準(zhǔn)。推土機(jī)開始在所選定的渠段內(nèi)進(jìn)行推土，操作手始終根據(jù)激光接收器顯示的狀態(tài)去操縱手柄控制鏟刀的升降，保持鏟刀始終沿著基準(zhǔn)面推進(jìn)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量檢驗(yàn)，其高程誤差可以控制到5～10 cm。

4.3 激光自動(dòng)找平技術(shù)在平地機(jī)上的應(yīng)用

該系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、激光接收儀、激光傳感器、控制器和液壓工作站等部件組成。其工作原理是利用激光束產(chǎn)生的平面作為非視覺控制手段代替操作人員的目測(cè)判斷能力做為控制基準(zhǔn)，用以控制平地機(jī)具刀口的升降高度。激光控制平地作業(yè)時(shí)，一旦鏟運(yùn)機(jī)具刀口的初始位置根據(jù)設(shè)計(jì)高程確定后，無論地形如何起伏，受激光發(fā)射和接收系統(tǒng)的影響，控制器始終經(jīng)液壓升降系統(tǒng)將鏟運(yùn)刀口與平地參照面間的距離保持在某一恒定值，通過伺服液壓系統(tǒng)操縱平地鏟運(yùn)機(jī)具工作，完成土地平整作業(yè)，基面平整速度快、精度高。

平地機(jī)精平作為渠底精削成型的重要階段，使用過程中首先應(yīng)對(duì)系統(tǒng)清零。操作平地機(jī)將鏟運(yùn)刀口落至地面，上下調(diào)節(jié)安裝在設(shè)備桅桿上激光接收器的高度，當(dāng)接收器中心控制點(diǎn)位與激光源發(fā)射面水平，固定該接收器的位置，此時(shí)說明已經(jīng)調(diào)整好接收裝置；在顯示器上輸入鏟運(yùn)刀口與設(shè)計(jì)基面高差的修正值，這時(shí)平地機(jī)鏟刀在控制器的命令下操縱液壓閥組工作，相應(yīng)的液壓油缸自動(dòng)向下或向上一個(gè)修正值行程，達(dá)到施工所需要精平的目標(biāo)高程，然后關(guān)掉操作器的自動(dòng)開關(guān)，此時(shí)平地機(jī)已經(jīng)進(jìn)入整平待命狀態(tài)，再次打開操作器的自動(dòng)開關(guān)即完成了清零準(zhǔn)備，隨即可開始平地機(jī)的精平工作。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量檢測(cè)，經(jīng)過精平后的渠床基面高程滿足設(shè)計(jì)要求，控制精度在1 cm以內(nèi)。

5.渠床高精度找平施工技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)反鏟粗削坡后的坡面機(jī)械化精確平整，公司成功研制出具有自動(dòng)松土、精削坡和出土功能的渠道削坡機(jī)。該削坡機(jī)的結(jié)構(gòu)型式是以在軌道上行走的桁架作為工作平臺(tái)，通過安裝在桁架上的可自動(dòng)運(yùn)行的旋刀松土器、鏈齒型削坡裝置和輸料皮帶，通過操作室控制各部件，可同時(shí)完成松土、削坡、出土、裝車等相關(guān)削坡的所有工序。由于削坡機(jī)是采用軌道行走，削坡過程是沿桁架軌跡運(yùn)行，避免了人工削坡時(shí)許多不利因素，較傳統(tǒng)人工配合反鏟削坡提高了精度和施工效率。

將削坡機(jī)和反鏟有機(jī)結(jié)合，由安裝了VL坡度修正儀的反鏟完成第一道粗削坡工序，削坡機(jī)完成第二道精削坡整形施工，可達(dá)到高精度坡面整形的質(zhì)量要求。

渠底整平成型采用推土機(jī)與平地機(jī)配合，由于前期開挖施工要求渠底預(yù)留不少于30 cm的保護(hù)層，從這個(gè)要求上決定了必須用推土機(jī)對(duì)渠底進(jìn)行粗平，把這個(gè)預(yù)留的保護(hù)層降到最小，以便為后續(xù)平地機(jī)精平時(shí)提供良好條件，減少出土量，重點(diǎn)實(shí)施渠底精平凈面。為實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源的最優(yōu)化使用，工程技術(shù)人員在渠底渠床整理時(shí)將一個(gè)激光源同時(shí)用于推土機(jī)和平地機(jī)，既滿足先期推土機(jī)粗平的施工需求，又滿足后期平地機(jī)精平的需要，從工序銜接到資源優(yōu)化使用均達(dá)到理想效果。

把應(yīng)用了激光自動(dòng)找平系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備與削坡機(jī)組合，將反鏟與削坡機(jī)配套用于渠坡，將推土機(jī)與平地機(jī)配套用于渠底，形成了一整套大型渠道渠坡、渠底高精度整理施工技術(shù)。

6.結(jié)語

激光控制機(jī)械自動(dòng)找平系統(tǒng)在南水北調(diào)渠道渠床整理施工中的應(yīng)用，取得了良好的施工效果，為提高渠道基床施工精度和質(zhì)量起到了推動(dòng)性作用。通過實(shí)踐證明，激光找平技術(shù)在大型土建工程土地平整施工領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)越性，具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用空間。激光找平技術(shù)巧妙地與現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備相組合，成為大型渠道梯形渠床高精度成型配套施工工藝和新方法，為后續(xù)類似工程施工提供了一種全新的施工技術(shù)，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。