隧道工程自動化激光測量放樣系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

王 巍, 謝 爽, 劉寶許, 石新棟

(1. 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目經(jīng)理部, 廣東 廣州 510330； 2. 蘇州北璇履方工程科技有限公司, 江蘇 蘇州 215153； 3. 中國交通建設(shè)股份有限公司哈爾濱地鐵投資建設(shè)有限公司， 黑龍江 哈爾濱 150070)

0 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)的進步和其較高的經(jīng)濟性價比，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)計的關(guān)鍵參數(shù)，尤其是炮孔孔位必須精準定位才能達到爆破設(shè)計的效果。實踐中，鉆爆法的爆破設(shè)計孔位在掌子面上的定位以及初期支護時格柵鋼架的定位，多數(shù)還是采用“全站儀+人工打點”的方式，這種方式動用人工多、效率低下且孔位精準度不易控制，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)的機械化、自動化提出了更高的要求[11-12]。國內(nèi)外隧道工程實際應(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報道并不多。國際上，20世紀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際驗證得知，要滿足現(xiàn)場儀器距掌子面距離大于50 m的環(huán)境使用，激光功率至少要500 mW)。3)不具有自動測距功能。圖形上任意1點X、Y坐標值的確定取決于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)向儀代替全站儀進行隧道開挖和初期支護放樣等工作，以單束激光線為基準，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個點作為控制點控制隧道測量施工。這種方法只是粗略地指引隧道開挖和初期支護，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，通過遠程投射方法實現(xiàn)隧道開挖過程中鉆孔爆破圖形自動放樣以及初期支護時為格柵拱架安裝提供準確的邊線輪廓位置，提出了一種快速、準確、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Big Dipper laser image locator, 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)計炮孔定位以及初期支護時格柵鋼架的定位不準確、效率低以及不安全的問題，提供了一種定位準確快速、使用安全的遠程投射式技術(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150 m，曲線段也可使用70(曲率半徑2 000 m)～100 m。在施工前，可一次性將設(shè)計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準圖形。也可在鉆孔作業(yè)前，打開設(shè)備，無需人工測量放點，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)自動分析計算投射出標準斷面圖(與里程樁號相匹配)。

2)該設(shè)備不超過12 kg，便于攜帶。距掌子面一定距離(初次安裝可設(shè)在100 m左右)，借助全站儀將機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1 h；設(shè)計有防護鋼板，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，在不影響機器設(shè)備運行的情況下盡量靠近隧道頂部，一般距離小于900 mm。

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中心三維坐標及工作面震鏡激光點位置三維坐標，儀器震鏡照射在工作面的激光點也要在中心豎直方向上，盡量使得激光點及儀器中心點在同一高程上。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、激光點在中心線上，水平方向?qū)嶋H偏差≤5 mm即可。通過全站儀測量，得到激光光路坡度、方位角，有了激光點三維坐標還可以算出和中心線的交點切線方位角及里程樁號，進而得到對應(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)計圖，直接按光點位置進行鉆孔作業(yè)，能夠保證隧道(巷道)輪廓及爆破設(shè)計方案的精準執(zhí)行(150 m距離誤差小于2 cm)。

6)初期支護時，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)計圖紙)，指導(dǎo)作業(yè)人員準確地安裝格柵拱架。

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)計斷面尺寸智能投射開挖進尺的斷面或輪廓線。該設(shè)備是一種用智能化人機交互方式實現(xiàn)遠距離激光投射鉆爆設(shè)計圖像、進行隧道掘進初期支護定位的系統(tǒng)。首先，通過專用軟件，將設(shè)計圖紙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為BLIL可識別的掃描圖形，實現(xiàn)設(shè)計圖形尺寸的自動跟隨(與掌子面樁號相匹配)； 其次，進行激光圖形掃描達到投射圖像與設(shè)計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。

圖1 技術(shù)原理圖

1)通過終端系統(tǒng)，無線藍牙模塊向BLIL發(fā)送指令，BLIL自動獲取當(dāng)前位置與掌子面目標之間的距離d，通過無線藍牙模塊反饋給計算機，計算機經(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(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)。

1.1.3 BLIL 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。

圖2 BLIL系統(tǒng)示意圖

1.1.3.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)包括機箱、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)置在機箱內(nèi)。激光發(fā)射部分包括無線藍牙模塊、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)計資料實時分析計算斷面輪廓、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，對計算機要求不高，操作簡便，如圖3所示。

2 BLIL系統(tǒng)現(xiàn)場試驗

為了掌握BLIL在隧道開挖及初期支護測量放樣過程的實際性能，BLIL系統(tǒng)樣機研發(fā)完成后，分別在北京至沈陽鐵路客運專線J-1標三棱山隧道、哈爾濱至牡丹江鐵路客運專線站前工程SG-6標紅旗溝隧道、新建衢州至寧德鐵路QNZJZQ-3標黃塢隧道進行了3次設(shè)備定型試驗(見圖4)，測試該系統(tǒng)的基本功能(見圖5)，先后檢驗了BLIL系統(tǒng)在真實環(huán)境下的應(yīng)用效果。

2.1 BLIL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、精準性及高效性等給予高度肯定。

(a) 基礎(chǔ)管理和分析界面

(b) 應(yīng)用終端界面

(a)

(b)

通過現(xiàn)場實際驗證，BLIL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)計圖形，實現(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)計圖紙保持一致。

(a) 格柵光帶投射

(b) 爆破孔位投射

2)由X/Y掃描振鏡、X/Y馬達、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X和Y方向的轉(zhuǎn)角(α、β角)。

3)X/Y驅(qū)動馬達與控制電路之間設(shè)有絕對式微測角編碼器，可以對馬達的轉(zhuǎn)角進行精準地測量和控制，即能夠?qū)︸R達連接的振鏡的擺動角度進行精準測量與控制。

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)后機箱的移動情況，如有移動，可重新對掛在洞頂?shù)膬x器進行調(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、PAD等移動端進行遠程無線操控。

2.2 BLIL系統(tǒng)不足

通過試驗，也發(fā)現(xiàn)BLIL系統(tǒng)還有需進一步深入研究和改進的地方：

1)可增加隧道斷面儀的功能，用于隧道初期支護前超欠挖統(tǒng)計以及初期支護后、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)主機質(zhì)量12 kg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)傳輸及指令下達等核心技術(shù)融合難題，很好地實現(xiàn)了隧道工程開挖及支護過程中測量放樣自動、高效、精準的目的，為實現(xiàn)隧道施工機械化、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)鉆孔精準度和快速定位初期支護格柵拱架安裝位置，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、指令下達均可遠程操作，隧道后續(xù)施工中交叉干擾可忽略不計。

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)品存在的不足進行的自主創(chuàng)新，是為推進我國隧道施工技術(shù)進步作出的努力和嘗試。

隨著BLIL系統(tǒng)的進一步完善，后續(xù)將增加隧道斷面掃描功能，進一步輕量化、小型化主機，降低安裝難度，升級軟件系統(tǒng)，保證BLIL系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。