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(hào)線總承包項(xiàng)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(tái)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(jià)比，可以預(yù)見鉆爆法在未來一段時(shí)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(shí)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(dòng)用人工多、效率低下且孔位精準(zhǔn)度不易控制，同時(shí)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(dòng)力成本日益增長(zhǎng)，這對(duì)隧道工程建設(shè)的機(jī)械化、自動(dòng)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(dòng)化激光定位方面的文獻(xiàn)報(bào)道并不多。國際上，20世紀(jì)80—90年代美國和中國臺(tái)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(gè)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(zhǎng)期使用容易漏氣，使用壽命較短，尤其是在有較大振動(dòng)、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(chǎng)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(dòng)測(cè)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(dòng)裝置只能獲取α角、β角，不能自動(dòng)獲取儀器到隧道掌子面的距離d(還需人工測(cè)量補(bǔ)充)，屬于一種半自動(dòng)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(dòng)化的激光投射裝置[13]，但同樣也不具有自動(dòng)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(cè)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(shí)間，效率不高，同時(shí)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(cè)量原理，確定沿隧道縱向的中線斷面，在斷面上選取1個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)控制隧道測(cè)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(dòng)放樣以及初期支護(hù)時(shí)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(cè)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(dòng)化激光測(cè)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(dòng)測(cè)量放樣系統(tǒng)研發(fā)

1.1 研發(fā)思路與技術(shù)方案

針對(duì)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(shí)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(jì)圖中各個(gè)斷面的樁號(hào)和斷面數(shù)據(jù)輸入，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完整地描述整條隧道形狀，只要輸入樁號(hào)就會(huì)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(cè)量放點(diǎn)，BLIL就會(huì)按自身測(cè)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(cè)距數(shù)據(jù)自動(dòng)分析計(jì)算投射出標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(與里程樁號(hào)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(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(tái)，安裝時(shí)間不超過1 h；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(dòng)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900 mm。

4) 安置好設(shè)備后，通過水平氣泡整平對(duì)中，并打開設(shè)備震鏡激光及測(cè)距激光，通過全站儀測(cè)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≤5 mm即可。通過全站儀測(cè)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(hào)，進(jìn)而得到對(duì)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(150 m距離誤差小于2 cm)。

6)初期支護(hù)時(shí)，無需人工測(cè)量定位，BLIL按照位置測(cè)距指令自動(dòng)投射指導(dǎo)拱架施工的激光光環(huán)(自動(dòng)識(shí)別該處里程所對(duì)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(cè)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(shí)別的掃描圖形，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖形尺寸的自動(dòng)跟隨(與掌子面樁號(hào)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。

圖1 技術(shù)原理圖

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(dòng)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(dòng)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)。

1.1.3 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(gè)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(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(cè)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(dòng)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(shí)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(jiǎn)潔，對(duì)計(jì)算機(jī)要求不高，操作簡(jiǎn)便，如圖3所示。

2 BLIL系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了掌握BLIL在隧道開挖及初期支護(hù)測(cè)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(cè)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。

2.1 BLIL系統(tǒng)功能

現(xiàn)場(chǎng)操作表明，該系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)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(gè)循環(huán)可以節(jié)省1個(gè)多h，同時(shí)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(chǎng)作業(yè)工人及管理人員對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化、精準(zhǔn)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(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，BLIL系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下基本功能：

1)激光自動(dòng)測(cè)距。將所測(cè)的距離參數(shù)d輸入電腦能夠自動(dòng)匹配當(dāng)前掌子面所對(duì)應(yīng)的鉆爆設(shè)計(jì)圖形，實(shí)現(xiàn)圖形自動(dòng)跟隨功能，使投射到掌子面的激光圖形與該里程樁號(hào)爆破設(shè)計(jì)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(dá)、X/Y微型測(cè)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(dòng)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(dòng)馬達(dá)與控制電路之間設(shè)有絕對(duì)式微測(cè)角編碼器，可以對(duì)馬達(dá)的轉(zhuǎn)角進(jìn)行精準(zhǔn)地測(cè)量和控制，即能夠?qū)︸R達(dá)連接的振鏡的擺動(dòng)角度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量與控制。

4)系統(tǒng)設(shè)置的2個(gè)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(dòng)情況，如有移動(dòng)，可重新對(duì)掛在洞頂?shù)膬x器進(jìn)行調(diào)整，能起到保證監(jiān)測(cè)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(dòng)端進(jìn)行遠(yuǎn)程無線操控。

2.2 BLIL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12 kg對(duì)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(huì)

通過全自動(dòng)隧道激光測(cè)量放樣系統(tǒng)的研發(fā)和實(shí)踐，突破了無法自動(dòng)獲取儀器到掌子面距離、爆破圖形自動(dòng)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(cè)量放樣自動(dòng)、高效、精準(zhǔn)的目的，為實(shí)現(xiàn)隧道施工機(jī)械化、自動(dòng)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(cè)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(dòng)化激光測(cè)量放樣系統(tǒng)，是針對(duì)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(jí)軟件系統(tǒng)，保證BLIL系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。