董志偉，徐彬彬，俞超

(無(wú)錫市鉆通工程機(jī)械有限公司，江蘇無(wú)錫 214161)

1 螺旋鉆進(jìn)施工工藝簡(jiǎn)介

螺旋鉆進(jìn)施工是根據(jù)管線設(shè)計(jì)要求，先在接收坑與工作坑中間打一條先導(dǎo)孔，然后將切削擴(kuò)頭連接在螺旋鉆桿穿于套管內(nèi)，旋轉(zhuǎn)頭一端連接導(dǎo)向鉆桿，螺旋鉆桿連接鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)軸端，通過鉆機(jī)帶動(dòng)切削擴(kuò)頭的旋轉(zhuǎn)，使擴(kuò)頭上的切削齒對(duì)土層進(jìn)行切削。通過鉆機(jī)頂進(jìn)形成一個(gè)孔洞，擴(kuò)頭沿著導(dǎo)向鉆桿的軌跡鉆進(jìn)，使套管頂進(jìn)在形成的空洞內(nèi)，頂進(jìn)完成后，再將套管替換為需要鋪設(shè)的管道。施工流程見圖1、圖2和圖3。

圖1 導(dǎo)向施工示意圖

圖2 套管頂進(jìn)施工示意圖

圖3 管道替換施工示意圖

該施工工藝的核心是導(dǎo)向鉆進(jìn)，導(dǎo)向精度的高低決定了施工管道鋪設(shè)的精度。目前國(guó)內(nèi)導(dǎo)向儀器主要依賴進(jìn)口，價(jià)格較高，而且施工過程中需要人工不斷調(diào)節(jié)接收儀器的焦距，調(diào)節(jié)過程中會(huì)造成接收儀器的位移，降低了導(dǎo)向精度。因此，鉆通公司改進(jìn)了導(dǎo)向儀器的發(fā)射和接收裝置。

2 導(dǎo)向原理

光學(xué)成像導(dǎo)向主要用于250 m以內(nèi)近距離微型隧道、水平螺旋鉆進(jìn)施工中，該系統(tǒng)主要由光靶、相機(jī)和顯示器三部分組成，其工作原理如圖4所示。常見的光學(xué)成像導(dǎo)向儀有德國(guó)Perforator公司的GmbH導(dǎo)向儀、波蘭Wamet公司的光學(xué)成像導(dǎo)向儀及美國(guó)McLaughlin公司的激光成像導(dǎo)向儀等。

圖4 光學(xué)成像導(dǎo)向原理圖

導(dǎo)向光靶安裝在導(dǎo)向鉆頭內(nèi)，光靶中黑色部分表示造斜鉆頭造斜板的方向。在鉆機(jī)后面用相機(jī)拍攝光靶，通過數(shù)據(jù)線將拍攝的圖像傳送到顯示器。鉆進(jìn)過程中當(dāng)光靶中心偏離顯示器中心刻線時(shí)，表示鉆進(jìn)方向與規(guī)劃的軌跡方向有所偏離，此時(shí)需要進(jìn)行糾偏操作。該導(dǎo)向系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單方便，適用于距離小于250 m的微型隧道、螺旋鉆進(jìn)或頂管施工中，可精確掌握鉆進(jìn)方向與姿態(tài)，對(duì)鉆進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

導(dǎo)向光靶采用LED點(diǎn)光源光靶，根據(jù)水平螺旋鉆進(jìn)導(dǎo)向鉆桿尺寸設(shè)計(jì)的LED導(dǎo)向光靶如圖5(a)所示，其中O點(diǎn)為光靶中心，OCBA方向即為導(dǎo)向鉆頭造斜板方向，內(nèi)圈LED燈圓周直徑為12 mm，外圈為30 mm。在鉆進(jìn)過程中當(dāng)光靶O點(diǎn)位于屏幕十字刻線O′點(diǎn)時(shí)，表示鉆進(jìn)方向沒有發(fā)生偏斜，如圖5(b)所示；當(dāng)光靶O點(diǎn)偏離屏幕十字刻線O′點(diǎn)時(shí)，表示鉆進(jìn)方向與預(yù)定鉆進(jìn)軌跡有偏離，需要進(jìn)行糾偏，此時(shí)O點(diǎn)與O′點(diǎn)的距離即為鉆頭偏離量，如圖5(c)所示。

圖5 LED光靶狀態(tài)

在進(jìn)行糾偏時(shí)，首先旋轉(zhuǎn)鉆桿使射線ABCO過O′點(diǎn)，然后進(jìn)行頂進(jìn)操作，此時(shí)光靶O點(diǎn)將慢慢靠近O′點(diǎn)。當(dāng)O點(diǎn)與O′點(diǎn)重合時(shí)說明鉆進(jìn)方向回到預(yù)定鉆進(jìn)軌跡上。

3 導(dǎo)向難點(diǎn)

(1)光源問題。在鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆進(jìn)長(zhǎng)度超過30 m時(shí)，由于在LED燈光源光線發(fā)散性較強(qiáng)，光靶成像效果較差，已不能識(shí)別出LED光靶中心，只能通過導(dǎo)向光靶內(nèi)圈的LED燈大致確定光靶中心，擴(kuò)大了導(dǎo)向誤差。

(2)調(diào)焦問題。在鉆進(jìn)過程中，隨著鉆進(jìn)深度的增加，經(jīng)緯儀觀測(cè)到的圖像逐漸模糊，此時(shí)需要手動(dòng)調(diào)節(jié)經(jīng)緯儀的焦距，以得到清晰的觀測(cè)圖像，因此每隔一段距離就需要對(duì)經(jīng)緯儀進(jìn)行一次調(diào)焦。施工過程中的調(diào)焦工作需要施工人員一邊觀察一邊進(jìn)行調(diào)整，但是接收裝置所處的位置可能因施工環(huán)境狹窄而不適合工人進(jìn)入，因此人工手動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鏡筒旋鈕會(huì)存在阻礙，并且可能會(huì)造成接收儀器的位移，使得導(dǎo)向偏差精度降低，不僅造成了資源浪費(fèi)，還會(huì)降低鉆進(jìn)效率，導(dǎo)向過程如圖6所示。

圖6 實(shí)際導(dǎo)向效果圖

4 解決方案

4.1 導(dǎo)向光靶設(shè)計(jì)

為減少導(dǎo)向光靶發(fā)散光對(duì)導(dǎo)向效果帶來(lái)的影響，使觀測(cè)圖像更加清晰，一方面對(duì)光靶進(jìn)行濾光處理以保證光線的單色性，突出導(dǎo)向LED輪廓圖像；另一方面選擇適當(dāng)?shù)恼诠鈼l件，降低散射光強(qiáng)度，減少發(fā)散光對(duì)導(dǎo)向效果的影響。根據(jù)光源選擇實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇的紅色LED燈作為導(dǎo)向光靶的光源，制作光靶。利用DXP設(shè)計(jì)導(dǎo)向光靶PCB板，集成電路內(nèi)置調(diào)節(jié)電阻，因LED燈內(nèi)阻、電池電壓等會(huì)對(duì)光源亮度造成影響，所以需要調(diào)節(jié)電阻使光源達(dá)到最佳效果，組合燈板保持架和濾光片，提高光源輪廓顯示效果，如圖7所示。將制作好的光靶依次放在模擬鋼管后面觀察圖像，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖7 導(dǎo)向光靶組成、電路圖及PCB圖

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在100 m內(nèi)LED光源輪廓通過調(diào)焦處理后清晰可見，較之前明顯改善，能夠滿足水平螺旋鉆導(dǎo)向需求。

4.2 自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)

現(xiàn)有的導(dǎo)向系統(tǒng)在水平螺旋鉆進(jìn)過程中需要隨時(shí)調(diào)節(jié)經(jīng)緯儀的焦距以保證觀測(cè)圖像的清晰，這種人工調(diào)焦方式不但影響鉆進(jìn)效率，并且可能會(huì)造成接收儀器的位移，降低導(dǎo)向精度。為實(shí)現(xiàn)水平螺旋鉆進(jìn)導(dǎo)向智能化控向，對(duì)自動(dòng)調(diào)焦方案設(shè)計(jì)就顯得比較重要。為了提高導(dǎo)向精度和調(diào)焦的穩(wěn)定可靠性，設(shè)計(jì)了一種水平螺旋鉆機(jī)導(dǎo)向自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，專門針對(duì)手動(dòng)調(diào)焦問題做的攻關(guān)，圖9為原理示意圖。

1.發(fā)光器；2.接收裝置；3.輸出裝置；4.視頻處理器；5.顯示器；6.控制器；7.傳輸線；8.越權(quán)旋鈕

經(jīng)緯儀自帶焦距調(diào)節(jié)旋鈕，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)聚焦，我們把自帶調(diào)節(jié)旋鈕改為齒式旋鈕，在經(jīng)緯儀上端提手固定處增加固定支架，支架上安裝一小型伺服電機(jī)，伺服電機(jī)輸出端安裝與調(diào)節(jié)旋鈕齒型一樣的尼龍齒輪，齒輪與調(diào)節(jié)旋鈕用橡膠皮帶連接，采用1∶3減速傳動(dòng)，增加旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)控制精度。伺服電機(jī)采用PLC編程控制，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)得到了在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)光裝置與接收裝置的距離和焦距調(diào)節(jié)之間的一個(gè)概率曲線，根據(jù)該曲線對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行編程控制，使其可以精確地調(diào)節(jié)接收裝置，實(shí)現(xiàn)影像的自動(dòng)聚焦，使顯示畫面一直處于清晰的狀態(tài)。由于外部光源會(huì)對(duì)接收成像造成干擾，概率曲線與實(shí)際施工中會(huì)存在一定的偏差，自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)出現(xiàn)過調(diào)或欠調(diào)的情況，為此增設(shè)了手動(dòng)越權(quán)功能，可以手動(dòng)輔助調(diào)節(jié)，使成像效果更精準(zhǔn)可靠，保證導(dǎo)向施工精度。改進(jìn)后的自動(dòng)調(diào)焦接收裝置見圖10。

1.高倍率經(jīng)緯儀；2.支架；3.伺服電機(jī)；4.小齒輪；5.尼龍皮帶；6.調(diào)節(jié)旋鈕；7.連接座；8.CCD高清攝像機(jī)

在經(jīng)緯儀調(diào)焦規(guī)律實(shí)驗(yàn)過程中，采用32倍變焦激光經(jīng)緯儀進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)距離為100 m，實(shí)驗(yàn)中經(jīng)緯儀的調(diào)焦規(guī)律如表1所示。

表1 調(diào)焦規(guī)律

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)緯儀在0～10 m過程中的調(diào)焦量占經(jīng)緯儀可調(diào)焦量的75%，約為540°，而在0～10 m鉆進(jìn)過程中經(jīng)緯儀的觀測(cè)距離比較近，CCD相機(jī)所拍攝處的圖像也比較清晰。在10～100 m過程中經(jīng)緯儀只需要微調(diào)，在這個(gè)過程中調(diào)焦量占可調(diào)焦量的12.5%，約為90°，在此過程中CCD相機(jī)所拍攝出的圖像逐漸變模糊。

根據(jù)經(jīng)緯儀自身光學(xué)系統(tǒng)的作用距離以無(wú)限遠(yuǎn)計(jì)算，當(dāng)作用距離大于5 km時(shí)不需要調(diào)焦，當(dāng)作用距離在5 km之內(nèi)時(shí)需要調(diào)整焦距。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知在水平螺旋鉆進(jìn)過程中調(diào)整焦距的距離最小值為1 m，即在0～10 m之間時(shí)調(diào)整最為頻繁，故在后面對(duì)數(shù)據(jù)處理時(shí)的距離單位為m，調(diào)整焦距量以(°)為單位。

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以求出在0～100 m鉆進(jìn)過程中經(jīng)緯儀的調(diào)焦規(guī)律，利用MATLAB中CFTOOL曲線擬合工具箱對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合實(shí)驗(yàn)，分別取數(shù)據(jù)點(diǎn)x為調(diào)焦量，y為觀測(cè)距離，數(shù)據(jù)點(diǎn)及坐標(biāo)位置如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)

根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)的趨勢(shì)可以看出數(shù)據(jù)點(diǎn)大致符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律，利用MATLAB中指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合出的曲線如圖12所示。其中曲線方程為：f(x)=3.244×10-15×e3.437x+0.4169×e0.3331x。

圖12 擬合曲線

5 結(jié)語(yǔ)

目前該套系統(tǒng)已可實(shí)現(xiàn)90 m以內(nèi)的精準(zhǔn)導(dǎo)向施工，實(shí)地施工導(dǎo)向偏差不大于10 mm，完全滿足管道鋪設(shè)的偏差要求。但該套系統(tǒng)還存在一些缺陷：孔內(nèi)發(fā)光裝置受外界光源影響很大，白天與夜晚施工效果差異明顯；隨著導(dǎo)向距離增加，成像圖變小；由于光源之間存在相互干擾，導(dǎo)致成像點(diǎn)位不清晰。

因此，后期的主要改進(jìn)方向包括：①增加光波過濾系統(tǒng)，屏蔽外界干擾，使接收的光源更單一；②增加視頻圖像自動(dòng)放大縮小功能，使圖像始終處于一個(gè)合理的尺寸，方便導(dǎo)向人員觀察控制；③增加接收?qǐng)D像分割處理功能，針對(duì)圖像中的各項(xiàng)特征進(jìn)行分類，以突出并提取出所需特征，進(jìn)行整合處理，從而顯示出更清晰的圖像。