程正邦，李世斌，石 春，徐新宇，陳昌文

（中電建建筑集團(tuán)有限公司，北京 100120）

1 工程概況

吉林某抽水蓄能電站，發(fā)電樞紐機(jī)組額定水頭655.00 m，最大發(fā)電水頭700.90 m，最大抽水揚(yáng)程712.00 m，為典型的700.00 m 級(jí)高水頭電站。電站引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4 條陡傾角長斜井，其中下斜井單長466.35 m，與地面夾角55°，屬于國內(nèi)罕見的陡傾角特長斜井。上斜井井口距上支洞洞口約為545.00 m，上斜井井底距中支洞洞口約為2 036.00 m；下斜井井口距中支洞洞口約為1 331.00 m，下斜井井底距交通洞洞口約為1 738.00 m。無施工支洞直接通往斜井段。斜井開挖主要施工流程：先導(dǎo)井開挖→全斷面擴(kuò)挖→跟隨支護(hù)。斜井開挖具有傾角大、距離長、測量控制難度大等施工特點(diǎn)。

2 工程施工初期狀態(tài)

長斜井施工中導(dǎo)向控制是制約施工進(jìn)度的難題之一。斜井采用正導(dǎo)井+反導(dǎo)井相向開挖，貫通后全斷面正向擴(kuò)挖的施工工藝。先導(dǎo)井?dāng)嗝鏋?.40 m×2.40 m 的矩形，空間較為狹小，利用阿里馬克爬罐進(jìn)行反導(dǎo)井開挖施工。受人體長時(shí)間抬頭舒適度和全站儀自身結(jié)構(gòu)限制[1]，仰角55°控制范圍超不過60.00 m，而且儀器紅色光源對(duì)環(huán)境要求較高，激光在水汽煙霧中穿透力較差，受斜井內(nèi)水霧、煙塵的影響，全站儀電子測距系統(tǒng)經(jīng)常無法工作，往往出現(xiàn)不測距、不返數(shù)現(xiàn)象。采用激光導(dǎo)向儀控制斜井導(dǎo)向可解決此問題。

傳統(tǒng)爬罐開挖測量控制是把激光指向裝置（激光器為YHJ-800型紅色光源）安放在爬罐軌道旁邊，由于掌子面下部是斜坡段，開挖爆破后的巖石碎渣順斜坡段下落過程中經(jīng)常碰撞激光器，且爆破后產(chǎn)生的沖擊波也對(duì)激光器產(chǎn)生較大影響。設(shè)備自帶的導(dǎo)向儀管壁較厚，自重7.1 kg，固定螺栓強(qiáng)度較高，但經(jīng)不起振動(dòng)的沖擊，經(jīng)常出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致安裝、調(diào)試極不方便，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。爬罐為柴油動(dòng)力，運(yùn)行時(shí)不僅產(chǎn)生煙霧，而且噪聲較大，校正1 次需要5 人爬上爬下連續(xù)工作4～6 h。在斜井各種不利因素（霧氣、煙塵、爆破沖擊波等）影響下，激光導(dǎo)向[2]有效工作距離一般只能達(dá)到200.00 m，性能無法滿足長斜井開挖實(shí)際需要，且固定裝置及鎖定裝置不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響激光指向精度，易對(duì)斜井軸線控制、工程質(zhì)量、開挖進(jìn)度等造成影響，發(fā)生不必要的損失。

3 方案優(yōu)化

3.1 初次優(yōu)化

YHJ-800 型激光導(dǎo)向儀是爬罐設(shè)備自帶的進(jìn)口型導(dǎo)向裝置，標(biāo)稱射程800.00 m，這是在空氣條件相當(dāng)優(yōu)良的情況下獲得的數(shù)據(jù)。但在斜井中各種不利因素如霧氣、煙塵等影響下，有效射程一般只能達(dá)到200.00 m，此后，光斑很弱，光束落在掌子面上成為分散的光暈，嚴(yán)重影響導(dǎo)向能力和導(dǎo)向質(zhì)量[3]。經(jīng)過一段時(shí)間的使用和導(dǎo)井開挖深度的延伸，導(dǎo)井內(nèi)水汽和煙塵聚集，加之排風(fēng)困難，YHJ-800 型紅色激光的亮度穿透力不足、目標(biāo)點(diǎn)光斑擴(kuò)散，以及激光器本身的缺陷等，給指向工作帶來新的困難和影響。

根據(jù)公路《交通安全法》法規(guī)，“汽車在有霧氣、雨雪天或夜間視線不良的情況下，應(yīng)開啟霧燈減速行駛”。通常霧燈是黃色的，穿透力強(qiáng)，有利于在能見度低的雨、霧天氣中，提高駕駛者與周圍交通參與者的可見度。經(jīng)多次比對(duì)，最終選出了一種黃色光源發(fā)射裝置。經(jīng)過不同環(huán)境下比對(duì)，發(fā)現(xiàn)黃色光源對(duì)于煙氣和灰塵的穿透力明顯不如對(duì)水霧的穿透力，爆破后煙塵通過排風(fēng)和降塵系統(tǒng)下壓，部分未排出導(dǎo)井的煙塵在導(dǎo)井中下部滯留，影響了黃色光源的穿透力。黃色光源接近于白色，比較刺眼，但斜井導(dǎo)井內(nèi)環(huán)境較暗，工人在目視激光導(dǎo)向定位過程中，易引發(fā)視物重影或短暫的致盲效果，安全隱患較大。

為了解決這一難題，通過查閱相關(guān)資料并反復(fù)研究，同時(shí)對(duì)多種光源激光發(fā)射器進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，為模擬不利環(huán)境，專門選在雨霧天環(huán)境、爆破后濃煙環(huán)境、洞室出渣高粉塵環(huán)境等進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)比對(duì)結(jié)果，最終發(fā)現(xiàn)一種激光筆裝置滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。該激光筆裝置光源為綠色，在夜間或黑暗環(huán)境下光束強(qiáng)，而且具有投影清晰、光斑集中等特點(diǎn)。

經(jīng)過對(duì)幾種激光發(fā)射器的比對(duì)，最終選擇了一款深綠顏色、價(jià)格低廉的小型激光筆裝置。通過對(duì)發(fā)光介質(zhì)、功率、聚焦環(huán)等構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，一款新型綠色光源激光導(dǎo)向裝置改造完成，由于新裝置采用在原裝置基礎(chǔ)上更換構(gòu)件，所以安裝也較為簡單，在斜井反導(dǎo)井開挖過程中，發(fā)揮了很好的指向作用，不良條件下有效射程超過200.00 m。通過實(shí)際測試和對(duì)施工管理人員和井下工人的巡訪，綠色光源激光導(dǎo)向儀較紅色激光導(dǎo)向儀具有更好的適應(yīng)性。

3.2 二次優(yōu)化

激光導(dǎo)向儀安裝于斜井導(dǎo)井底部，并隨著開挖深度向上延伸，受到爆破振動(dòng)影響較大，強(qiáng)大的沖擊波順著導(dǎo)井井巷高速傳遞，激光導(dǎo)向儀前邊的玻璃鏡片瞬間被沖破；爆破后下落的石塊在重力及爆破加速度下，具備炮彈一樣的勢能，在無序飛下時(shí)極有可能擊中儀器或固定支架，一般修復(fù)可能性較小，需更換新設(shè)備，備用量較大。為保護(hù)導(dǎo)向儀，制作一種指向固定架，可滿足快速安裝，節(jié)約了備用設(shè)備數(shù)量。

小型激光指向固定架見圖1 所示，主要組成包括支架本體、固定錨桿、小型激光發(fā)射器[4]。其中，支架本體由微調(diào)板架、激光固定夾具、固定板架、T 型換向固定架、固定U 型卡組成。微調(diào)板架由微調(diào)螺栓（φ8 ～10 mm 密紋螺栓）與固定板架連接，起到微調(diào)和固定作用。固定板架利用背面M16 螺栓與換向固定架連接，起到粗調(diào)和固定作用。工作原理：利用換向固定架兩端的固定U 型卡和M16 螺栓對(duì)橫軸（X軸）和豎軸（Y軸）進(jìn)行位置、指向的粗調(diào)及固定，固定后可通過微調(diào)板架進(jìn)行微調(diào)及微調(diào)鎖定。該支架可水平安裝也可豎向安裝，固定激光后可以在2 個(gè)軸向上方便快捷地進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足全方位指向。

圖1 小型激光指向固定架

雖然導(dǎo)向儀拆裝方便了，但仍需測量人員在斜井中爬上爬下矯正，耽誤時(shí)間。經(jīng)多次現(xiàn)場勘查研究，提出將激光導(dǎo)向儀下移的設(shè)想：把激光指向裝置安裝在井口下部，并制作一個(gè)可活動(dòng)支架，安裝在下彎段邊墻上，激光導(dǎo)向裝置安裝在活動(dòng)架端頭，調(diào)整好角度及方向。需要測量指向時(shí)放下來，工作完畢時(shí)利用細(xì)鋼絲繩絞盤將其收起，避免下落的石渣撞擊和爆破沖擊波的沖擊，保證激光導(dǎo)向裝置的穩(wěn)定性。通過一個(gè)星期的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、樣架圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、切割焊鉚等工序，將設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。經(jīng)使用，導(dǎo)向性能可靠穩(wěn)定，大大縮減了激光導(dǎo)向儀校正時(shí)間，也方便隨時(shí)導(dǎo)向操作，只要不受機(jī)械設(shè)備剮蹭，校正周期延長至7～10 d。

3.3 三次優(yōu)化

這種綠色光源的激光發(fā)射裝置，亮度高、射程遠(yuǎn)、光斑小，但體型較小，由于自身配帶的紐扣電池儲(chǔ)存電量少，導(dǎo)致這種裝置存在不能長時(shí)間連續(xù)工作、需頻繁更換電池的缺陷。為此，再次進(jìn)行改進(jìn)：將裝置的電池卸掉，把正、負(fù)電極用導(dǎo)線引出連接1 個(gè)電源適配器（與激光裝置使用電壓相匹配）作為供電電源，再匹配1只小型循環(huán)定時(shí)電路開關(guān)閉合的時(shí)間繼電器。將激光裝置電源正極接入時(shí)間繼電器，調(diào)整好閉合時(shí)間（如閉10 s、開5 s），間斷閃亮，解決了激光裝置不能連續(xù)長時(shí)間工作的難題。通過技術(shù)革新和設(shè)備改造，保證了激光導(dǎo)向儀的安全穩(wěn)定，使施工效率得到提高，施工進(jìn)度明顯加快。校正1次導(dǎo)向只需3人在數(shù)分鐘內(nèi)即可完成，大大降低了測量難度，縮短了測量調(diào)試校正所占用的時(shí)間，使用效果完全滿足施工需要。

采用最終優(yōu)化后的激光導(dǎo)向儀使導(dǎo)井順利貫通，貫通誤差滿足規(guī)范要求，導(dǎo)向成功。

4 效益分析

根據(jù)實(shí)際施工總結(jié)，斜井開挖過程中如利用全站儀進(jìn)行常規(guī)掌子面放線，受斜井施工特點(diǎn)影響，每個(gè)循環(huán)最少需要1.5 h 進(jìn)行測量放線。斜井直線段平均長度超過380.00 m，按每個(gè)開挖循環(huán)進(jìn)尺2.50 m 計(jì)算，則需要152 個(gè)循環(huán)，共計(jì)228 h，4 條斜井總計(jì)需要912 h 的測量放線時(shí)間。利用此成果進(jìn)行放線，可將單次測量放線時(shí)間縮短到10～15 min，按同等條件計(jì)算4條斜井采用優(yōu)化后的激光導(dǎo)向儀放線所需時(shí)間合計(jì)144 h，可節(jié)約工期32 d。

小型激光裝置在洞室開挖及不良環(huán)境中的使用性能高于爬罐設(shè)備自帶導(dǎo)向儀產(chǎn)品和市場品牌激光產(chǎn)品，且價(jià)格低廉、安全可靠、安裝校正方便，精度和指向效果完全滿足施工需要。適宜在余下的斜井開挖和今后同類工程中的多點(diǎn)位激光指向技術(shù)和設(shè)施進(jìn)行推廣使用。在此次斜井全斷面開挖過程中，對(duì)斷面特征點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)位布置激光，馬蹄形斷面需要在6 個(gè)點(diǎn)位布置激光，開挖過程中損壞更換備用1 套，4 條斜井共計(jì)48 個(gè)激光導(dǎo)向儀。改進(jìn)后的小型激光指向儀成本約200 元/臺(tái)，市場上成品導(dǎo)向儀成本約1 500 元/臺(tái)，可節(jié)約成本6.42 萬元。

5 結(jié)語

通過對(duì)斜井工程激光導(dǎo)向技術(shù)和設(shè)備不斷優(yōu)化創(chuàng)新，最終達(dá)到導(dǎo)井精準(zhǔn)貫通的結(jié)果。既保證工程質(zhì)量，又能節(jié)省資金，是一個(gè)不錯(cuò)的降本增效途徑。該激光導(dǎo)向設(shè)備制作及安裝簡單、堅(jiān)固耐用，材料來源廣泛、輔助構(gòu)件易采購，固定調(diào)節(jié)靈活方便，可循環(huán)利用，不受場地限制，應(yīng)用面廣?？稍谔囟ㄇ闆r下應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑軸向測量定位指向、各種隧洞開挖輪廓定點(diǎn)及掘進(jìn)方向指引。