水工隧洞中利用激光指向儀快速放樣開挖斷面
摘要：介紹YBT-A型激光指向儀在水工隧洞施工中的安裝、調(diào)試方法，在直線隧洞中的應(yīng)用及注意事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞：水工隧洞；激光指向儀；五寸臺(tái)法；放樣
一、前言
水工隧洞是指在山體中或地下開鑿的過水洞，可用于灌溉、發(fā)電、供水、泄水、輸水、施工導(dǎo)流和通航。隧洞洞身斷面多為圓形、城門洞形或馬蹄形，其斷面較一般公路、鐵路隧道斷面更為狹小（如本人目前從事的工程為2.5m×2.5m馬蹄形輸水隧洞），給洞內(nèi)施工造成極大不便，同時(shí)也給洞內(nèi)施工測量增加了一定難度。隧洞中光線弱、空間小、氣象差、紅外線測量儀器的反射信號(hào)太弱等不利的測量條件都會(huì)對(duì)測量放樣的時(shí)間產(chǎn)生較大的影響。但若測量工作占用時(shí)間過長，將直接影響工程進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益，這就要求在進(jìn)行隧洞施工測量時(shí)，必須要快速、準(zhǔn)確、及時(shí)，有效控制隧洞掘進(jìn)方向，并有效控制隧洞的超欠挖。
用常規(guī)方法進(jìn)行隧洞測量時(shí)，需要洞內(nèi)停工、通風(fēng)并加強(qiáng)照明，占用了寶貴的洞內(nèi)施工時(shí)間。近年來，隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光指向儀在地下工程中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。由于激光具有良好的方向性，發(fā)散角很小，能以大致恒定的光束直線傳播相當(dāng)長的距離，所以它就成為地下工程施工中一種良好的指向工具。目前，激光指向儀已被廣泛應(yīng)用于指示地下工程掘進(jìn)的中心線和坡度線中，它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、光束質(zhì)量好、工作穩(wěn)定、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。在隧洞中合理使用激光指向儀，能大大提高隧洞施工質(zhì)量和速度。本文主要介紹激光指向儀在隧洞直線部分的應(yīng)用方法。
二、激光指向儀的安裝和調(diào)試
1、激光指向儀的安裝
YBJ-A隔爆型激光指向儀采用懸掛方式安置在隧洞內(nèi)的錨桿上，其技術(shù)參數(shù)為：
有效射程：600~800m可調(diào)光斑直徑：＜50mm(600~800m處)
工作電壓：DC3V水平調(diào)節(jié)距離：15mm
水平調(diào)節(jié)角度：≥±5°垂直調(diào)節(jié)角度：≥5°
工作環(huán)境溫度：-20℃~40℃重量：4.5kg
激光指向儀既可以安裝在隧洞頂部，也可以安裝在隧洞邊墻上，因?yàn)檩斔矶磾嗝婵臻g狹小，為避免施工過程中發(fā)生碰動(dòng)或施工人員隨意操作，所以選擇將激光指向儀安裝在隧洞頂部中線處或中線附近。安裝在中線處時(shí)，激光光束與隧洞中線重合；安裝在中線附近時(shí)，應(yīng)使激光光束與隧洞中線平行。如圖一所示：
安裝前需事先在隧洞頂部安裝2根直徑為22mm的錨桿，埋設(shè)深度不宜小于50cm，錨桿間距為30~40cm即可，錨桿外露的長度以不影響激光指向儀的安裝、調(diào)試和洞內(nèi)施工即可。待錨桿穩(wěn)定后方可按圖1所示的方法安裝激光指向儀。將激光指向儀通過接合器懸掛在錨桿下方并固定，再用拉桿將兩根錨桿連接在一起，以增強(qiáng)激光指向儀的穩(wěn)定性。
2、激光指向儀的調(diào)試
激光指向儀安裝好后，接通電源，使激光光束照射到掌子面上，調(diào)整激光指向儀上的豎直水平調(diào)節(jié)器，使激光光束與隧洞中線大致平行。
在隧洞內(nèi)控制點(diǎn)上安置具有免棱鏡功能的全站儀，測定圖1中激光指向儀尾部的中心點(diǎn)A的三維坐標(biāo)（XA，YA，ZA），計(jì)算點(diǎn)A距隧洞中線的偏距dxA及A點(diǎn)與其所在里程的隧洞頂點(diǎn)間的高差dyA，然后測定掌子面上激光點(diǎn)B的三維坐標(biāo)（XB，YB，ZB），并計(jì)算dxB、dyB。
則豎直方向修正值為△dy=dyA-dyB
水平方向修正值為△dx=dxA-dxB
根據(jù)修正值，調(diào)整激光指向儀的水平、豎直調(diào)節(jié)器，使激光點(diǎn)在水平、豎直方向分別移動(dòng)△dx、△dy。重新測定激光點(diǎn)B的三維坐標(biāo)，直至△dy和△dx均等于0，此時(shí)應(yīng)再次測定點(diǎn)A的三維坐標(biāo)，重新計(jì)算△dx、△dy，如△dx、△dy均等于0則調(diào)試結(jié)束，如不為零，則需重復(fù)上述步驟，直至滿足要求為止。調(diào)試完成后在激光指向儀和隧洞掌子面之間設(shè)置檢查點(diǎn)，要求激光光束通過該檢查點(diǎn)。
激光指向儀經(jīng)過調(diào)試后，滿足了激光光束與隧洞中線平行或重合，激光光束的坡度與隧洞坡度一致的條件。所以任意斷面上激光點(diǎn)和隧洞中線的距離dx、激光點(diǎn)和隧洞拱頂間的高差dy均為定值，如圖2所示。
激光指向儀的指向誤差主要來源于激光光束標(biāo)定誤差和激光光斑的直徑大小。激光光束的標(biāo)定誤差受控制點(diǎn)點(diǎn)位誤差和全站儀測量誤差的共同影響。在激光指向儀調(diào)試過程中，應(yīng)使全站儀嚴(yán)格對(duì)中，同時(shí)將激光光斑調(diào)至最清晰，最小狀態(tài)，以減小對(duì)激光指向儀的指向精度的影響（使用精度為2″的全站儀進(jìn)行測量，激光指向儀的指向誤差不超過±30mm）。
三、利用激光指向儀結(jié)合五寸臺(tái)法放樣開挖斷面
五寸臺(tái)法是施工放樣中常用的放樣方法，具體做法為從隧洞頂部向下每間隔50cm繪制一條水平線，然后標(biāo)注出每條水平線從隧洞中線到開挖邊線的橫向支距，所有支距端點(diǎn)的連線即為隧洞斷面開挖的輪廓線。
利用激光指向儀結(jié)合五寸臺(tái)法的方法對(duì)隧洞斷面進(jìn)行放樣前，先在計(jì)算機(jī)上利用CAD軟件繪制出隧洞五寸臺(tái)法放樣的橫斷面圖。施工放樣時(shí)，由激光點(diǎn)沿激光光束的垂線方向量取水平距離dx，確定隧洞中線點(diǎn)。確定中線點(diǎn)后此中線點(diǎn)沿鉛垂線方向量取dy，得到隧洞的拱頂高程。最后，根據(jù)隧洞橫斷面的五寸臺(tái)尺寸確定隧洞的開挖輪廓線，從而對(duì)隧洞的開挖斷面進(jìn)行控制。
四、注意事項(xiàng)
1、儀器安裝時(shí)應(yīng)接牢地線，帶電時(shí)不準(zhǔn)打開電源后蓋。外接電源電壓要與激光指向儀的額定電壓一致；
2、儀器安置點(diǎn)距隧洞掘進(jìn)工作面一般不應(yīng)小于70m，以防爆破引起儀器振動(dòng)或損壞；
3、在保證激光光斑清晰和穩(wěn)定的前提下，可延長儀器的指向距離，但不能超過其最大指向距離；
4、儀器安置完畢后，應(yīng)鎖緊調(diào)節(jié)裝置，以免碰動(dòng)；
5、每次使用前須檢查激光光束是否通過檢查點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整；
6、定期進(jìn)行檢查測量，并根據(jù)測量結(jié)果調(diào)整隧洞中線和坡度；
7、儀器使用時(shí)，嚴(yán)禁用眼盯視激光光束，避免傷害眼睛；
8、為延長儀器壽命，使用之后要及時(shí)關(guān)閉電源。
五、結(jié)束語
針對(duì)隧洞的斷面尺寸和開挖施工方法，如何快速、及時(shí)、準(zhǔn)確地提供測量成果，以有效提高開挖輪廓線放樣的精度和效率，采用何種放樣方法顯得尤為重要。因?yàn)樵谒矶词┕ぶ�，�?duì)掌子面開挖輪廓線的放樣是一道關(guān)鍵步驟，它直接影響到襯砌質(zhì)量和施工成本費(fèi)用，放樣時(shí)間的長短也直接影響到施工進(jìn)度。利用常規(guī)方法對(duì)隧洞斷面進(jìn)行放樣時(shí)，每次放樣時(shí)都需要架設(shè)儀器，其放樣時(shí)間一般為30~40分鐘，甚至更長；而利用激光指向儀結(jié)合五寸臺(tái)法的方法對(duì)隧洞斷面進(jìn)行放樣，放樣時(shí)間一般為10~15分鐘，并且不需要每次放樣均架設(shè)儀器，只需定期進(jìn)行復(fù)核檢查即可，同時(shí)減少了測量人員的工作量。由此可知，利用激光指向儀結(jié)合五寸臺(tái)法的放樣方法，可以大大縮短放樣時(shí)間，并且能有效的控制隧洞掘進(jìn)方向，即提高了施工質(zhì)量，又加快了施工進(jìn)度，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。
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