隧洞中利用激光指向仪快速放样开挖断面

水工隧洞中利用激光指向仪快速放样开挖断面
摘要：介绍YBT-A型激光指向仪在水工隧洞施工中的安装、调试方法，在直线隧洞中的应用及注意事项。

关键词：水工隧洞；激光指向仪；五寸台法；放样
一、前言水工隧洞是指在山体中或地下开凿的过水洞，可用于灌溉、发电、供水、泄水、输水、施工导流和通航。

隧洞洞身断面多为圆形、城门洞形或马蹄形，其断面较一般公路、铁路隧道断面更为狭小（如本人目前从事的工程为2.5m×2.5m马蹄形输水隧洞），给洞内施工造成极大不便，同时也给洞内施工测量增加了一定难度。

隧洞中光线弱、空间小、气象差、红外线测量仪器的反射信号太弱等不利的测量条件都会对测量放样的时间产生较大的影响。

但若测量工作占用时间过长，将直接影响工程进度和经济效益，这就要求在进行隧洞施工测量时，必须要快速、准确、及时，有效控制隧洞掘进方向，并有效控制隧洞的超欠挖。

用常规方法进行隧洞测量时，需要洞内停工、通风并加强照明，占用了宝贵的洞内施工时间。

近年来，随着激光技术的不断发展，激光指向仪在地下工程中已经得到了广泛的应用。

由于激光具有良好的方向性，发散角很小，能以大致恒定的光束直线传播相当长的距离，所以它就成为地下工程施工中一种良好的指向工具。

目前，激光指向仪已被广泛应用于指示地下工程掘进的中心线和坡度线中，它具有体积小、重量轻、结构简单、光束质量好、工作稳定、安装调试方便等优点。

在隧洞中合理使用激光指向仪，能大大提高隧洞施工质量和速度。

本文主要介绍激光指向仪在隧洞直线部分的应用方法。

二、激光指向仪的安装和调试
1、激光指向仪的安装
YBJ-A隔爆型激光指向仪采用悬挂方式安置在隧洞内的锚杆上，其技术参数为：有效射程：600~800m可调光斑直径：＜50mm(600~800m处) 工作电压：DC3V水平调节距离：15mm 水平调节角度：≥±5°垂直调节角度：≥5°工作环境温度：-20℃~40℃重量：4.5kg 激光指向仪既可以安装在隧洞顶部，也可以安装在隧洞边墙上，因为输水隧洞断面空间狭小，为避免施工过程中发生碰动或施工人员随意操作，所以选择将激光指向仪安装在隧洞顶部
中线处或中线附近。

安装在中线处时，激光光束与隧洞中线重合；安装在中线附近时，应使激光光束与隧洞中线平行。

如图一所
示：
图1
安装前需事先在隧洞顶部安装2根直径为22mm的锚杆，埋设深度不宜小于50cm，锚杆间距为30~40cm即可，锚杆外露的长度以不影响激光指向仪的安装、调试和洞内施工即可。

待锚杆稳定后方可按图1所示的方法安装激光指向仪。

将激光指向仪通过接合器悬挂在锚杆下方并固定，再用拉杆将两根锚杆连接在一起，以增强激光指向仪的稳定性。

2、激光指向仪的调试
激光指向仪安装好后，接通电源，使激光光束照射到掌子面上，调整激光指向仪上的竖直水平调节器，使激光光束与隧洞中线大致平行。

在隧洞内控制点上安置具有免棱镜功能的全站仪，测定图1中激光指向仪尾部的中心点A的三维坐标（XA，YA，ZA），计算点A距隧洞中线的偏距dxA及A 点与其所在里程的隧洞顶点间的高差dyA，然后测定掌子面上激光点B的三维坐标（XB，YB，ZB），并计算dxB、dyB。

则竖直方向修正值为△dy=dyA-dyB
水平方向修正值为△dx=dxA-dxB
根据修正值，调整激光指向仪的水平、竖直调节器，使激光点在水平、竖直方向分别移动△dx、△dy。

重新测定激光点B的三维坐标，直至△dy和△dx均等于0，此时应再次测定点A的三维坐标，重新计算△dx、△dy，如△dx、△dy 均等于0则调试结束，如不为零，则需重复上述步骤，直至满足要求为止。

调试完成后在激光指向仪和隧洞掌子面之间设置检查点，要求激光光束通过该检查
点。

激光指向仪经过调试后，满足了激光光束与隧洞中线平行或重合，激光光束的坡度与隧洞坡度一致的条件。

所以任意断面上激光点和隧洞中线的距离dx、激光点和隧洞拱顶间的高差dy均为定值，如图2所示。

激光指向仪的指向误差主要来源于激光光束标定误差和激光光斑的直径大小。

激光光束的标定误差受控制点点位误差和全站仪测量误差的共同影响。

在激光指向仪调试过程中，应使全站仪严格对中，同时将激光光斑调至最清晰，最小状态，以减小对激光指向仪的指向精度的影响（使用精度为2″的全站仪进行测量，激光指向仪的指向误差不超过±30mm）。

三、利用激光指向仪结合五寸台法放样开挖断面
五寸台法是施工放样中常用的放样方法，具体做法为从隧洞顶部向下每间隔50cm绘制一条水平线，然后标注出每条水平线从隧洞中线到开挖边线的横向支距，所有支距端点的连线即为隧洞断面开挖的轮廓线。

利用激光指向仪结合五寸台法的方法对隧洞断面进行放样前，先在计算机上利用CAD软件绘制出隧洞五寸台法放样的横断面图。

施工放样时，由激光点沿激光光束的垂线方向量取水平距离dx，确定隧洞中线点。

确定中线点后此中线点沿铅垂线方向量取dy，得到隧洞的拱顶高程。

最后，根据隧洞横断面的五寸台尺寸确定隧洞的开挖轮廓线，从而对隧洞的开挖断面进行控制。

四、注意事项
1、仪器安装时应接牢地线，带电时不准打开电源后盖。

外接电源电压要与
激光指向仪的额定电压一致；
2、仪器安置点距隧洞掘进工作面一般不应小于70m，以防爆破引起仪器振动或损坏；
3、在保证激光光斑清晰和稳定的前提下，可延长仪器的指向距离，但不能超过其最大指向距离；
4、仪器安置完毕后，应锁紧调节装置，以免碰动；
5、每次使用前须检查激光光束是否通过检查点，发现问题应及时进行调整；
6、定期进行检查测量，并根据测量结果调整隧洞中线和坡度；
7、仪器使用时，严禁用眼盯视激光光束，避免伤害眼睛；
8、为延长仪器寿命，使用之后要及时关闭电源。

五、结束语
针对隧洞的断面尺寸和开挖施工方法，如何快速、及时、准确地提供测量成果，以有效提高开挖轮廓线放样的精度和效率，采用何种放样方法显得尤为重要。

因为在隧洞施工中，对掌子面开挖轮廓线的放样是一道关键步骤，它直接影响到衬砌质量和施工成本费用，放样时间的长短也直接影响到施工进度。

利用常规方法对隧洞断面进行放样时，每次放样时都需要架设仪器，其放样时间一般为30~40分钟，甚至更长；而利用激光指向仪结合五寸台法的方法对隧洞断面进行放样，放样时间一般为10~15分钟，并且不需要每次放样均架设仪器，只需定期进行复核检查即可，同时减少了测量人员的工作量。

由此可知，利用激光指向仪结合五寸台法的放样方法，可以大大缩短放样时间，并且能有效的控制隧洞掘进方向，即提高了施工质量，又加快了施工进度，从而创造更大的经济效益。

参考文献：
[1]吴小勇。

JZY-1A激光腰线（水平）仪在巷（隧）道掘进中的应用[J]，矿山测量，2002，（4）。

[2]王平，等。

激光指向仪在井下大压力巷道施工中的应用。

煤炭技术，2003，（3）。

[3]付金峰，等。

BJZ-Ⅲ型激光指向仪的误差分析[J]。

矿山测量，2000，（1）。

激光指向仪使用方法和注意事项
摘要应用两种方法均能及时发现光束偏离，应用第二种方法，相对增加其可靠性，因其仍有一层保护，保险系数相对增大。

第一种方法必须有负责任的班组长和工程技术人员及施工队伍，及时放下几处中线进行检查，也完全可以避免因线动造成施工偏差。

综上所述，我矿宏泰二队项目部使用激光指向仪，取得较好成绩。

宏泰19 队和20 队在施工14# 层2705 和14# 层5705 期间，在沿导向层掘进中，每次延线保证不低于90-120 米，而第二次延线后与激光偏差均小于30㎜，取得令人满意的效果。

随着科学技术的进一步发展，激光指向仪至煤矿巷道施工的普遍应用，是一项重大的技术延深，不仅减轻了工人重复劳动，而且具有一目了然的功效，防止因人为目测照线产生的偏差，造成巷道施工质量难以达到标准化要求，为此，现将我矿在激光指向仪使用方面的若干方法和注意事项及有关规定介绍如下：
一、对矿用激光指向仪的技术要求
1、应满足矿井的防火要求。

2、仪器稳定性可靠，各个调节螺旋应有固定装置。

3、为了减少激光光束发射角、激光光斑大小适宜，参数选择在200 米范围内，光斑不大于±20～30㎜。

4、有与煤矿所需设备供电匹配，输入电压有±20％的波动范围。

5、仪器重量轻、体积小，安装便利，操作简易，能够在各种环境下应用。

二、激光指向仪在指示平巷或斜井掘进方向时的安置和使用
（一）仪器安置方式根据巷道支护形式和宽度，仪器结构等形式而定，可使用下列形式之一。

1 、安装在钢梁上，其高度应不妨碍运输和行驶行人，如图1-a 所示：图
1
2、安置在锚杆上，锚杆配合仪器自带固定装置因地制宜选择可靠的锚杆上安置。

安装仪器后，不妨碍运输和行人。

3、安置设于巷道一帮的悬臂梁上，这种安置方式，宜在以偏线指示巷道掘进方向时使用。

（二）光束标定方法标定方法大致分为三步来进行：第一步是准备工作，在巷道炽选择两个中线点A、B，其中A 点接近掘进工作面，B 点距掘进工作面50 米左右，在B 点后约3～5 米处安置支承指向仪的固定钢梁。

实测A、B 两点间的距离S 和A、B 两点高程， HA、HB，以及钢梁面的高程Hi（如图2）。

图2 第二步是放置仪器于钢梁上，并根据B 点附近时一组中线点，将仪器概略置中后固定于中线方向上，然后分别计算出指向仪光孔中心的高程H1，激光通过A、B 两点垂线时光束至A、B 的垂高hA、hB。

Hi=H1-h hA=HA-(Hi+Si′)
hB=HB-(Hi+Si″) 式中： h———出光孔中心至钢梁顶面的距离，仪器正置为正，悬挂为负 i———巷道设计坡度S′，S″分别为仪器到A，B 两点的距离。

第三步是调节仪器，使光束置于正确方向。

1、在A 点垂线上，自A 点向下量取hA，并作出标记A′；
2、开启电源，调节指向仪水平，垂直微调螺旋，使光束照准A′；
3、量取光束至B 点的垂高hB′以及光束在水平面内偏离B 点垂线的距离⊿1，并在垂线上hB′高处作出标记B′；
4、平移激光指向仪距离⊿1，使光束趋于中线方向；
5、在A 点垂线上，自标记A′起量取距离（hB′- hB），并做出标记A″；
6、调节仪器水平垂直微动螺旋，使光束照准A″点；
7、检查光束是否通过B 点垂线上的标记B′，若偏差大于5㎜（即方向差小于20″，坡度差小于1/1000），应重复上述操作再次趋近。

偏差值小于5㎜，即可锁紧调节螺旋，然后计算出光束至巷道轨面的高差，并将数字通知施工区队及施工技术人员。

三、光束方向正确性的检查激光指向仪在使用过程中，因放炮震动，支承仪器的钢梁或锚杆的变形式因人为意外的碰撞，光束偏离原来的方向，若不及时发现并纠正，会使施工方向造成错误。

因此，每班施工人员由班组长必须进行光束方向正确性的检查。

1、根据标定光束方向正确性的检查放下中线上的垂线，开启激光电源，观察光束是否通过标定时所用的垂线上标志，量取光束是否距钢梁数值，若数值无误，光束正好照准标志，表明光束方向正确。

2、应用专门设置检查屏进行检查检查屏的结构如图3 所示，将其安置在距激光指向仪前一定距离锚杆上，并上下左右移动，使光束通过其中心圆孔，然后固定检查屏，若光束偏离正确方向，屏极阻碍光束使其不能发射至掘进工作面，因而能及时发现。