激光自动找平技术在南水北调渠床整理施工中的应用

□张玉波 □余良碧（中国水利水电第十一工程局有限公司）

1.前言

南水北调中线工程是一项跨流域、跨省市的特大型水利工程，是改善我国水资源配置、实现全面建设小康社会宏伟目标的重大基础性战略工程。沿线主要有明渠、倒虹吸、渡槽、地涵等建筑物组成，其中以明渠工程占据比例最大。渠道设计方案对渠床基础面质量要求在不扰动原状土的情况下平整度达到2 m靠尺检测<10 mm，质量标准较高。针对工程特点，如何确保大型渠床整理达到高精度质量要求，同时既能避免原基面长时间暴露又能及时为后续作业工序提供作业面，形成与渠道衬砌混凝土机械化浇筑速度相匹配的渠床整理施工技术，成为提高渠道施工水平的关键环节。公司以承揽的南水北调中线漳古段SG8标渠道工程为依托，围绕着这一关键工序，摆脱传统观念束缚，引进激光自动控制找平技术，应用于现场反铲、推土机、平地机等常用设备上，结合南水北调渠道施工工况探索出一套高效、经济的渠床高精度整理的施工方法。

2.工程概况

SG8标段位于河北省内丘县境内，渠道起点桩号121+985，终点桩号133+870，标段全长11.885 km，其中渠道长11.325 km。总干渠过水断面采用梯形断面，设计底宽18.5～22.0 m，设计边坡1:2.0～1：2.75。整个过水断面采用现浇混凝土衬砌，衬砌厚度渠底8 cm，渠坡10cm。衬砌板底分别铺设有复合土工膜防渗层和4 cm厚挤塑聚苯乙烯泡沫塑料保温板。总干渠典型断面见图1。

图1 总干渠典型断面图

3.激光控制机械自动找平工作原理

激光控制机械自动找平系统是用于对施工作业面进行高精度平整的光机电液一体化自动控制设备，是专门与相关施工机械配套并提高其自动化水平的重要手段，是当今世界上最先进的整平作业技术之一。该系统主要由激光发射器、激光接收器、激光传感器、控制器和液压工作站这五大部件组成。在施工机械上安装激光控制机械自动找平系统，它利用激光束产生的平面作为非视觉控制手段代替操作人员的目测判断能力做为控制基准，用以控制施工机具刀口的升降高度。通过液压伺服系统操纵机械工作，完成土地平整作业，其施工精度很高。

4.渠床整理施工及激光找平技术应用

渠坡坡面附近开挖施工分3步进行，第一用反铲挖除给定坡比和高程（预留保护层）的雏形。第二是在衬砌前精确测量，反铲粗削坡开挖，偏差严格控制在预留保护层厚度15 cm以内。第三采用自动削坡机精削至设计建基面；渠底修整与渠坡道理相同，只是使用机械不同，反铲开挖预留保护层后，采用推土机粗平、平地机精确刮平至设计建基面。

在施工过程中反铲粗削坡工序、渠底推土机粗平工序、渠底平地机精确找平工序施工中应用激光控制机械自动找平系统，充分发挥设备性能，利用激光束产生的平面作为非视觉控制基准，准确控制机械的运行轨迹，达到精细化施工的目的。

4.1 自动控制系统在挖掘机上的应用

渠道坡度控制的关键是削坡施工环节，为了探索又快又准的削坡工艺，尝试在反铲上应用激光自动找平技术。应用时取消了激光发射源及接收器，简化监控系统，该系统简称为VL坡度修正仪，仅由传感器、显示器、信号灯组成。各部件之间通过电缆连接，通过安装在挖斗、小臂、大臂、机身四处的传感器，它们感受各部位的重力加速度变化，将立体三维空间的数值变化由控制器屏幕显示出来，通过信号灯的指示，可使操作手实时作业正确判断，达到精确削坡的目的，同时提高施工效率。施工前结合设计参数进行设定，选择显示器主菜单上的削坡项，输入坡比的百分数，按确定健，然后清零，这时系统就会自动储存记忆这一指令。机械手在削坡作业中就会从控制器屏幕上看到铲斗工作时的角度变动值，它给操作手提示坡度数值情况，每次反铲在斜面或平地上行走发生移位变化时都要将斗铲放置在已成型坡面上重新清零设定，然后再进行施工，以确保参照标准的延续。经试验结果显示坡度误差为零，坡面高度正偏差5～10 cm，符合预先设定的精度要求。渠道开挖及削坡过程中只需测量人员测放出渠坡开口线或基底设计高程，设备操作手即可开展有结构尺寸要求的基坑作业面施工，并可满足任意坡比的开挖及削坡需求。

由于操作手在作业过程中不便随时观看显示器，该系统安装在驾驶室内的LED灯就给出了一个直观灯光信号提示，该灯自上而下分绿、蓝、红3种颜色，分别代表了欠挖、标准、超挖3种情况，辅助操作手及时完成即定的操作指令，使单机操作手即可开展有结构尺寸要求的作业面施工。

4.2 激光自动找平技术在推土机上的应用

该系统主要由激光发射器、激光接收仪、自动伸降杆、操作器等部件组成。其工作原理是利用激光束产生的平面（或坡面）作为非视觉控制手段引导操作手作出正确判断，用以控制推土机刀口的升降高度。施工过程中，现场架设好激光源后（通过激光发射器可形成自动水平或一定坡度的激光面），当推土机刀口的初始位置根据设计高程确定后，通过调整安装在铲刀上的自动伸降杆将激光接收仪对准激光源标准面。此时在推土机的行进作业过程中，激光接收仪的信号指示灯和操作器显示屏会告知操作手刀口高程位置偏差，以便操作手快速实时做出正确判断，达到精确操作的目的，提高施工效率。

实际施工过程中推土机主要用于渠底，当渠底精削成型时渠坡衬砌混凝土板已经成型，这时可将坡脚齿槽混凝土顶面作为基准面。现场架好激光源后，将推土机铲刀移至基准面上，调整自动伸降杆，当接收器上的红色指示灯出现“一”字形时，表明开挖基准面已设定好，此时再将自动伸降杆上调12 cm，这时的基准面也就向下移动了12 cm（包含渠底8 cm厚混凝土和4 cm厚保温板），即渠底的设计高程，此方法便于现场快速校准。推土机开始在所选定的渠段内进行推土，操作手始终根据激光接收器显示的状态去操纵手柄控制铲刀的升降，保持铲刀始终沿着基准面推进。经过现场测量检验，其高程误差可以控制到5～10 cm。

4.3 激光自动找平技术在平地机上的应用

该系统主要由激光发射器、激光接收仪、激光传感器、控制器和液压工作站等部件组成。其工作原理是利用激光束产生的平面作为非视觉控制手段代替操作人员的目测判断能力做为控制基准，用以控制平地机具刀口的升降高度。激光控制平地作业时，一旦铲运机具刀口的初始位置根据设计高程确定后，无论地形如何起伏，受激光发射和接收系统的影响，控制器始终经液压升降系统将铲运刀口与平地参照面间的距离保持在某一恒定值，通过伺服液压系统操纵平地铲运机具工作，完成土地平整作业，基面平整速度快、精度高。

平地机精平作为渠底精削成型的重要阶段，使用过程中首先应对系统清零。操作平地机将铲运刀口落至地面，上下调节安装在设备桅杆上激光接收器的高度，当接收器中心控制点位与激光源发射面水平，固定该接收器的位置，此时说明已经调整好接收装置；在显示器上输入铲运刀口与设计基面高差的修正值，这时平地机铲刀在控制器的命令下操纵液压阀组工作，相应的液压油缸自动向下或向上一个修正值行程，达到施工所需要精平的目标高程，然后关掉操作器的自动开关，此时平地机已经进入整平待命状态，再次打开操作器的自动开关即完成了清零准备，随即可开始平地机的精平工作。经现场测量检测，经过精平后的渠床基面高程满足设计要求，控制精度在1 cm以内。

5.渠床高精度找平施工技术

为实现反铲粗削坡后的坡面机械化精确平整，公司成功研制出具有自动松土、精削坡和出土功能的渠道削坡机。该削坡机的结构型式是以在轨道上行走的桁架作为工作平台，通过安装在桁架上的可自动运行的旋刀松土器、链齿型削坡装置和输料皮带，通过操作室控制各部件，可同时完成松土、削坡、出土、装车等相关削坡的所有工序。由于削坡机是采用轨道行走，削坡过程是沿桁架轨迹运行，避免了人工削坡时许多不利因素，较传统人工配合反铲削坡提高了精度和施工效率。

将削坡机和反铲有机结合，由安装了VL坡度修正仪的反铲完成第一道粗削坡工序，削坡机完成第二道精削坡整形施工，可达到高精度坡面整形的质量要求。

渠底整平成型采用推土机与平地机配合，由于前期开挖施工要求渠底预留不少于30 cm的保护层，从这个要求上决定了必须用推土机对渠底进行粗平，把这个预留的保护层降到最小，以便为后续平地机精平时提供良好条件，减少出土量，重点实施渠底精平净面。为实现设备资源的最优化使用，工程技术人员在渠底渠床整理时将一个激光源同时用于推土机和平地机，既满足先期推土机粗平的施工需求，又满足后期平地机精平的需要，从工序衔接到资源优化使用均达到理想效果。

把应用了激光自动找平系统的机械设备与削坡机组合，将反铲与削坡机配套用于渠坡，将推土机与平地机配套用于渠底，形成了一整套大型渠道渠坡、渠底高精度整理施工技术。

6.结语

激光控制机械自动找平系统在南水北调渠道渠床整理施工中的应用，取得了良好的施工效果，为提高渠道基床施工精度和质量起到了推动性作用。通过实践证明，激光找平技术在大型土建工程土地平整施工领域有独特的优越性，具有很大的发展潜力和应用空间。激光找平技术巧妙地与现有机械设备相组合，成为大型渠道梯形渠床高精度成型配套施工工艺和新方法，为后续类似工程施工提供了一种全新的施工技术，具有广泛的推广应用前景。