自制激光导向仪在斜井开挖中的研究与应用

程正邦，李世斌，石 春，徐新宇，陈昌文

（中电建建筑集团有限公司，北京 100120）

1 工程概况

吉林某抽水蓄能电站，发电枢纽机组额定水头655.00 m，最大发电水头700.90 m，最大抽水扬程712.00 m，为典型的700.00 m 级高水头电站。电站引水系统设计了4 条陡倾角长斜井，其中下斜井单长466.35 m，与地面夹角55°，属于国内罕见的陡倾角特长斜井。上斜井井口距上支洞洞口约为545.00 m，上斜井井底距中支洞洞口约为2 036.00 m；下斜井井口距中支洞洞口约为1 331.00 m，下斜井井底距交通洞洞口约为1 738.00 m。无施工支洞直接通往斜井段。斜井开挖主要施工流程：先导井开挖→全断面扩挖→跟随支护。斜井开挖具有倾角大、距离长、测量控制难度大等施工特点。

2 工程施工初期状态

长斜井施工中导向控制是制约施工进度的难题之一。斜井采用正导井+反导井相向开挖，贯通后全断面正向扩挖的施工工艺。先导井断面为2.40 m×2.40 m 的矩形，空间较为狭小，利用阿里马克爬罐进行反导井开挖施工。受人体长时间抬头舒适度和全站仪自身结构限制[1]，仰角55°控制范围超不过60.00 m，而且仪器红色光源对环境要求较高，激光在水汽烟雾中穿透力较差，受斜井内水雾、烟尘的影响，全站仪电子测距系统经常无法工作，往往出现不测距、不返数现象。采用激光导向仪控制斜井导向可解决此问题。

传统爬罐开挖测量控制是把激光指向装置（激光器为YHJ-800型红色光源）安放在爬罐轨道旁边，由于掌子面下部是斜坡段，开挖爆破后的岩石碎渣顺斜坡段下落过程中经常碰撞激光器，且爆破后产生的冲击波也对激光器产生较大影响。设备自带的导向仪管壁较厚，自重7.1 kg，固定螺栓强度较高，但经不起振动的冲击，经常出现松动现象，导致安装、调试极不方便，且费时费力。爬罐为柴油动力，运行时不仅产生烟雾，而且噪声较大，校正1 次需要5 人爬上爬下连续工作4～6 h。在斜井各种不利因素（雾气、烟尘、爆破冲击波等）影响下，激光导向[2]有效工作距离一般只能达到200.00 m，性能无法满足长斜井开挖实际需要，且固定装置及锁定装置不稳定，严重影响激光指向精度，易对斜井轴线控制、工程质量、开挖进度等造成影响，发生不必要的损失。

3 方案优化

3.1 初次优化

YHJ-800 型激光导向仪是爬罐设备自带的进口型导向装置，标称射程800.00 m，这是在空气条件相当优良的情况下获得的数据。但在斜井中各种不利因素如雾气、烟尘等影响下，有效射程一般只能达到200.00 m，此后，光斑很弱，光束落在掌子面上成为分散的光晕，严重影响导向能力和导向质量[3]。经过一段时间的使用和导井开挖深度的延伸，导井内水汽和烟尘聚集，加之排风困难，YHJ-800 型红色激光的亮度穿透力不足、目标点光斑扩散，以及激光器本身的缺陷等，给指向工作带来新的困难和影响。

根据公路《交通安全法》法规，“汽车在有雾气、雨雪天或夜间视线不良的情况下，应开启雾灯减速行驶”。通常雾灯是黄色的，穿透力强，有利于在能见度低的雨、雾天气中，提高驾驶者与周围交通参与者的可见度。经多次比对，最终选出了一种黄色光源发射装置。经过不同环境下比对，发现黄色光源对于烟气和灰尘的穿透力明显不如对水雾的穿透力，爆破后烟尘通过排风和降尘系统下压，部分未排出导井的烟尘在导井中下部滞留，影响了黄色光源的穿透力。黄色光源接近于白色，比较刺眼，但斜井导井内环境较暗，工人在目视激光导向定位过程中，易引发视物重影或短暂的致盲效果，安全隐患较大。

为了解决这一难题，通过查阅相关资料并反复研究，同时对多种光源激光发射器进行反复试验，为模拟不利环境，专门选在雨雾天环境、爆破后浓烟环境、洞室出渣高粉尘环境等进行实地试验。根据试验比对结果，最终发现一种激光笔装置满足各项指标要求。该激光笔装置光源为绿色，在夜间或黑暗环境下光束强，而且具有投影清晰、光斑集中等特点。

经过对几种激光发射器的比对，最终选择了一款深绿颜色、价格低廉的小型激光笔装置。通过对发光介质、功率、聚焦环等构件进行优化，一款新型绿色光源激光导向装置改造完成，由于新装置采用在原装置基础上更换构件，所以安装也较为简单，在斜井反导井开挖过程中，发挥了很好的指向作用，不良条件下有效射程超过200.00 m。通过实际测试和对施工管理人员和井下工人的巡访，绿色光源激光导向仪较红色激光导向仪具有更好的适应性。

3.2 二次优化

激光导向仪安装于斜井导井底部，并随着开挖深度向上延伸，受到爆破振动影响较大，强大的冲击波顺着导井井巷高速传递，激光导向仪前边的玻璃镜片瞬间被冲破；爆破后下落的石块在重力及爆破加速度下，具备炮弹一样的势能，在无序飞下时极有可能击中仪器或固定支架，一般修复可能性较小，需更换新设备，备用量较大。为保护导向仪，制作一种指向固定架，可满足快速安装，节约了备用设备数量。

小型激光指向固定架见图1 所示，主要组成包括支架本体、固定锚杆、小型激光发射器[4]。其中，支架本体由微调板架、激光固定夹具、固定板架、T 型换向固定架、固定U 型卡组成。微调板架由微调螺栓（φ8 ～10 mm 密纹螺栓）与固定板架连接，起到微调和固定作用。固定板架利用背面M16 螺栓与换向固定架连接，起到粗调和固定作用。工作原理：利用换向固定架两端的固定U 型卡和M16 螺栓对横轴（X轴）和竖轴（Y轴）进行位置、指向的粗调及固定，固定后可通过微调板架进行微调及微调锁定。该支架可水平安装也可竖向安装，固定激光后可以在2 个轴向上方便快捷地进行调节，满足全方位指向。

图1 小型激光指向固定架

虽然导向仪拆装方便了，但仍需测量人员在斜井中爬上爬下矫正，耽误时间。经多次现场勘查研究，提出将激光导向仪下移的设想：把激光指向装置安装在井口下部，并制作一个可活动支架，安装在下弯段边墙上，激光导向装置安装在活动架端头，调整好角度及方向。需要测量指向时放下来，工作完毕时利用细钢丝绳绞盘将其收起，避免下落的石渣撞击和爆破冲击波的冲击，保证激光导向装置的稳定性。通过一个星期的现场数据采集、样架图纸设计、切割焊铆等工序，将设想变为现实。经使用，导向性能可靠稳定，大大缩减了激光导向仪校正时间，也方便随时导向操作，只要不受机械设备剐蹭，校正周期延长至7～10 d。

3.3 三次优化

这种绿色光源的激光发射装置，亮度高、射程远、光斑小，但体型较小，由于自身配带的纽扣电池储存电量少，导致这种装置存在不能长时间连续工作、需频繁更换电池的缺陷。为此，再次进行改进：将装置的电池卸掉，把正、负电极用导线引出连接1 个电源适配器（与激光装置使用电压相匹配）作为供电电源，再匹配1只小型循环定时电路开关闭合的时间继电器。将激光装置电源正极接入时间继电器，调整好闭合时间（如闭10 s、开5 s），间断闪亮，解决了激光装置不能连续长时间工作的难题。通过技术革新和设备改造，保证了激光导向仪的安全稳定，使施工效率得到提高，施工进度明显加快。校正1次导向只需3人在数分钟内即可完成，大大降低了测量难度，缩短了测量调试校正所占用的时间，使用效果完全满足施工需要。

采用最终优化后的激光导向仪使导井顺利贯通，贯通误差满足规范要求，导向成功。

4 效益分析

根据实际施工总结，斜井开挖过程中如利用全站仪进行常规掌子面放线，受斜井施工特点影响，每个循环最少需要1.5 h 进行测量放线。斜井直线段平均长度超过380.00 m，按每个开挖循环进尺2.50 m 计算，则需要152 个循环，共计228 h，4 条斜井总计需要912 h 的测量放线时间。利用此成果进行放线，可将单次测量放线时间缩短到10～15 min，按同等条件计算4条斜井采用优化后的激光导向仪放线所需时间合计144 h，可节约工期32 d。

小型激光装置在洞室开挖及不良环境中的使用性能高于爬罐设备自带导向仪产品和市场品牌激光产品，且价格低廉、安全可靠、安装校正方便，精度和指向效果完全满足施工需要。适宜在余下的斜井开挖和今后同类工程中的多点位激光指向技术和设施进行推广使用。在此次斜井全断面开挖过程中，对断面特征点进行多点位布置激光，马蹄形断面需要在6 个点位布置激光，开挖过程中损坏更换备用1 套，4 条斜井共计48 个激光导向仪。改进后的小型激光指向仪成本约200 元/台，市场上成品导向仪成本约1 500 元/台，可节约成本6.42 万元。

5 结语

通过对斜井工程激光导向技术和设备不断优化创新，最终达到导井精准贯通的结果。既保证工程质量，又能节省资金，是一个不错的降本增效途径。该激光导向设备制作及安装简单、坚固耐用，材料来源广泛、辅助构件易采购，固定调节灵活方便，可循环利用，不受场地限制，应用面广。可在特定情况下应用于工业与民用建筑轴向测量定位指向、各种隧洞开挖轮廓定点及掘进方向指引。