于进洋
（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京，101300）
【摘 要】本文通过对激光指向仪控制曲线隧道中线的方式及计算原理，激光指向仪的安装及调试，精度分析，注意事项四方面经行了分析，重点探讨了激光指向仪在曲线段隧道内支距的计算和调试方法，对激光指向仪指导掘进的方法与传统方法经行了比较，通过分析认为在曲线地铁隧道施工过程中，利用激光指向仪指导隧道掘进具有较好的效果。
【关键词】激光指向仪；曲线隧道中线；计算方法；指导掘进
引言
目前，随着科学技术的发展，隧道施工技术与工艺的进步，隧道掘进速度越来越快，因此在进行隧道施工测量时，必须要做到快速、准确、及时，以便有效控制隧道掘进方向，尽快掌握隧道的超欠挖情况。然而，施工隧道中光线弱、空间小、气象差等不利的测量条件向测量工作者及其使用的测量仪器和技术提出了严峻的挑战。如何能在不影响施工进度的前提下保证测量精度，提高测量效率是摆在测量工作者面前的难题。
常规测量方法放样隧道中线时，可以采用在拱顶吊垂线的方法标定出隧道中线的走向，以此控制隧道的掘进。采用该方法时，所放隧道中线不能距掌子面太远，不利隧道走向的控制。尤其是曲线隧道，隧道中线要及时跟进，保证线路的正确走向，否则隧道极容易挖偏。这就要求放线的频率要足够多，放线的时候要加强洞内照明、通风，还要占用许多宝贵的施工时间，不仅影响了施工进度，也给测量人员增加了负担。激光指向仪作为科技进步的产物，在隧道施工中的应用越来越广泛，它能够发射出红色或绿色可见过，光线一般可以照射到500米以上，并且光线发散性小，调节焦距可以控制激光点的大小，通过激光指向能够快速确定隧道中线。因此正确使用激光指向仪可以节省大量的测量放线时间，提高测量的工作效率。
在直线隧道施工时，可以将激光束方向调节到与隧道中线重合或是平行的位置即可控制隧道的平面走向。但是在曲线隧道施工时，隧道中线不再是直线，此时若按直线隧道的控制方法肯定是行不通的。本文重点探讨曲线隧道施工时激光指向仪控制隧道中线的方式及计算方法。
1．激光指向仪控制曲线隧道中线的方式及计算原理
在曲线隧道施工时，使用激光指向仪控制隧道中线需要编制激光束与隧道中线随里程变化的支距表来控制隧道中线，指导隧道掘进。
1.1缓和曲线段隧道中线的控制方式及支距计算
缓和曲线段分为两种情况，一种为由直线过渡到圆曲线（ZH—HY），另一种为由圆曲线过渡到直线（YH—HZ）。当曲线处于直线向圆曲线过渡时，使激光束方向与ZH—HY方向重合或平行。当曲线处于圆曲线向直线过渡时，使激光束方向与YH—HZ方向重合或平行。 以下以激光束方向与ZH—HY方向重合为例计算激光束与隧道中线支距。
如图1所示：
图1
以ZH为坐标原点，以切线为X轴，垂直于切线放向为Y轴，M点为缓和曲线上的任意一点，激光束为ZH与HY点的连线，M点分别向激光束和切线作垂线，垂足为m、m’点，则M点在该坐标系下的坐标为：
式中D为图纸上圆曲线段隧道中线的固定内偏移值。因此，在M点里程处的隧道中线支距值为： Lm’= Lm-d —③
YH与HZ点连线方向的激光束在某里程支距公式同③公式。
1.2圆曲线段隧道中线的控制方式及支距计算
在缓和曲线间的圆曲线段内，激光束可以调整为HY—YH的连线方向，也可调整为HY—QZ、QZ—YH连线方向，具体选用何种方式要看圆曲线的线路长度和半径的大小，若线路过长，半径较小情况小选取HY—QZ、QZ—YH连线方向进行隧道中线的控制比较容易，激光束与隧道中线的支距不会太大。反之，圆曲线较短，半径很大时候可以考虑将激光束方向调整为HY—YH的连线方向，这种方式的优点是减少大量的计算，而且激光指向仪不需在洞内过多的拆装。
如图2所示
QZ点至YH点及HY点至YH点连线方向的激光束在某里程处隧道中线支距公式同④公式。
无论是缓和曲线还是圆曲线，计算激光束在某里程隧道中线的支距值都是比较繁琐的。如果按照公式使用计算器进行计算，内业的计算量太大，在现实操作中可利用电子表格编辑相关公式进行计算，其计算效率大大提高。
2．激光指向仪的安装及调试
2.1激光指向仪的安装
激光指向仪可以安装在隧道的拱顶和边墙上，根据实际需要来确定在某断面上安装激光指向仪的个数，一般情况下在边墙两侧分别安装一台既能满足控制隧道掘进的要求，有时为了更为严密的控制掘进方向，可在隧道拱顶加装一台。
在安装激光指向仪之前要确定激光指向仪的安装部位（里程与标高）和激光束指向的方案。方案确定完毕之后，根据其方案使用高精度全站仪将激光束的方向标定出来，然后即可按照标定出的位置及方向进行激光指向仪的安装和固定。
2.2激光指向仪的调试
激光指向仪安装完毕之后，须对激光束的方向进行进一步调试，在调试的时候要两人配合，一人调试仪器另一人站在掌子面激光束预先设计的位置检查激光束的方向。调试时候分粗调和精调两个步骤。粗调使激光指向大概正确，激光束基本上能对准预先设计的位置即可。精调时，要精确测量激光口中心的三维坐标，依据事先设计好的激光方向及坡度，计算出激光束在掌子面上应在的位置，并用使用高精度全站仪将该位置放样出来，做好标记。此时，使用激光指向仪上面是微调螺旋，缓慢使激光束向正确的方向靠近，当激光束中心恰好对应在标记点上时暂停调试，重新观测激光口中心的三维坐标，将第二次观测数据与第一次的相比较，若两次观测数据差异较大则要以第二次观测数据重新计算出激光束在掌子面上应在的位置，并重新调试，直到前后观测数据能够吻合则激光精调成功。精调过程看似复杂，但在实际操作过程中并非如此。一般情况下，激光只需精调一次即能满足精度要求，在精调的前后激光口的位置几乎没有变化。为了日后方便检查激光束的方向及坡度，可在隧道拱部放样出激光束方向上的点位，钉钉悬挂一根细线绳，并量出钉至激光穿越细线绳位置的距离，在绳上做好标记，日后检查以此为标准，确定激光束是否发生偏移。
3．精度分析
激光指向仪的指向精度主要受以下因素影响：①激光束定位的精度；② 激光光斑的直径大小。
激光光束的定位精度受控制点点位精度和全站仪测量精度的共同影响。忽略控制点的点位误差影响，激光光束的标定精度主要由全站仪的测量精度决定。隧道控制测量一般使用测角精度为±2″的全站仪，取其2倍即±4″作为对激光光束方向的影响。假定激光指向仪有效照着距离为500米，其对隧道中线的影响值为500 = 9.696mm.激光光斑的大小可以调焦经行控制，保证激光光斑的精度。此影响可忽略不计，因此可认为激光指向的误差不超过1cm。
4．注意事项
（1）激光指向仪要定期经常进行检查，保证激光束方向的正确；
（2）洞内注浆时要对激光指向仪经行保护，防止水流入仪器里面；
（3）爆破时需做好防护，防止飞石砸坏仪器；
（4）瓦斯隧道内使用时，必须选用防爆电源和防爆开关。
5．结束语
在曲线隧道的施工中，利用激光指向仪替代传统放线方法控制隧道中线，指导隧道掘进开挖，能够大大节省测量放线的时间，并且精度可靠，此方法值得进一步研究探讨。
参考文献：
[1]张项铎，张正禄 《隧道工程测量》 测绘出版社 1998-1
[2]王化光，梁明学 《激光指向仪在隧道施工中的应用》
论文作者:于进洋
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年8月供稿
论文发表时间:2015/12/7
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