專利名稱：隧道無線激光放樣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種地下工程開挖激光放樣裝置，更具體涉及一種隧道無 線激光放樣裝置，尤其是鉆爆法隧道施工中開挖斷面輪廓線和炮孔定位放樣的 激光放樣裝置。
背景技術(shù)：
目前在地下洞庫隧道網(wǎng)絡(luò)的鉆爆法施工中，開挖工作面的定位放樣普遍處 于人工儀器中線測量、鋼尺定位炮孔的狀態(tài)，費(fèi)時費(fèi)力，工作效率低，不能滿 足龐大的工程任務(wù)在時間上的緊迫要求，而且定位放樣精度差，容易造成超欠 挖，影響施工質(zhì)量、進(jìn)度和造價(jià)。
利用激光投射進(jìn)行放樣施工是一種很好的解決方式。目前的激光投射放樣 技術(shù)中，激光指向儀是簡單實(shí)用的一種，利用安置在隧道頂部和邊墻上的激光 器，發(fā)射和隧道中線重合或者平行的激光光束，從而定位隧道的中線位置。該 技術(shù)具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)射可見光，不占用隧道交通空間影響施工等 特點(diǎn)，能指示隧道掘進(jìn)的方向和坡度、標(biāo)定隧道中線位置，但是該儀器僅能指 示中線，不能定位輪廓線和炮孔，難以處理彎曲的隧道，使用中尚需人工來確 定丈量每一個炮孔，工作量很大，且不夠精確。
近來出現(xiàn)了一種能靈活地進(jìn)行隧道斷面激光放樣的技術(shù)一一激光透鏡掃 描投射放樣技術(shù)，例如中國發(fā)明專利公開號CN1262378A于2000年8月9日 公開的激光隧道斷面放樣儀。該技術(shù)是通過步進(jìn)電機(jī)帶動物鏡平移，改變儀器 內(nèi)固定激光器的激光束出射方向進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)投射指示出斷面輪廓和 開挖斷面上定位輪廓線和多個炮眼點(diǎn)的功能。這一類技術(shù)及相應(yīng)的儀器在實(shí)際 應(yīng)用中存在一些不足之處自身定位較為困難，需要測量儀器配合，難以自由 設(shè)站，比如只能放在中樁點(diǎn)上，占用了隧道交通空間，影響隧道施工；處理曲 線隧道不方便；由于物鏡的相對口徑有限，掃描范圍和距離受一定限制，例如
需要放樣的隧道斷面若較大，則放樣儀必須遠(yuǎn)離開挖工作面。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是在于提供一種隧道無線隧道激光放樣裝置，該儀能實(shí)
現(xiàn)在隧道和其它地下工程施工中快速地激光定位放樣；在使用中可以讓儀器自 身簡便地定位，且激光掃描放樣范圍不受放樣位置和距離限制，不影響隧道施 工交通，定位放樣精度高，可以簡便自動地處理任意的曲線隧道、任意斷面形 態(tài)及鉆爆方案。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)措施該放樣裝置由計(jì)算機(jī)、
伺服型電子全站儀、半導(dǎo)體激光器、串口無線通信器組成。計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有控制 軟件，計(jì)算機(jī)的串行口和伺服型電子全站儀的串行口分別連接上串口無線通信
器，兩個串口無線通信器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信號的連接傳輸；半導(dǎo)體激光器 安裝在全站儀測量轉(zhuǎn)動部件的內(nèi)部，激光光束從全站儀測量轉(zhuǎn)動部件上開孔投 射出來。在計(jì)算機(jī)軟件控制下，放樣裝置通過無線通信控制全站儀的測量進(jìn)行 自身定位，通過控制全站儀轉(zhuǎn)動使得激光投射到隧道開挖工作面上，達(dá)到放樣 目的。計(jì)算機(jī)軟件已進(jìn)行軟件著作權(quán)登記，軟件名稱為"隧道掘進(jìn)自動定位系 統(tǒng)"，軟件著作權(quán)登記號2007SR01366。其工作流程如下-
(1) 系統(tǒng)初始化，即開啟計(jì)算機(jī)、無線通信器、激光器和全站儀，使它 們處于工作狀態(tài)，并確定無線通信器和全站儀正常工作；
(2) 用全站儀觀測已知的后視點(diǎn)，系統(tǒng)自動計(jì)算自身位置(北、東和高 程)和方位(北方向)；
(3) 在圖形化界面下輸入整個隧道的軸線幾何數(shù)據(jù)，斷面的形態(tài)數(shù)據(jù)以 及鉆爆方案(斷面炮孔設(shè)計(jì)方案)，包括直線和圓弧曲線型的任意多段隧道， 任意形狀的開挖斷面和炮孔位置；
(4) 控制全站儀旋轉(zhuǎn)、測量當(dāng)前開挖工作斷面的距離和測量點(diǎn)的角度， 對比已經(jīng)輸入的隧道軸線三維數(shù)據(jù)，計(jì)算開挖斷面輪廓的特征點(diǎn)(起拱點(diǎn)，頂 點(diǎn)和邊墻正負(fù)零點(diǎn)等)以及炮孔的三維坐標(biāo)；
(5) 根據(jù)放樣裝置自身定位的數(shù)據(jù)，計(jì)算開挖斷面輪廓的特征點(diǎn)及炮孔 對應(yīng)的全站儀旋轉(zhuǎn)水平H角和垂直V角；控制全站儀旋轉(zhuǎn)，使激光束投射到 需要定位的輪廓線點(diǎn)和炮孔位置，指導(dǎo)操作人員標(biāo)記、鉆孔。
(6) 放樣全部完成后，輸出放樣的結(jié)果圖形和記錄。
本實(shí)用新型具有以下的優(yōu)點(diǎn)和效果①放樣系統(tǒng)自身定位簡便；由于采用 了計(jì)算機(jī)軟件分析，利用全站儀高精度測量已知點(diǎn)，可以快速地確定系統(tǒng)本身 的三維坐標(biāo)，操作簡便，對曲線復(fù)雜的隧道放樣十分有利；因此系統(tǒng)可以自由 設(shè)站，在施工中可以將放樣系統(tǒng)安裝在邊墻高處或頂部，不影響隧道內(nèi)的施工
車輛交通，節(jié)約施工時間。②采用的無線通信方案使放樣系統(tǒng)可以安裝在任意 位置，降低了對隧道內(nèi)交通的影響；同時使得工作人員可以遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行
操作，更為安全。③放樣精度高，由于采用了全站儀作為系統(tǒng)測量和轉(zhuǎn)動定位 的機(jī)械主體，測角精度可以達(dá)到l秒及以上，由此計(jì)算，在400米處斷面放樣 精度約可達(dá)lmm。④內(nèi)置的激光器，不影響電子全站儀的功能，使得全站儀 這一施工和測繪單位原有的設(shè)備可以照常使用，從這一角度講激光放樣系統(tǒng)的 成本很低；同時可以360度大范圍旋轉(zhuǎn)，放樣適應(yīng)性強(qiáng)。⑤系統(tǒng)適應(yīng)于復(fù)雜鉆 爆方案，放樣速度快。在室內(nèi)計(jì)算機(jī)軟件上事先處理、存儲隧道斷面的鉆爆方 案，現(xiàn)場施工時以圖形界面操作，簡明、快捷，節(jié)約了施工時間。


圖l為一種隧道無線激光放樣裝置示意圖。
圖2為一種隧道無線激光放樣裝置軟件功能流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明-
如圖l所示，系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)l、全站儀2、半導(dǎo)體激光器3和無線通信器4 和5組成。計(jì)算機(jī)1內(nèi)裝有控制軟件，計(jì)算機(jī)1與無線通信器4通過串行口 7 連接，全站儀2與無線通信器5通過串行口 8連接，無線通信器4和5為配套 雙向傳送通信器，計(jì)算機(jī)1的控制信號和全站儀2的數(shù)據(jù)信號通過無線通信器 4和5譯碼、傳送。具體實(shí)施時，計(jì)算機(jī)采用具備串行口的便攜機(jī)或臺式機(jī)； 全站儀采用伺服型電子全站儀，可選用的型號有Topcon 800系列、光譜 FOCUS 10系列、Trimble 5600系列等；無線通信器采用串口無線數(shù)傳單元， 可選用的型號有Intech便攜端口 HPS-120、捷易無線數(shù)據(jù)傳輸終端和力創(chuàng) LQ9200等；
半導(dǎo)體激光器3安裝在全站儀2的測距轉(zhuǎn)動頭6內(nèi)部，激光器3光軸與全 站儀2測量光軸平行，安裝位置使得激光光束可以從全站儀2原有孔或者另行 開孔投射出來，激光器3光軸調(diào)整到與全站儀2的測量光軸平行。半導(dǎo)體激光 器采用紅光(波長在650nm左右)或者綠光激光器(波長在532nm左右)、 發(fā)散角小，體積適合于全站儀內(nèi)置即可，激光器的功率根據(jù)使用的隧道空氣透 明程度進(jìn)行選擇，20 50mw—般可滿足鉆爆法開挖現(xiàn)場500米投射需求，可 選用型號有GP461激光定靶器，HqL04激光鐳射瞄準(zhǔn)器等。
激光放樣系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)1控制下工作的，其具體過程根據(jù)圖2說明如下， 其步驟是
(1)系統(tǒng)初始化9，即開啟計(jì)算機(jī)l、無線通信器4與5、激光器3和全 站儀2,使之處于工作狀態(tài)，然后計(jì)算機(jī)向全站儀2發(fā)送無線應(yīng)答請求10,以
確定無線通信器4與5和全站儀2是否正常工作；軟件判斷全站儀是否正常應(yīng) 答11，如果正常應(yīng)答，執(zhí)行了旋轉(zhuǎn)操作，則可進(jìn)入下一步驟；如果軟件沒有 接收到正常應(yīng)答，則進(jìn)入出錯處理12，提示排除無線通信器或者全站儀的不 正常工作狀態(tài)；
(2) 用全站儀觀測已知的后視點(diǎn)(北、東和高程數(shù)據(jù)已知)，系統(tǒng)自動計(jì) 算自身位置(北、東和高程)和方位(北方向)系統(tǒng)自身定位13;具體操作 為，輸入兩個已知的后視點(diǎn)三維坐標(biāo)(北、東和高程)，將全站儀依次旋轉(zhuǎn)對 準(zhǔn)兩點(diǎn)，測量其角度，軟件自動計(jì)算系統(tǒng)自身位置，即測量光心的坐標(biāo)(北、 東和高程)，并得到相對坐標(biāo)系的北方向，然后自動將方位角數(shù)據(jù)清零，轉(zhuǎn)向 北方向，完成放樣裝置的自身定位。
(3) 在圖形化界面下輸入隧道軸線數(shù)據(jù)14，輸入斷面數(shù)據(jù)與鉆爆方案15 (斷面炮孔設(shè)計(jì)方案)；具體操作為，以表格填寫的方式輸入隧道的起始點(diǎn)坐
標(biāo)、類型(包括直線和圓弧型)、坡度和長度參數(shù)，圓弧型隧道還要輸入圓心、 半徑參數(shù)，表格可輸入任意多段隧道；然后以圖形操作方式繪制斷面的二維形 狀，輸入特征點(diǎn)和炮孔位置(X、 Y)，以及隧道軸線與開挖斷面交點(diǎn)的相對坐 標(biāo)X0、 Y0;
(4) 測量斷面距離、角度16，測量當(dāng)前開挖工作斷面的距離和測量點(diǎn)角 度?？刂迫緝x旋轉(zhuǎn)、指向當(dāng)前開挖工作斷面，配合棱鏡測量距離和測量點(diǎn)角 度；軟件自動基于已經(jīng)輸入的隧道軸線三維數(shù)據(jù)，計(jì)算得到開挖斷面輪廓的特 征點(diǎn)(起拱點(diǎn)，頂點(diǎn)和邊墻正負(fù)零點(diǎn)等)以及炮孔的三維坐標(biāo)；
(5) 計(jì)算輪廓線特征點(diǎn)和炮孔的全站儀旋轉(zhuǎn)角17。軟件根據(jù)系統(tǒng)自身定 位的數(shù)據(jù)，計(jì)算開挖斷面輪廓的特征點(diǎn)及炮孔對應(yīng)的全站儀旋轉(zhuǎn)水平H角和 垂直V角；在圖形界面鼠標(biāo)控制下根據(jù)放樣點(diǎn)順序依次向全站儀發(fā)送全站儀 旋轉(zhuǎn)請求18，判斷全站儀是否旋轉(zhuǎn)正常并應(yīng)答19，如果全站儀沒有正常應(yīng)答， 則迸入出錯處理，提示排除硬件故障或者更改軟件設(shè)置，如放樣的時間間隔等； 在無線通信和全站儀工作正常情況下，激光束即可正確指示需要定位的輪廓線 點(diǎn)和炮孔位置，開挖操作人員可據(jù)此進(jìn)行標(biāo)記、鉆孔，然后判斷是否所有點(diǎn)都 己放樣完畢21，如果尚有放樣點(diǎn)待處理，則返回步驟17，計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，否 則進(jìn)入放樣完成輸出圖形記錄22。
(6) 放樣完成輸出圖形記錄22，放樣全部完成，軟件自動輸出放樣的結(jié) 果，以圖形形式輸出放樣的輪廓線和炮孔，可打印存檔，提供數(shù)據(jù)文件記錄。
上面描述的是完整的放樣裝置操作流程，當(dāng)隧道開挖斷面不斷向前推進(jìn) 時，放樣裝置本身沒有移動的情況下，在操作上則可以跳過步驟13、 14、 15， 確定放樣裝置正常工作后，直接測量新的開挖斷面16,進(jìn)行新一輪放樣操作。
權(quán)利要求1、一種隧道激光放樣裝置，包括計(jì)算機(jī)(1)、全站儀(2)、半導(dǎo)體激光器(3)和無線通信器(4)，其特征在于，計(jì)算機(jī)(1)內(nèi)部裝有控制軟件，計(jì)算機(jī)(1)與無線通信器(4)通過串行口(7)連接，全站儀(2)與無線通信器(5)通過串行口(8)連接，半導(dǎo)體激光器(3)安裝在全站儀(2)的測距轉(zhuǎn)動頭(6)內(nèi)部。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道激光放樣裝置，其特征在于激光器 (3)光軸與全站儀(2)測量光軸平行。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種隧道無線激光放樣裝置，該激光放樣裝置由計(jì)算機(jī)、伺服型電子全站儀、半導(dǎo)體激光器和無線通信器組成。計(jì)算機(jī)串行口與無線通信器連接，全站儀與無線通信器通過串行口連接，半導(dǎo)體激光器安裝在全站儀的測距轉(zhuǎn)動部分內(nèi)部。系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)軟件控制下完成系統(tǒng)自身定位，隧道軸線數(shù)據(jù)、開挖斷面和鉆爆方案數(shù)據(jù)輸入，斷面測量，斷面輪廓及炮孔定位放樣的工作流程。該儀可自動地處理任意的曲線隧道、任意斷面形態(tài)及鉆爆方案，快速準(zhǔn)確地利用激光束指示開挖，適用于包括隧道開挖在內(nèi)的各類地下工程施工。
文檔編號E21D9/00GK201031704SQ20072008500
公開日2008年3月5日 申請日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者劉小燕, 劉泉聲, 張程遠(yuǎn) 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所