机械分部开挖隧道的超欠挖控制施工方法

1.本实发明涉及一种机械分部开挖隧道的超欠挖控制施工方法，属于隧道施工技术领域。


背景技术：

2.近年来，随着经济的增长以及城市化进程的加快，我国已建成各类水下隧道总长达一万公里，修建水下隧道的方法主要有盾构法、沉管法以及矿山法等，其中矿山法相对其他工法有着其独特的优势-造价低，特别是对于长度较短的隧道，其经济效益更为明显。而对于采用机械开挖的矿山法隧道，如何控制其超欠挖是目前亟待解决的问题。
3.隧道超欠挖的施工控制不止直接影响到了施工进度、安全质量，还会让开挖费用增加，更重要的是由此造成了过量超填混凝土的费用。因此本发明针对隧道机械开挖的特点，提出了一种采用激光制导指向仪、隧道掌子面投影装置，形成一种能够及时和精确的给出分部开挖轮廓参考信息的机械开挖隧道超欠挖控制施工方法。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种机械分部开挖隧道的超欠挖控制施工方法，其能够实时和精确的给出隧道分部开挖的轮廓参考信息，以便于控制隧道环向和纵向的超欠挖量，从而提高隧道超欠挖的施工进度和质量。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.机械分部开挖隧道的超欠挖控制施工方法，其包括如下步骤：
7.步骤s1：依据下一开挖部份隧道的环向超欠挖量、轴线超欠挖量和掌子面外轮廓线的数据，在隧道内设置多个激光制导指向仪，同时测量和控制激光制导指向仪的位置，使激光制导指向仪可沿隧道开挖方向发出激光信号，从而在隧道开挖断面上投射出激光控制点和激光控制线，并使激光控制点分布于下一开挖部份隧道的掌子面外轮廓线上和使激光控制线反映出下一开挖部份隧道的环向超欠挖量；
8.步骤s2：在隧道内安装隧道掌子面投影装置，隧道掌子面投影装置可沿开挖方向在隧道开挖断面上投影掌子面图像，掌子面图像的投影外轮廓线与下一开挖部份隧道的掌子面外轮廓线形状相同；
9.步骤s3：测量隧道掌子面投影装置安装后在隧道开挖断面上投影的掌子面图像的初始像距和隧道掌子面投影装置的空间位置，并依据下一开挖部份隧道的开挖步距，计算出隧道掌子面投影装置的投影角度和焦距，以使隧道掌子面投影装置的投影满足以下条件：当隧道掌子面投影装置的像距为开挖步距与初始像距之和时，其在该像距的隧道开挖断面上投影出的掌子面图像的投影外轮廓线与步骤s1的激光控制点重合；
10.步骤s4：按步骤s3计算出的投影角度和焦距，对隧道掌子面投影装置进行调整，使隧道掌子面投影装置将掌子面图像实时投影至隧道开挖断面上；
11.步骤s5：根据既定施工方案开挖隧道，在开挖过程中通过激光控制线控制环向超
欠挖量，通过投影的掌子面图像控制轴线超欠挖量；
12.步骤s6：当开挖至掌子面图像的投影外轮廓线与激光控制点重合时，即完成了该部分隧道的开挖，即可进行该段隧道的支护结构施工；
13.步骤s7：重复步骤s1～s6进行下一部分的开挖，直至隧道开挖贯通。
14.作为具体技术方案，所述步骤s1中，激光制导指向仪的设置数量为7～11个。
15.作为具体技术方案，所述步骤s2中，将隧道掌子面投影装置与掌子面图像录入端连接，并将掌子面图像输入至掌子面图像录入端中，然后通过掌子面图像录入端将掌子面图像传输至隧道掌子面投影装置进行投影。
16.作为具体技术方案，所述步骤s2中，掌子面图像录入端为计算机或智能手机。
17.作为具体技术方案，所述步骤s2中，控制隧道掌子面投影装置的安装位置，使其初始像距为2～4m。
18.作为具体技术方案，所述步骤s2中，隧道掌子面投影装置安装在隧道中线上；所述步骤s3中，投影角度为0
°
。
19.作为具体技术方案，所述步骤s2，掌子面图像包括投影外轮廓线，多条相互垂直、呈呈网格状设置的投影内轮廓线。
20.作为具体技术方案，所述激光控制点和激光控制线与所述掌子面图像的投影外轮廓线采用不同的颜色显示。
21.作为具体技术方案，所述步骤s3中，所述隧道掌子面投影装置的空间位置通过全站仪进行测算。
22.本发明有益效果：本发明通过设置激光制导指向仪在隧道开挖断面上投射出激光控制点和激光控制线，通过设置隧道掌子面投影装置在隧道开挖断面上投影掌子面图像，其中激光控制线可便于控制隧道环向超欠挖量，而利用掌子面图像与激光控制点可精确方便的控制纵向超欠挖量，从而可提高隧道超欠挖的施工进度和质量。
附图说明
23.图1为下一开挖部分隧道开挖施工之前的示意图；
24.图2为下一开挖部分隧道处于开挖状态的示意图；
25.图3为下一开挖部分隧道达到开挖步距时的示意图；
26.图4为图1中激光控制点、激光控制线和掌子面图像在隧道开挖断面上的显示示意图；
27.图5为图3中激光控制点、激光控制线和掌子面图像在隧道开挖断面上的显示示意图；
28.上述图中各标识的含义为：1-隧道掌子面投影装置，11-掌子面图像，1101-投影外轮廓线，1102-投影内轮廓线，2-激光制导指向仪，21-激光控制点，22-激光控制线，3-掌子面图像录入端，4-下一开挖部份隧道，5-已开挖部分隧道，6-掌子面外轮廓线。
具体实施方式
29.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术
人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.实施例
32.机械分部开挖隧道的超欠挖控制施工方法，请参阅图1至图5，其包括如下步骤：
33.步骤s1：依据下一开挖部份隧道的环向超欠挖量、轴线超欠挖量和掌子面外轮廓线6的数据，在隧道内设置多个激光制导指向仪2，同时测量和控制激光制导指向仪2的位置，使激光制导指向仪2可沿隧道开挖方向发出激光信号，从而在隧道开挖断面上投射出激光控制点21和激光控制线22，并使激光控制点21分布于下一开挖部份隧道的掌子面外轮廓线6上和使激光控制线22反映出下一开挖部份隧道的环向超欠挖量；
34.通过上述方法，使激光制导指向仪2投射的激光控制点21显示了下一开挖部份隧道的掌子面外轮廓线6，而投射在隧道开挖断面上的激光控制线22的长度则显示了下一开挖部份隧道的环向超欠挖量；
35.步骤s2：在隧道拱顶中线位置处安装隧道掌子面投影装置1，隧道掌子面投影装置1可沿开挖方向在隧道开挖断面上投影掌子面图像11，掌子面图像11的投影外轮廓线1101与下一开挖部份隧道的掌子面外轮廓线6的形状相同；在开挖过程中，掌子面图像11会实时投影在当前的隧道开挖断面上；
36.步骤s3：测量隧道掌子面投影装置1安装后在隧道开挖断面上投影的掌子面图像11的初始像距(即所投影的掌子面图像11与隧道掌子面投影装置1沿隧道中线的距离，也可以认为是开挖前隧道开挖断面与隧道掌子面投影装置1沿隧道中线的距离)，同时测量隧道掌子面投影装置1的空间位置，并依据下一开挖部份隧道的开挖步距，计算出隧道掌子面投影装置1的投影角度和焦距，以使隧道掌子面投影装置1的投影满足以下条件：
37.当隧道掌子面投影装置1的像距为开挖步距与初始像距之和时，其在该像距的隧道开挖断面上投影出的掌子面图像11的投影外轮廓线1101与步骤s1的激光控制点21重合(即与步骤s1的激光控制点21在该像距的隧道开挖断面上的显示位置重合)；也可以理解为，在下一开挖部份隧道到达开挖步距时(即下一开挖部份隧道开挖完成时)，其在当前隧道开挖断面上投影出的掌子面图像11的投影外轮廓线1101与步骤s1的激光控制点21重合；而激光控制点21是均匀分布于下一开挖部份隧道的掌子面外轮廓线6上，那么掌子面图像11的投影外轮廓线1101将会与掌子面外轮廓线6重合；
38.由于隧道掌子面投影装置1所投影的掌子面图像11的投影外轮廓线1101与下一开挖部份隧道的掌子面外轮廓线6形状相同，因此实际上掌子面图像11的投影外轮廓线1101与掌子面外轮廓线6是呈等比例关系，那么根据凸透镜成像原理，可通过调整隧道掌子面投影装置1的投影角度和焦距来实现上述条件，此处不再赘述通过初始像距、隧道掌子面投影装置1的空间位置和下一开挖部份隧道的开挖步距来计算投影角度及焦距的方法；
39.步骤s4：按步骤s3计算出的投影角度和焦距，对隧道掌子面投影装置1进行调整，使隧道掌子面投影装置1将掌子面图像11实时投影至隧道开挖断面上；
40.步骤s5：根据既定施工方案开挖隧道，在开挖过程中通过激光控制线22控制环向超欠挖量，通过投影的掌子面图像11控制轴线超欠挖量；
41.对于环向超欠挖量的控制，由于激光控制线22的长度显示了下一开挖部份隧道的环向超欠挖量(沿隧道断面径向方向的超欠挖量)，因此在开挖过程用应保证环向超欠挖量与激光控制线22的覆盖区域相同；
42.对于轴线超欠挖量的控制，若掌子面图像11的投影外轮廓线1101位于激光控制点21内，则表示还未达到开挖步距，可继续开挖；当掌子面图像11的投影外轮廓线1101与激光控制点21重合，则表示达到了开挖步距，应停止当前部分隧道的开挖，这样可以更加方便和精准的控制纵向超欠挖量(沿隧道中线方向的超欠挖量)，省去了反复测量的间断施工过程，提高了开挖的效率；
43.步骤s6：当开挖至掌子面图像11的投影外轮廓线1101与激光控制点21重合时，即完成了该部分隧道的开挖，即可进行该段隧道的支护结构施工；
44.步骤s7：重复步骤s1～s6进行下一部分的开挖，直至隧道开挖贯通。
45.为了使激光制导指向仪2投射形成合适数量的激光控制点21和激光控制线22，以便于精确控制超欠挖量，进一步的，在一个优选的实施方案中，步骤s1中，激光制导指向仪2的设置数量为7～11个。
46.进一步的，在一个优选的实施方案中，步骤s2中，将隧道掌子面投影装置1与掌子面图像录入端3连接，并将掌子面图像11输入至掌子面图像录入端3中，然后通过掌子面图像录入端3将掌子面图像11传输至隧道掌子面投影装置1进行投影。
47.进一步的，在一个优选的实施方案中，步骤s2中，掌子面图像录入端3为计算机或智能手机，掌子面图像录入端3可通过有线或者无线与隧道掌子面投影装置1连接，以实现掌子面图像11数据的传输。
48.为了保证隧道掌子面投影装置1所投影的掌子面图像11清晰、明亮，进一步的，在一个优选的实施方案中，步骤s2中控制隧道掌子面投影装置1的安装位置，使其初始像距为2～4m。
49.进一步的，在一个优选的实施方案中，步骤s2中隧道掌子面投影装置1安装在隧道中线上；步骤s3中隧道掌子面投影装置1的投影角度为0
°
(即投影方向沿隧道中线)；此时，只需要依据初始像距、下一开挖部份隧道的开挖步距来计算和调整焦距即可，从而可便于隧道掌子面投影装置1的安装和调整，以加快施工进度。
50.进一步的，在一个优选的实施方案中，请参阅图4和图5，掌子面图像11包括投影外轮廓线1101，多条相互垂直、呈网格状设置的投影内轮廓线1102；这样可通过内轮廓线1102是否顺直的投影在隧道开挖断面上来判断掌子面是否开挖平整，或者以此来判断隧道掌子面投影装置1是否发生大幅度的移位，如在施工过程中投影角度改变。
51.为了便于区分不同的投射标识，进一步的，在一个优选的实施方案中，激光控制点21和激光控制线22与掌子面图像11的投影外轮廓线1101采用不同的颜色显示；如，激光控制点21和激光控制线22可采用红色显示，而掌子面图像11的投影外轮廓线1101可采用绿色显示，掌子面图像11的投影内轮廓线1102可采用黄色显示。
52.进一步的，在一个优选的实施方案中，步骤s3中，所述隧道掌子面投影装置1的空间位置通过全站仪进行测算。