Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Лазерные маркшейдерско-геодезические измерения в строительстве: Монография

Голосов: 0

Рассмотрены вопросы совершенствований методики маркшейдерско-геодезических измерений на основе применения новых оптических и лазерных приборов. Определены оптимальные типы основных узлов таких приборов с учетом надежности и показаны преимущества жидкостных компенсаторов. Приведена классификация жидкостных компенсаторов и даны расчетные формулы для определения их основных параметров. Рассмотрены способы учета влияния факторов внешней среды на точность маркшейдерско-геодезических измерений и разработаны инструментальные методы определения рефракции в подземных горных выработках. Даны рекомендации по использованию лазерных приборов при подземном строительстве. Книга полезна для исследователей и конструкторов, создающих новые приборы, а также студентам и аспирантам геодезических, маркшейдерской и географических специальностей.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    Министерство образования и науки Российской Федерации

         Санкт-Петербургский государственный
        архитектурно-строительный университет




    Ю. И. БЕСПАЛОВ, Т. Ю. ТЕРЕЩЕНКО




ЛАЗЕРНЫЕ МАРКШЕЙДЕРСКО-
ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
     В СТРОИТЕЛЬСТВЕ




                  Санкт-Петербург
                       2010


УДК 528.54: 621.375
ББК 26.12
  Б53
                                                                                                                          ПРЕДИСЛОВИЕ

     Рецензенты: заведующий кафедрой картографии Санкт-Петербургского государственного          Лазерные маркшейдерско-геодезические измерения находят все более широ-
университета, профессор, доктор географических наук Г. Д. Курышев; заведующий кафедрой      кое применение при производстве строительных работ, при этом значительная роль
автомобильных дорог Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного        принадлежит приборам, снабженным компенсаторами углов наклона. Однако мно-
университета профессор, доктор технических наук Б. Н. Карпов; профессор, доктор техничес-   гие вопросы, относящиеся к оценке точности таких измерений с учетом влияния
ких наук В. А. Падуков (Санкт-Петербургский горный институт (технический университет)).
                                                                                            факторов внешней среды, еще не нашли достаточного освещения в литературе.
                                                                                                 Перспективным направлением в развитии новых приборов является исполь-
                                                                                            зование жидкостных компенсаторов (ЖК). Многие зарубежные фирмы уже осво-
     Беспалов, Ю. И., Терещенко, Т. Ю.                                                      или серийное производство таких приборов с ЖК, как электронные тахеометры,
Б53 Лазерные маркшейдерско-геодезические измерения в строительстве /                        проектиры направлений и нивелиры, однако отечественная промышленность все
    СПбГАСУ. – СПб., 2010. – 227 с.                                                         еще ограничивается выпуском небольших партий этих приборов. Теоретические
                                                                                            вопросы, относящиеся к использованию ЖК в маркшейдерско-геодезических при-
    ISBN 978-5-9227-0229-4                                                                  борах, изложены в некоторых опубликованных ранее работах [3, 4], получивших
                                                                                            [12, 49] положительную оценку ведущих отечественных и зарубежных ученых.
    Рассмотрены вопросы совершенствований методики маркшейдерско-геодезических изме-        Однако эти труды, к сожалению, в настоящее время стали уже библиографичес-
рений на основе применения новых оптических и лазерных приборов. Определены оптималь-       кой редкостью, что создает трудности в ознакомлении с ними широких научных
ные типы основных узлов таких приборов с учетом надежности и показаны преимущества жид-
костных компенсаторов. Приведена классификация жидкостных компенсаторов и даны расчет-
                                                                                            кругов и работников производства. Поэтому возникает необходимость в освеще-
ные формулы для определения их основных параметров. Рассмотрены способы учета влияния       нии широкого круга вопросов маркшейдерско-геодезического инструментоведе-
факторов внешней среды на точность маркшейдерско-геодезических измерений и разработаны      ния, связанных с оптимизацией конструкции ЖК и их расчетных формул,
инструментальные методы определения рефракции в подземных горных выработках. Даны ре-       а также анализом влияния факторов внешней среды на точность измерений.
комендации по использованию лазерных приборов при подземном строительстве.                       Изложению этих вопросов и посвящена предлагаемая работа, обобщающая
     Книга полезна для исследователей и конструкторов, создающих новые приборы, а также     результаты исследований, выполненных на кафедре геодезии Санкт-Петербург-
студентам и аспирантам геодезических, маркшейдерской и географических специальностей.
                                                                                            ского государственного архитектурно-строительного университета (СПбГАСУ).
                                                                                            Первая глава освещает требования, которым должны удовлетворять лазерные мар-
                                                                                            кшейдерско-геодезические приборы; вторая и третья – принципиальные схемы
                                                                                            современных ЖК и теоретическое обоснование их параметров; четвертая –
                                                                                            результаты исследования маркшейдерско-геодезических приборов; пятая и шес-
                                                                                            тая посвящены анализу влияния факторов внешней среды на точность измерений
                                                                                            и применению лазерных приборов при подземном строительстве.
                                                                                                Профессором Ю. И. Беспаловым написаны введение, заключение, глава 2
                                                                                            и выполнено общее редактирование монографии. Доцентом Т. Ю. Терещенко на-
                                                                                            писаны главы 1, 3, 4, 5 и 6.


ISBN 978-5-9227-0229-4                     Беспалов Ю. И., Терещенко Т. Ю., 2010
                                           Санкт-Петербургский государственный
                                         архитектурно-строительный университет, 2010


                                                                                   с ЖК являются такие, как Leika – ранее Wild (Heerbrug), Швейцария; Sokkia, Pentax
                                                                                   (Япония); Topcon (США); Carl Zeiss (ФРГ); South, BOIF (КНР); HILTI (Лихтен-
                                                                                   штейн), известны труды в области инструментоведения таких известных ученых,
                                 ВВЕДЕНИЕ
                                                                                   как Deumlich F., Flach Ph, Natepor D., Drodovski M. (ФРГ) и др.
                                                                                         Рассматривая весь комплекс измерительных работ по созданию геометри-
    Маркшейдерско-геодезические измерения в строительстве позволяют создать
                                                                                   ческой основы сооружений, следует уделить особое внимание сложностям марк-
геометрическую основу гражданских зданий и промышленных сооружений с точ-
                                                                                   шейдерско-геодезического обеспечения строительства подземных сооружений.
ностью, требуемой нормативными документами. Решению этих задач способствует
                                                                                   Специфические условия производства измерительных работ в горных выработ-
использование таких современных методов, как спутниковые измерения и мобиль-
                                                                                   ках, такие как запыленность рудничной атмосферы, наличие капежа и необходи-
ные видеоизмерительные системы [25, 33]. Однако наиболее широкое примене-
                                                                                   мость транспортировки геодезических приборов по вертикальным и наклонным
ние при маркшейдерско-геодезическом обеспечении строительства как наземных,
                                                                                   горным выработкам предъявляют высокие требования к надежности геодезичес-
так и подземных объектов нашли инструментальные методы измерений. Эти ме-
                                                                                   ких приборов. Требуют проработки и вопросы, относящиеся к определению вли-
тоды основаны на использовании геодезических приборов, обеспечивающих из-
                                                                                   яния факторов внешней среды в горных выработках на точность маркшейдерско-
мерение горизонтальных и вертикальных углов, нивелирование, проектирование
                                                                                   геодезических измерений, поскольку эти факторы могут оказывать воздействие
точек по направлению отвесной линии и т. д. Среди современных геодезических
                                                                                   на распространение световых лучей.
приборов можно выделить приборы для визуального наблюдения и приборы, про-
                                                                                       Слабая освещенность рабочего места в подземных горных выработках и жес-
ектирующие световые лучи. Последние получили название лазерных, поскольку в
                                                                                   ткий регламент времени, отводимого на выполнение измерительных операций,
качестве источника излучения в них используются световые лазеры. Все более
                                                                                   обусловленный цикличностью проходческих работ, выдвигают такое существен-
интенсивно при производстве маркшейдерско-геодезических работ внедряются
                                                                                   ное требование к маркшейдерско-геодезическим приборам, как обеспечение мак-
приборы, работающие в автоматическом режиме.
                                                                                   симального ускорения процесса съемок при снижении трудоемкости операций.
    Значительный вклад в развитие маркшейдерско-геодезических инструменталь-
                                                                                   Достижение этого возможно только при широком использовании приборов с ком-
ных методов измерений был сделан коллективами отечественных ученых, работа-
                                                                                   пенсаторами наклона, исключающих операцию точного горизонтирования при-
ющих в ряде научно-исследовательских, проектно-конструкторских и учебных
                                                                                   бора на станции. Отметим также преимущества приборов с компенсаторами
институтов. Такими организациями являются Государственный научно-исследо-
                                                                                   в уменьшении возможности появления грубых ошибок вследствие случайного из-
вательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ),
                                                                                   менения положения прибора в процессе измерений. Такая необходимость возни-
Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова, НИИ прикладной гео-
                                                                                   кает вследствие специфики подземных горных работ, при которых повторное про-
дезии (г. Новосибирск), а также Московский государственный университет геоде-
                                                                                   ведение съемок становится подчас невозможным.
зии и картографии (МИИГАиК), научный коллектив которого разработал ряд ла-
                                                                                       Следует отметить, что требования к приборам для маркшейдерско-геодези-
зерных приборов с ЖК. Существенный вклад в развитие современных лазерных
                                                                                   ческого обеспечения строительства гражданских зданий и наземных сооружений
приборов с ЖК сделан ФГУП УОМЗ (г. Екатеринбург) и фирмой «Запчасти–Инст-
                                                                                   также имеют свою специфику. Нивелиры для наблюдений на строительной пло-
рументы–Лазеры», г. Волжский Волгоградской области (ООО «ЗИЛ»).
                                                                                   щадке, например, предпочтительнее выбирать с уровнем, поскольку вибрация по-
    Развитие современных инструментальных методов измерений было бы не-
                                                                                   чвы вследствие работы строительных механизмов может вызывать колебания под-
возможно без существенного вклада таких отечественных ученых-геодезистов, как
                                                                                   весных деталей компенсаторов и т. д.
Красовский Ф. Н, Васютинский И. Ю., Болотин А. И. и др. Совершенствованию
                                                                                       Таким образом, предметом рассмотрения в данной работе являются вопросы
инструментальных методов маркшейдерско- геодезических измерений способство-
                                                                                   совершенствования методики маркшейдерско-геодезических работ применитель-
вали также исследования ведущих ученых в области приборостроения: Тудоровс-
                                                                                   но к конкретным требованиям строительного производства, при этом особое вни-
кого А. И., Слюсарева Г . Г ., Елисеева С. В., Ямбаева Х. К. и др. Большой вклад
                                                                                   мание уделяется повышению надежности приборов с компенсаторами углов на-
в совершенствование инструментальных методов измерений внес Гусев Н. А. [11],
                                                                                   клона и учету влияния факторов внешней среды на точность инструментальных
в настоящее время это направление успешно развивается сотрудниками Московс-
                                                                                   методов применительно к условиям подземного строительства.
кого Государственного Горного Университета: Сученко В. Н., Бруевичем П. Н.,
Новичихиным Ю. Н. и др.
    Значительное внимание развитию маркшейдерско-геодезических приборов
уделяют многие зарубежные фирмы, при этом ведущими в разработке приборов


                                                                                              Тоннели метрополитенов могут быть глубокого или мелкого заложения,
                                                                                         а в отдельных случаях применяются и наземные линии. При глубоком заложении
                                                                                         станции располагаются «на горках», а тоннели проектируются по кратчайшему
         Глава 1. ОПТИМИЗАЦИЯ ТРЕБОВАНИЙ К ЛАЗЕРНЫМ
                                                                                         расстоянию между станциями с наибольшими радиусами кривых в плане. Мелкое
                 МАРКШЕЙДЕРСКО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИМ
                                                                                         заложение тоннелей считается более удобным для пассажиров и имеет, в сравне-
                           ПРИБОРАМ
                                                                                         нии с глубоким заложением, лучшие экономические и эксплутационные характе-
                                                                                         ристики. Особенностью тоннелей метрополитенов является наличие третьего, кон-
                  1.1. Особенности подземного строительства
                                                                                         тактного рельса; габариты метрополитена для колеи 1520 мм обеспечивают эксп-
                                                                                         луатацию вагонов шириной 2,7 м, высотой 3,7 м и длиной кузова 18,8 м. Радиус
    Подземное строительство ведется в широких масштабах во многих странах
                                                                                         перегонных тоннелей круглого сечения соответственно составляет 2450 мм, а при
мира, при этом наблюдается неуклонный рост масштабов этой отрасли строитель-
                                                                                         прямоугольном сечении габариты должны быть не менее 3800 мм (ширина)
ства. Определенным достижением мирового опыта является строительство слож-
                                                                                         и 4600 мм (высота) [37]. Оборудование тоннелей сводится к возведению крепи,
ных подземных энергетических комплексов, многокилометровых транспортных
                                                                                         настилке рельс и навеске электрических кабелей.
тоннелей и отдельных крупных подземных сооружений, имеющих различное на-
                                                                                              Железнодорожные тоннели прокладываются в горной местности или для пре-
значение. Последние годы характеризуются разработкой и широким применени-
                                                                                         одоления водных преград. Среди них имеются тоннели большой протяженнос-
ем механизированных тоннелепроходческих машин, мощного бурового оборудо-
                                                                                         тью, например, тоннель Сейкан в Японии под Цугарским проливом имеет длину
вания на манипуляторах и самоходных установках для проходки в крепких поро-
                                                                                         53,8 км, тоннель под Ла-Маншем – 51,5 км, самый протяженный тоннель в России –
дах, а также использованием облегченных видов крепи. Все это позволяет повысить
                                                                                         Северо-Муйский длиной 15,3 км.Автодорожные тоннели по сравнению с желез-
темпы работ, снизить затраты и трудоемкость операций, что способствует даль-
                                                                                         нодорожными имеют меньшую протяженность – так, самый большой автодорож-
нейшему развитию подземного строительства и увеличению потребности в под-
                                                                                         ный тоннель Сен-Готард, соединяющий Италию со Швейцарией, имеет длину
земных сооружениях в градостроительстве, транспортном тоннелестроении, для
                                                                                         16,9 км. Однако автодорожные тоннели имеют более сложные сооружения, пре-
оборонных целей, а также в других отраслях хозяйства. Согласно выполненным
                                                                                         дусматривающие усиленную вентиляцию, камеры для размещения трансформа-
исследованиям по литературным источникам [37], общая длина туннелей, прохо-
                                                                                         торных подстанций, размещения обслуживающего персонала и так далее. Ряд круп-
димых в мире за год, составляет более 2 тыс. км при объеме выемки порядка
                                                                                         ных городов (Париж, Лондон, Токио, Сан-Франциско) для различных потоков
68 млн м3 горной массы и скорости проходки до 79 м в сутки. Решение многих
                                                                                         транспорта имеет специальные системы тоннелей, соединяющих пригороды
задач подземного строительства выполняется методами, используемыми при про-
                                                                                         с центром города. Такие тоннели проектируются двухъярусными, с несколькими
ектировании и строительстве горнодобывающих предприятий.
                                                                                         полосами движения по каждому ярусу, эллиптического (с большой вертикальной
    Среди объектов подземного строительства, в зависимости от их назначения,
                                                                                         осью) поперечного сечения высотой 15 м и шириной 12 м.
можно выделить следующие группы: транспортные тоннели, сооружения урбани-
                                                                                              Подземные сооружения строятся в целях разгрузки центра города от транс-
стики, энергетические и гидротехнические сооружения, склады и хранилища,
                                                                                         порта и вспомогательных зданий (АТС, архивов, автостоянок, торговых центров
а также оборонные объекты. Сооружения каждой группы имеют свою специфику,
                                                                                         и пр.). Подземное городское строительство интенсивно ведется как за рубежом,
влияющую на выбор способа проходки линейных выработок, разделки подзем-
                                                                                         так и в России – известны торговые комплексы под Манежной площадью в Моск-
ных камер и используемого материала крепления, что определяет методику и ис-
                                                                                         ве, под площадью Труда в Санкт-Петербурге и др. При строительстве полууглуб-
пользуемый инструментарий для проведения маркшейдерско-геодезических ра-
                                                                                         ленных и углубленных сооружений предусматривается замораживание грунтов,
бот. Рассмотрим характерные особенности подземных объектов каждой группы.
                                                                                         а также использование способа «стена в грунте» и других методов.
    Транспортные тоннели в зависимости от вида подвижного состава делятся
                                                                                              Энергетические и гидротехнические подземные сооружения характеризуют-
на железнодорожные, автодорожные и судоходные. Первыми транспортными тон-
                                                                                         ся наиболее сложной сетью горных выработок, располагающихся на нескольких
нелями были железнодорожные – в Англии строительство тоннеля длиной 1190 м
                                                                                         горизонтах и имеющих разные формы и размеры, в зависимости от их назначе-
на линии Ливерпуль – Манчестер было завершено в 1830 г. Большой объем стро-
                                                                                         ния. Например, Токтогульский гидроузел на реке Нарын (Киргизстан) включает
ительства железнодорожных тоннелей связан с развитием метрополитенов, об-
                                                                                         плотину, поверхностный и глубинный водосбросы, ряд водозаборных сооруже-
щая протяженность линий метро в мире, по имеющимся данным на 2002 г., со-
                                                                                         ний, а также здание гидроэлектростанции. Гидроузел имеет ряд тоннелей: два стро-
ставляла около 5 тыс. км с 4,5 тыс. станций, из них в России – 376 км с 227 станциями.
                                                                                         ительных тоннеля – правобережный и левобережный, транспортные тоннели, тон-


нель электрических кабелей и др. Проходка таких тоннелей требует задания на-     стоящее время широкое развитие получают подземные гидроаккумулирующие
правления забою как в плане, так и по высоте, в зависимости от принятой схемы    станции (ГАЭС), в машинном зале которых размещают как турбоагрегаты,
выемки породы и последовательности возведения крепи.                             так и насосы для перекачки воды на другой горизонт. Проектируются и строятся
    Использование деривационных сооружений в системе гидроузлов требует          также подземные атомные электростанции (АЭС) и различные сочетания АЭС,
проходки протяженных тоннелей. Так, в состав Ирганайского гидроузла на реке      ГАЭС и тепловых электростанций, представляющие собой комплекс подземных
Аварское Койсу (Дагестан, Россия) входят двухниточная тоннельная деривация       горных выработок – тоннелей, вертикальных и наклонных стволов и камер боль-
длиной 5200 м и полуторакилометровый отводящий канал. Схема гидроузлов мо-       шого сечения [37]. Установка энергетического и вспомогательного оборудования
жет включать и сложные подземные системы турбинных водоводов. Диаметр            в подземных камерах этих сооружений предъявляет высокие требования к точно-
в свету для тоннелей круглого сечения принимается от 2 до 6 м, минимальный       сти маркшейдерско-геодезических измерений при выполнении монтажных работ.
диаметр для тоннелей без обделки – 2,5 м [37].                                       Подземные склады и хранилища используют для размещения в них продо-
    Проходка гидротехнических тоннелей может осуществляться различными           вольственных товаров, медикаментов и других. Приспосабливаться для этого мо-
способами, из которых выделяют горный и щитовой способы. Горный способ стро-     гут отработанные горные выработки или естественные пещеры, а также может
ительства предполагает до возведения облицовки закрепление при необходимос-      выполняться выемка специальных камер. Особенно широкое использование на-
ти временной крепью, а при щитовом способе взамен временной крепи использу-      ходят подземные камеры для хранения нефти. Например, в Порвоо (Финляндия)
ются передвижные металлические щиты. Следует отметить, что при некоторых         построена первая очередь такого подземного хранилища. Сооружение представ-
разновидностях горного способа, так называемом двухштольневом способе опер-      ляет собой систему из 10 камер объемом от 70 до 180 тыс. м3, расположенных
того свода, задачей маркшейдерской службы является задание направления одно-     в скальных породах Архейского периода, что позволило обойтись без крепления
временно двум направляющим штольням, проходимым на разных горизонтах по          сводов горных выработок. Известны также подземные склады, оборудованные
оси будущего тоннеля. Еще более осложняется работа маркшейдерской службы         холодильными установками для хранения продовольственных товаров, фруктох-
при проходке тоннелей способом продавливания в грунт. Строительство подзем-      ранилища и т. д. [37].
ных гидроузлов ведется с использованием современного высокопроизводитель-            Подземные объекты оборонного назначения в современных условиях веде-
ного оборудования для проходки как подводящего и отводящего тоннелей, так        ния военных действий являются необходимыми атрибутами безопасности. Ши-
и восстающих стволов. Так, например, при реконструкции гидроузла Венда Нова      роко известны подземные убежища под Багдадом, обеспечивавшие безопасность
на реке Кавадо (Португалия) применялось горнопроходческое оборудование фир-      руководства Ирака во время военной операции «Буря в пустыне». Подземные за-
                                                                                 воды, производившие военное оборудование, действовали на территории Герма-
мы Atlas Copco (Швеция). Поэтому современные методы маркшейдерских работ
                                                                                 нии в годы Второй мировой войны. Строительство подземных баз для подводных
по обеспечению строительства таких тоннелей должны полностью соответство-
                                                                                 лодок в настоящее время ведется разными странами. Его обеспечение предпола-
вать все возрастающим темпам подвигания забоев [37].
                                                                                 гает предварительную разведку прочностных характеристик скального массива
    Размещение энергетического оборудования в подземных гидроузлах требует
                                                                                 на морском побережье, разделку подземных камер большого сечения и проходку
разделывания камер больших размеров. Например, машинный зал Рогунской ГЭС
                                                                                 судоходных тоннелей, связывающих подземную базу с открытым морем. Многие
на реке Вахш в Таджикистане имеет проектные размеры: длина 220 м, ширина 22 м,
                                                                                 гражданские объекты, строящиеся в мирное время, – подземные автостоянки, тор-
максимальная высота 78 м. Разработка таких выработок начинается с разделки
                                                                                 говые центры и склады во время войны легко переоборудуются под убежища для
верхней части камеры и бетонирования свода, под защитой которого слоями пос-
                                                                                 населения. Подобное строительство, например, широко проводилось в Западной
ледовательно вынимается горный массив из контура будущего машинного зала.        Европе и Китае в 70–80-х годах ХХ века.
Широко могут использоваться при этом современные производительные средства           Таким образом, подземное строительство является необходимой составляю-
механизации, а селективная выемка слоев требует проведения дополнительных        щей промышленности, обеспечивающей жизнедеятельность различных отраслей
маркшейдерско-геодезических работ. Инструментальные методы маркшейдерско-        хозяйства страны, без которого невозможно нормальное функционирование со-
геодезических измерений необходимы и при установке и монтаже водорегулиру-       временного общества. Возведение подземных объектов в соответствии с проек-
ющего, энергетического и подъемного оборудования в подземных камерах.            том возможно только при надлежащем маркшейдерско-геодезическом обеспече-
    Строительство подземных ГЭС связано также с проходкой вертикальных гор-      нии строительства, отвечающем возросшим требованиям по производительности
ных выработок различного назначения, обеспечивающих деривацию, водосброс,        и точности разбивочных и съемочных работ. Изложенное выше подтверждает це-
транспортировку грузов и т. д. При этом вертикальные стволы уравнительных шахт   лесообразность совершенствования маркшейдерско-геодезических методов лазер-
могут иметь диаметр 10–20 м при глубине до 80 м. Кроме подземных ГЭС в на-       ных инструментальных измерений в подземных горных выработках.


    1.2. Современные лазерные маркшейдерско-геодезические приборы                   дальнейшее совершенствование измерительных систем с формированием КИС
                                                                                    содержится в трудах Павлова С. Н., Потапова А. И., Камзалова В. А., Зайкова В. И.
                                                                                    и др. [27]. Разработанный ими лазерный нивелир ЛНС-10НВ с формирователем
    Открытие лазеров относится к важнейшим достижениям физики второй по-
                                                                                    КИС и жидкостным компенсатором обеспечивал высокую точность измерений в ус-
ловины ХХ века, способствовавших прогрессу в различных областях науки и тех-
                                                                                    ловиях заводских цехов, что позволило использовать его при сборке самолетов [3].
ники. Измерительная техника использует известные свойства излучения лазера,
                                                                                        Современные разработки лазерных маркшейдерских приборов ориентирова-
основными из которых является его когерентность и монохроматичность. В зави-
                                                                                    ны, в основном, на использование в качестве излучателей полупроводниковых
симости от типа используемого активного элемента лазеры делят на твердотель-
                                                                                    лазерных диодов (ПЛД). Работы, проводившиеся в этом направлении во ВНИМИ
ные, газовые, жидкостные и полупроводниковые. В маркшейдерско-геодезичес-
                                                                                    под руководством Смирнова С. П., привели к созданию нового поколения лазер-
ких приборах, фиксирующих опорное направление в пространстве, используются
                                                                                    ных указателей типа ЛУН-17, имеющего дальность действия 300 м при весе ком-
газовые лазеры мощностью излучения до 5 мВт, с активным элементом из смеси инер-
                                                                                    плекта 2,5 кг [19]. Излучение лазера в таких приборах формируется в КИС, что
тных газов гелия и неона, а также полупроводниковые лазерные диоды (ПЛД) [3]. Ге-
                                                                                    повышает удобство маркшейдерско-геодезических измерений. Светопроекцион-
лий-неоновые (He-Ne) лазеры имеют непрерывное излучение в видимой области
                                                                                    ная насадка ЛН-1 с ПЛД для теодолитов и нивелиров была разработана во ВНИМИ
спектра с длиной волны l = 633 нм, расходящееся в пределах 2–8, поэтому для
                                                                                    Кулаковой А. Ф. Исследования насадки ЛН-1 в комплекте с нивелиром Н3, выпол-
увеличения дальности действия его коллимируют с помощью телескопических
                                                                                    ненные в лабораторных условиях, подтвердили ее точность в соответствии с пас-
систем, называемых коллиматорами или формирователями. Применяемые в боль-
                                                                                    портными данными [37].
шинстве лазерных приборов такого типа коллиматоры представляют собой кор-
                                                                                        Другим направлением разработок на основе использования лазерного излуче-
регированные телескопические системы (КТС), требующие фокусирования фор-
                                                                                    ния являются приборы вертикального проектирования – зенит- и надир-проекти-
мирователя излучения, что создает определенные неудобства и может служить
                                                                                    ры (центриры). Предложены различные схемы эффективного применения лазе-
источником ошибок [18].
                                                                                    ров в надир-проектирах, при этом для приведения лучей в отвесное положение
    Мировая практика использования лазерных приборов различного назначения,
                                                                                    могут использоваться компенсаторы углов наклона или цилиндрические уровни.
обеспечивающих опорное направление в пространстве, подтвердила возможность
                                                                                    Удобен для использования в лазерных надир-проектирах жидкостный компенса-
их применения для маркшейдерско-геодезического обеспечения шахтного строитель-
                                                                                    тор клинового типа, прибор ЛНЦЖК с таким компенсатором и формированием
ства и горных работ при эксплуатации месторождений полезных ископаемых [4].
                                                                                    излучения в КИС для центрирования подземных опорных маркшейдерских сетей
Современные маркшейдерско- геодезические лазерные приборы, фиксирующие
                                                                                    описан в работе [4].
опорное направление, можно разделить на приборы для контроля прямолинейно-
                                                                                        Лазерные зенит-проектиры также могут быть снабжены компенсаторами уг-
сти и соосности, визиры, указатели направления, теодолиты, нивелиры и проек-
                                                                                    лов наклона или же точными уровнями. Например, прибор ЛЗП-1, снабженный
тиры отвесной линии [19]. Лазерные приборы удобны для задания направлений
                                                                                    двумя цилиндрическими уровнями с ценой деления 10" и Ge-Ne лазером, приме-
при проходке горизонтальных и наклонных горных выработок, вертикальных
                                                                                    нялся в устройстве для контроля вертикальности и габаритов лифтовых шахт [18].
шахтных стволов, при настилке рельсовых путей, монтаже конвейеров, прокладке
                                                                                    Имеются также разработки лазерных проектиров отвесной линии с жидкостным
трубопроводов и так далее.
                                                                                    компенсатором клинового типа, значительный вклад в этом направлении сделали
    Указатели направления горизонтальным горным выработкам с газовым
                                                                                    Бурачек В. Г. и Крячок С. Д. [7].
He-Ne лазером разрабатывались во ВНИМИ (Санкт-Петербург) с 70-х годов ХХ в.
                                                                                        Лазерные нивелиры, фиксирующие опорное направление, делятся на нивели-
Наиболее совершенным из них был лазерный указатель ЛУН-11, дальность дей-
                                                                                    ры с вращающимся лучом (ротационные), стабилизирующие в пространстве опор-
ствия которого составляла 500 м, масса прибора – 15 кг [19]. Недостатком прибо-
                                                                                    ную горизонтальную или наклонную плоскости, и нивелиры с неподвижным лу-
ра является использование КТС в качестве формирователей лазерного излучения
                                                                                    чом. Нивелиры с вращающимся лучом, снабженные компенсатором углов накло-
и связанные с этим сложности фокусирования изображения марки на больших
                                                                                    на, находят широкое применение при строительстве гражданских зданий,
расстояниях, что снижает удобство пользования такими указателями.
                                                                                    промышленных сооружений и для управления дорожно-строительными машина-
     Кардинальным решением вопроса о повышении точности приборов с газо-
                                                                                    ми. Известен, например, отечественный лазерный нивелир САУЛ с ротацией све-
выми лазерами явилось совершенствование формирователей излучения, в част-
                                                                                    тового луча, генерируемого He-Ne лазером ОКГ-13. Широко известны также ла-
ности, использование телескопической системы Галилея, формирующей излуче-
                                                                                    зерные нивелиры LNA30 фирмы «Вильд» (Швейцария) и Геоплан 300 фирмы «АГА
ние в кольцевую интерференционной систему (КИС). Существенный вклад в раз-
                                                                                    Геотроникс» (Швеция) [18].
витие этого направления лазерного приборостроения был сделан Вагнером Е. Т.,


     Более удобными являются ротационные лазерные нивелиры, использующие                                                            Цилиндрический уровень
излучение ПЛД в видимой или инфракрасной области спектра. Например, в оте-                  Каллиматорный визир
чественном ротационном лазерном нивелире НЛ-20К с жидкостным компенсато-
                                                                                            Круглый уровень
ром (ЖК) Пермского филиала ФГУП ПО УОМЗ излучение ПЛД имеет длину вол-                                                                   Элементы притания
ны 650 нм при мощности 15 мВт. Ротационные лазерные нивелиры имеют отно-
сительно невысокую точность, СКП нивелирования такими приборами составляют
20–50 мм на 100 м.                                                                                                                          Винт
    Монтаж сложного технологического оборудования в подземных горных вы-
                                                                                         Исправительные винты
работках предъявляет высокие требования к точности нивелирования [15, 42, 43],
поэтому определенный интерес представляют лазерные нивелиры с неподвиж-
ным лучом. Такие нивелиры могут быть выполнены в виде дополнительных све-
топроеционных устройств к визуальным приборам как, например, лазерная оку-                                                                         Крышка
лярная насадка GL02 фирмы «Вильд» (Швейцария) [18] или описанная выше на-
садка ЛН-1. Разработаны и освоены в промышленных масштабах также унитарные
                                                                                                                                        Элевационный винт
лазерные нивелиры, световой пучок в которых устанавливается в горизонтальной                         Подъемный винт
плоскости по уровню или с помощью компенсатора. Приведение луча лазера
в горизонтальное положение может осуществляться компенсаторами с чувстви-
тельными элементами гравитационного типа, аналогичных используемым в визу-                           Рис. 1.1. Лазерный нивелир Лимка-горизонт 1
альных нивелирах или электронными компенсаторами с сервомоторами [4]. Изве-
стны также отечественные разработки ООО «ЗИЛ» высокоточных лазерных при-
боров с ЖК клинового типа: нивелиры и проектиры отвесного направления1.
     Отечественный лазерный нивелир Лимка-горизонт 1 относится к приборам
с неподвижным лучом, генерируемым ПЛД с длиной волны 650 нм (рис. 1.1). При-
бор снабжен цилиндрическим уровнем с ценой деления 30" и предназначен для
применения в строительстве, электрическая схема нивелира питается от двух ба-
тареек типа АА [23].
    Выбор оптимальной методики лазерного нивелирования в подземных горных
выработках предполагает исследование приборов, обеспечивающего высокую точ-
ность визуальной регистрации светового пучка. Определенный интерес в связи
с этим представляет нивелир НКЛ3 (рис. 1.2) со стабилизацией лучей He-Ne лазе-
ра ЖК клинового типа [5]. Излучение лазера с длиной волны 630 нм и мощностью
0,25 мВт, сформированное в КИС, обеспечивает измерение превышений нивели-
ром на дистанции до 75 м со средней квадратической погрешностью (СКП) по-
рядка 0,1 мм. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напря-
жением 220 В или от двух кадмий-никелевых аккумуляторов, масса прибора 2,8 кг,                             Рис. 1.2 Лазерный нивелир НКЛ3
преобразователя напряжения – 0,9 кг.
    Следует отметить современную тенденцию к широкому применению других              Однако в данной работе целесообразно ограничиться рассмотрением вопро-
лазерных приборов для маркшейдерско-геодезических измерений при подземном        сов, относящихся к использованию лазерных приборов, фиксирующих твердое
строительстве, например такие, как моторизированные лазерные системы, элект-     направление (так называемую референтную линию) в пространстве. Наибольший
ронные теодолиты и тахеометры, лазерные дальномеры типа DISTO, цифровые          интерес представляют вопросы определения погрешностей измерений такими
нивелиры, а также лазерные сканеры [47].                                         приборами.
   1
       URL: http://www.34-laserzil.viz.ru/ (дата обращения: 28.10.2008).


  1.3. Инструментальные погрешности измерений лазерными приборами                     Результаты наших исследований [3] стабильности пучка лучей, сформиро-
                                                                                 ванных в КИС, в процессе разогрева прибора с Ge-Ne лазером типа ЛГН-207, под-
    Погрешности измерений лазерными маркшейдерско-геодезическими прибо-          тверждают приведенные выше данные. Отклонения пучка сформированного из-
рами в зависимости от источников их возникновения можно разделить на две ос-     лучения составляли при этом 1,2–4,1 , а в стационарном режиме флуктуации лу-
новные группы – инструментальные погрешности и погрешности, возникающие          чей не превышали 0,4 . Также была установлена зависимость между величиной
под действием внешних (по отношению к приборам) источников. Соответственно          – угловым отклонением лучей на выходе из коллимирующей системы и         –
в каждой группе погрешностей определяющими являются те, которые оказывают        угловым отклонением лучей лазера относительно оптической оси коллиматора
основное влияние на точность измерений рассматриваемым прибором. Ограни-
чимся в данном разделе рассмотрением инструментальных погрешностей, общих                                                     ,                         (1.3.1)
для всех типов приборов.
    Инструментальные погрешности лазерного прибора являются следствием           где Г – увеличение коллимирующей системы.
недостатков принципиальной схемы самого прибора или его отдельных узлов (ус-         Приведенная зависимость позволила определить требования к конструкции
тройств), например, излучателя, коллиматора (формирователя) излучения, компен-   лазерных приборов, предусматривающие жесткое крепление излучателя и колли-
сатора углов наклона, механических устройств и т. д. Инструментальные погреш-    матора [3]. Эти рекомендации были разработаны применительно к приборам
ности, в зависимости от источников их возникновения, можно разделить на:         с Ge-Ne лазерами, однако их в полной мере следует отнести и к приборам с ПЛД.
    а) погрешности, причиной появления которых являются лазерные излучатели      Могут быть и другие конструктивные решения для уменьшения влияния подоб-
(погрешности лазерных излучателей);                                              ного источника погрешностей. Например, в оптических системах таких лазерных
    б) погрешности, причиной появления которых является работа оптических        приборов с ЖК, как лазерные нивелиры, для излома лучей между излучателем
узлов (погрешности оптических устройств);                                        и коллиматором более предпочтительно использовать пентапризму, чем прямоу-
    в) погрешности, причиной появления которых является работа механических      гольную призму или плоское зеркало. Объясняется это возможным смещением
узлов (погрешности механических устройств).                                      оптического элемента в процессе эксплуатации прибора, что может привести к
    Тип лазерного прибора и, соответственно, наличие или отсутствие в данном     возникновению дополнительного источника погрешностей при угловом разворо-
приборе тех или иных устройств, определяет и характер проявления инструмен-      те отражающей поверхности оптического элемента.
тальных погрешностей. Например, в указателях направления отсутствуют компен-         Следует отметить также, что используемые в современных маркшейдерско-
саторы наклона и, как правило, лимбы и отсчетные устройства, поэтому и погреш-   геодезических приборах излучатели в виде ПЛД по сравнению с газовыми Ge-Ne
ности, характерные для этих узлов, таким приборам не свойственны. Точность       лазерами имеют большую расходимость пучка (порядка 8°) при более широком
лазерных нивелиров с уровнями зависит от погрешностей уровней, а нивелиров       спектре излучения, что снижает их измерительные возможности.
с компенсаторами, соответственно, от погрешностей компенсаторов и т. д. Рас-         Погрешности оптических устройств маркшейдерско-геодезических лазер-
смотрим основные источники инструментальных погрешностей лазерных марк-          ных приборов имеют разные источники, причина их появления, как было указано
шейдерско-геодезических приборов.                                                выше, зависит от типа рассматриваемого прибора. Погрешности, связанные с не-
     Погрешности лазерных излучателей. Инструментальные погрешности лазер-       достатками телескопических коллимирующих систем, характерны для приборов,
ных устройств зависят от типа применяемого в приборе источника излучения.        в которых такие коллиматоры используются.
Погрешности широко применявшихся до настоящего времени приборов с Ge-Ne              Инструментальные погрешности телескопических систем маркшейдерско-гео-
газовыми лазерами явились предметом исследований многих авторов, среди кото-     дезических приборов достаточно хорошо исследованы – см., например, труды
рых можно отметить, например, работу Кулаковой А. Ф. и Смирнова С. П. [19].      Елисеева С. В. [14] и др. Результаты этих исследований в полной мере можно от-
Газовые Ge-Ne лазеры из всех типов оптических генераторов обладают наиболее      нести и к коллиматорам лазерных приборов. Наиболее часто в качестве источника
высокой монохроматичностью и когерентностью при наименьшей расходимости          инструментальных ошибок упоминается погрешность, вызванная поперечными
пучка лучей (порядка 8 ). Недостатками таких лазеров являются значительное       колебаниями фокусирующего компонента [18]. Согласно исследованиям [14], ко-
потребление электроэнергии и термические деформации корпуса в процессе ра-       лебания фокусирующей линзы могут вызвать ошибку в положении оси телеско-
зогрева, вызывающие смещение пучка лучей до 20 . Продолжительность этого         пической системы до 2,2 . Такая ошибка в положении оптической оси коллимато-
периода, по данным некоторых авторов, для Ge-Ne лазера типа ОКГ-13 составля-     ра лазерного прибора на дистанции 100 м может привести к отклонению световой
ет до 25–30 мин [18].                                                            марки на 1 мм.


    Наиболее кардинальным способом устранения этого источника погрешнос-        полнять исследование всех инструментальных погрешностей, возникающих при
тей является использование в маркшейдерско-геодезических приборах в качестве    работе отдельных его устройств, с учетом специфики последних. Анализ инстру-
коллиматоров лазерного излучения формирователей КИС, не имеющих фокуси-         ментальных погрешностей лазерных приборов, использованных при проведении
рующих элементов. Заметим, что изображение интерференционной структуры          экспериментов, приведен ниже.
лазерного излучения сохраняет свою резкость на любой дистанции, то есть не
требует фокусирования.                                                                  1.4. Компенсаторы маркшейдерско-геодезических приборов
    Инструментальные погрешности, связанные с работой компенсаторов углов
наклона, достаточно полно изложены в литературе [11, 14, 17]. Общей для всех        Маркшейдерско-геодезические приборы с компенсаторами углов наклона по-
нивелиров с компенсатором является погрешность, вызванная изменением хода       лучили широкое распространение во второй половине ХХ века. Большой вклад
лучей в оптических деталях трубы прибора вследствие горизонтирования ниве-      в разработку теории компенсаторов внесли отечественные ученые:
лира по установочному уровню с остаточным углом . Тогда, обозначив через s          Гусев Н. А., Черемисин М. С., Бесчасный Г. К., Клепинин С. В., Кочетов Ф. Г.
расстояние между оптическим центром объектива и осью вращения прибора, по-      и другие [11, 17, 18]. Отечественными и зарубежными фирмами в настоящее вре-
лучим выражение для определения погрешности за изменение хода лучей [17]        мя выпускается много визуальных и лазерных нивелиров, теодолитов и проекти-
                                                                                ров отвесной линии, снабженных компенсаторами различных конструкций. Ком-
                                  h 2s    .                           (1.3.2)   пенсаторы наклона можно классифицировать по различным признакам. Посколь-
                                                                                ку компенсаторы впервые были использованы в визуальных нивелирах, то
     Уменьшению погрешности h в лазерных нивелирах способствует совмеще-        классификации этих устройств разрабатывались применительно к нивелирам. Гу-
ние оптической оси его коллимирующей системы с осью вращения прибора. Дос-      сев Н. А. [11] предлагал разделить все компенсаторы по принципу изменения хода
тигнуто это может быть, например, приданием корпусу прибора перископической     лучей в их оптических деталях. Можно классифицировать также компенсаторы
формы, как в нивелире НКЛ3 (см. рис. 1.2). Более подробно инструментальные      углов наклона по принципу их действия:
погрешности, свойственные компенсаторам лазерных приборов, будут рассмот-           а) механические, основанные на механическом перемещении перекрестья сетки
рены ниже.                                                                      нитей;
     Погрешности механических устройств имеют существенное значение при             б) оптико-механические, основанные на изломе световых лучей в оптических
расчете вновь проектируемых маркшейдерско-геодезических приборов [18].          деталях, имеющих механическую подвеску;
В первую очередь это относится к осевым системам, определяющим взаимное             в) оптические, основанные на преломлении световых лучей в оптических де-
положение основных узлов прибора в соответствии с его геометрической схемой.    талях, изменяющих свою геометрическую форму.
Для этого при выборе конкурирующих вариантов конструктивного решения того           Рассмотрим принцип действия этих устройств. Наклон зрительной трубы ни-
или иного механического узла необходимо учитывать не только допуски в процес-   велира на небольшой угол (рис. 1.3, а) вызывает смещение перекрестья сетки
се изготовления, но и ожидаемый износ деталей при работе прибора. Соответ-      нитей из точки Z 0 в точку Z . Для выполнения условия стабилизации горизон-
ственно правильный подбор материалов при изготовлении деталей механических      тального луча визирования необходимо, чтобы он проходил через перекрестье сетки
узлов имеет существенное значение для исключения возможности появления но-      нитей при наклонном положении зрительной трубы нивелира. В компенсаторах
вых источников инструментальных погрешностей в процессе длительной эксплу-      механического типа это достигается перемещением перекрестья сетки нитей из
атации прибора. Важным фактором, вызывающим изменения механических уз-          точки Z в точку Z 0 путем поворота относительно шарнира P рычага с плечом s м
лов во времени [14], считалась деформация деталей вследствие выравнивания их    на угол . Условие его работы при фокусном расстоянии объектива f может быть
поверхностей после механической обработки; как средство борьбы с этим явле-     представлено как
нием рекомендуется, например, дополнительная термическая обработка деталей
и т. д. Таким образом, правильные конструктивные решения по выбору оптималь-                                             f   s      .                    (1.4.1)
ного типа механических узлов при разработке новых лазерных маркшейдерско-
геодезических приборов обеспечивают стабильную работу последних в сложных                                                                           f
                                                                                   После введения коэффициента умножения компенсатора K                  ; [11],
условиях подземного строительства.                                                                                                                  s
                                                                                выражение (1.4.1) примет вид
     Изложенное выше позволяет сделать вывод о том, что при анализе точности
конкретного лазерного маркшейдерско-геодезического прибора необходимо вы-                                            f       K s.                        (1.4.2)


    Оптико-механические компенсаторы стабилизируют визирный луч в горизон-                       а)
тальном положении путем преломления лучей в точке P оптическими деталями,
имеющими механическую подвеску (рис. 1.3, б). Преломленный горизонтальный
луч направляется в перекрестье сетки нитей Z 0 , если отрезок Z 0 P s , то вы-
полняется условие компенсации (1.4.2).
    Коэффициент умножения оптико-механических компенсаторов может быть
представлен как произведение механического K M и оптического K O коэффици-
                                                                                            б)
ентов умножения

                                K   KO KМ .                            (1.4.3)

    Исследования, выполненные различными авторами, подтверждают преиму-
щества компенсаторов, имеющих небольшую величину коэффициента механичес-
                                                                                            в)
кого умножения ( K М 1 ) [17, 18]. Поэтому компенсаторы механического типа,
имеющие большие значения K М , в современных приборах не используются, так
как являются источником дополнительных инструментальных погрешностей.
    Успокоение колебаний подвесных систем компенсаторов, так называемых чув-
ствительных элементов (ЧЭ), достигается использованием успокоителей – демп-
феров. Демпферы по принципу действия делятся на воздушные и магнитно-ин-
дукционные. Первые основаны на использовании вязкости воздуха и имеют пор-
шни, перемещающиеся с малым зазором (порядка 0,02 мм) внутри цилиндров.
Магнитно-индукционные демпферы основаны на использовании вихревых токов,                                Рис. 1.3. Компенсация угла наклона
наводимых в маятниках под действием внешнего постоянного магнитного поля.
Наличие демпферов существенно снижает надежность компенсаторов и может               Анализ точности нивелиров с компенсаторами различного типа, выполнен-
быть причиной отказа их в работе.                                                ный отечественными и зарубежными исследователями, позволил установить при-
     Недостатки демпферов требуют уменьшения массы ЧЭ, поэтому в современ-       роду некоторых систематических ошибок, характерных для этих приборов [17].
ных приборах используются оптико-механические компенсаторы, расположенные        Подбор материалов и усовершенствование конструкции ЧЭ компенсаторов позво-
в сходящемся пучке лучей, внутри зрительной трубы нивелиров. Благодаря усо-      лили существенно уменьшить влияние таких источников ошибок, как изменение
вершенствованию компенсаторов этого типа они нашли широкое применение как        температуры, динамические воздействия и т. п. Однако существенным фактором,
в нивелирах, так и других приборах – теодолитах, проектирах отвесной линии       снижающим точность нивелирования приборами с оптико-механическими ком-
и пр. [17, 18]. Однако следует отметить, что уменьшению систематических инст-    пенсаторами, является воздействие внешних магнитных полей, в том числе и гео-
рументальных погрешностей [11] способствует расположение компенсатора в па-      магнитного поля. Впервые это было замечено в Германии в начале 80-х годов
раллельном пучке лучей, перед объективом зрительной трубы нивелира, как это      ХХ века. Выполненные исследования [51] выявили систематический характер воз-
показано на рис 1.3, в.                                                          действия постоянных магнитных полей на положение ЧЭ компенсаторов различ-
    Оптические компенсаторы называют также жидкостными компенсаторами            ных нивелиров.
(ЖК), поскольку изменять свою геометрическую форму под действием силы тя-            Исследования нивелира с компенсатором Ni-002 фирмы Carl Zeiss Jena (Гер-
жести могут только оптические детали, выполненные из жидкости. Успокоение        мания) [52], позволили сделать вывод о случайном характере влияния геомагнит-
колебаний поверхности жидкости в компенсаторе достигается подбором ее пара-      ного поля на компенсатор прибора. Достигнуто это было благодаря специальному
метров – глубины и вязкости, поэтому такие компенсаторы просты в устройстве      подбору материалов, из которых изготовлены детали ЧЭ компенсатора нивелира,
и являются наиболее надежными [3].                                               однако полностью исключить случайное влияние переменных магнитных полей
                                                                                 оказалось невозможным. Заметим, что такие результаты были получены с нивели-



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика