國外隧道施工工程質(zhì)量檢測技術(shù)的發(fā)展

1、國外隧道施工工程質(zhì)量檢測技術(shù)的最新發(fā)展肖書安CH-8105Regensdorf-WattSwitzerland)1、前言工程測量和工程質(zhì)量檢測技術(shù)在過去的十多年里有了長足的發(fā)展，其主要表現(xiàn)是自動化程度越來越高，測量儀器的體積越來越小，重量越來越輕，測量速度越來越快，工效越來越高。在大地和工程測量方面，最有代表性的發(fā)展是全站儀和GPS的廣泛應(yīng)用，以及這兩種技術(shù)的融合。隧道測量技術(shù)是指針對隧道勘察設(shè)計，施工和竣工驗收以及隧道運(yùn)營期間所開展的有關(guān)測量活動，這些測量工作有些與通常意義上的工程測量有關(guān)，如隧道施工控制測量，貫通測量，放樣測量，斷面測量等，有些與地質(zhì)勘察和災(zāi)害監(jiān)測有關(guān)，如隧道施工地質(zhì)超前預(yù)

2、報探測和變形監(jiān)測，還有一些與工程質(zhì)量檢測有關(guān)，如混凝土厚度檢測，混凝土質(zhì)量檢測，隧道襯砌背后回填檢測，運(yùn)營隧道內(nèi)表面狀態(tài)檢測。隨著科技的不斷進(jìn)步，測量工作所涵蓋的范圍越來越廣，測量工作對工程的成敗和盈虧起著舉足輕重的地位。本文以瑞士當(dāng)前正在施工的尤特利山高速公路隧道為例，介紹有關(guān)隧道施工測量和工程質(zhì)量檢測技術(shù)的發(fā)展和最新進(jìn)展。2、隧道施工測量技術(shù)的發(fā)展隧道施工測量主要是指施工放樣測量、斷面測量和竣工驗收方面的測量。施工放樣測量以線路中線測量為其核心和基本，隨著隧道施工技術(shù)的發(fā)展和對施工質(zhì)量以及精度要求的提高，施工放樣測量所涵蓋的領(lǐng)域越來越廣，今天，當(dāng)我們討論施工放樣測量時，很自然地會聯(lián)想到掌子

3、面炮孔放樣、超前注漿孔位放樣、激光導(dǎo)向測量、隧道輪廓線放樣、鋼拱定位、錨桿定位測量、模板放樣以及避車洞/橫通道放樣等。隧道施工放樣測量通常需要借助經(jīng)緯儀/全站儀來完成，普通型的經(jīng)緯儀/全站儀能較好地滿足線路中線測量的需要，但對于隧道施工中的結(jié)構(gòu)放樣測量由于缺乏相應(yīng)的測量軟件和自動化功能，使得其測量效率低，難以滿足現(xiàn)代化的隧道施工放樣測量的需要。為了滿足隧道施工放樣測量的多種需求，瑞士安伯格技術(shù)公司開發(fā)了基于LEICATPS1100/1200系列全站儀的隧道施工放樣測量軟件TMSSETOUT，集多種放樣任務(wù)于一“人”，大大地提高了隧道施工放樣測量的效率。隧道斷面測量主要包括斷面放樣、超欠挖控制、

4、凈空檢查、實際斷面形狀測量及斷面圖繪制等內(nèi)容。隧道斷面測量在過去的十多年里有了長足的發(fā)展，對于今天的隧道施工來說，隧道斷面測量已不是什么新鮮的東西。盡管如此，很有必要回顧一下隧道斷面測量技術(shù)的發(fā)展。數(shù)字化的隧道斷面測量開始于上世紀(jì)的80年代初期，伴隨著計算機(jī)技術(shù)和電子測距儀(EDM)的發(fā)展，瑞士安伯格測量技術(shù)公司首先研制出專門針對隧道斷面測量的專用測量儀器AMTPROFILE2000斷面儀，由于這種儀器大大提高隧道斷面測量的工效，一經(jīng)投放市場，受到用戶的熱烈歡迎。上世紀(jì)90年代，安伯格測量技術(shù)公司又推出了更新一代的斷面測量產(chǎn)品AMTPROFILE3000和AMTPROFILE4000型，這兩種

5、型號的產(chǎn)品于90年代中期被介紹到中國，在中國的許多重點工程中得到了應(yīng)用，在指導(dǎo)隧道施工和質(zhì)量控制等方面發(fā)揮了重要的作用，如二灘水電站、小浪底水電樞紐工程、秦嶺鐵路隧道、陜西高速公路隧道等，其中二灘水電站和小浪底水電樞紐工程由國外施工企業(yè)負(fù)責(zé)施工總承包，其在對中國分包施工企業(yè)的施工質(zhì)量管理和控制等方面的許多做法給中國企業(yè)留下了深刻的印象。進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著全自動全站儀技術(shù)的發(fā)展，使得以全站儀為基礎(chǔ)的隧道斷面測量成為可能。一種全新的LEICATMS隧道測量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，LEICATMS隧道測量系統(tǒng)是安伯格測量技術(shù)公司與?？y量系統(tǒng)股份公司強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的結(jié)晶，她吸取了前六代隧道斷面測量的精髓，并賦予

6、全新的設(shè)計理念，以智能化的應(yīng)用軟件配合LEICATPS1100/1200系列的通用全站儀，實現(xiàn)一機(jī)多用，能同時完成隧道斷面測量和施工放樣測量等多種測量任務(wù)。下面以瑞士尤特利山高速公路隧道為例，介紹隧道施工測量技術(shù)的最新進(jìn)展。3、隧道工程概況尤特利山高速公路隧道是一座位于瑞士蘇黎世西南方位的雙洞三車道公路隧道，是蘇黎世西環(huán)繞城高速公路的重要組成部分，該隧道長4.4公里，最大埋深320米，隧道為單向坡，東低西高，縱坡為1.6%,通過隧道的車流量按每天7萬輛設(shè)計，西環(huán)繞線的修建將大大減少蘇黎世市的過境運(yùn)輸和近郊通勤客流量(圖1）。圖1尤特利山隧道在蘇黎世西環(huán)繞線中所處的位置尤特利山隧道穿過埃滕堡山和

7、尤特利山，這兩座山丘相互平行，山丘的中間部分由近水平狀的砂巖和泥灰?guī)r交替互層所組成。隧道的洞口段和兩個山丘之間的明挖段均位于松散的富含水的軟巖地層（冰川堆積體），需要采用特殊的施工方法通過（圖2）。業(yè)尤特山寨圖2尤特利山隧道的地質(zhì)縱剖面圖尤特利山隧道設(shè)計由瑞士安伯格工程公司負(fù)責(zé)，在隧道設(shè)計階段，對多種可能的施工方案進(jìn)行了充分的比選和論證。其中尤特利山隧道的中央硬巖部分的開挖推薦采用混合施工方案（小直徑隧道掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)洞施工+部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)擴(kuò)挖或鉆爆法擴(kuò)挖），而隧道洞口段軟巖部分的施工則需要采用帶有超前加固作用的管棚施工法或步步成環(huán)的側(cè)壁導(dǎo)坑施工法。隧道施工招標(biāo)于2000年開展，投標(biāo)結(jié)果顯示，上述設(shè)

8、計方案得到投標(biāo)單位的普遍認(rèn)可，與中標(biāo)單位最終達(dá)成的協(xié)議施工方案為洞口軟巖段的施工方案采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工法，埃滕堡山中央硬巖部分的施工采用鉆爆施工法，尤特利山中央硬巖部分的施工采用隧道掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)洞施工+背切擴(kuò)孔式隧道掘進(jìn)機(jī)擴(kuò)挖。圖3顯示采用背切擴(kuò)孔式掘進(jìn)機(jī)施工示意圖。tunnelboreextender圖3背切擴(kuò)孔式掘進(jìn)機(jī)施工示意圖背切擴(kuò)孔式掘進(jìn)機(jī)施工法是這種技術(shù)在世界上的首次應(yīng)用，盡管存在一定的風(fēng)險和未知因素，但由于經(jīng)過嚴(yán)格了的技術(shù)論證，其風(fēng)險程度被認(rèn)為是可以接受的，這也從另一個2001方面體現(xiàn)了瑞士隧道工程技術(shù)人員敢為人先，勇于創(chuàng)新的精神。尤特利山隧道施工于年開始，到目前，一切進(jìn)展順利，沒有遇

9、到大的困難和挫折。4、隧道施工測量尤特利山隧道施工聯(lián)營體將施工測量工作分包給了專業(yè)測量公司完成，實踐證明這個舉措是非常正確和有效的，也將成為未來施工測量的發(fā)展趨勢。安伯格測量技術(shù)公司承擔(dān)了隧道施工測量的任務(wù)，他們使用了高度智能化的LEICATMS隧道測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由LEICATPS1100系列全站儀及運(yùn)行其上的TMSSETOUT和TMSPROFILE軟件包組成，它的應(yīng)用為高效生產(chǎn)提供了一套有力、靈活的綜合測量工具，隧道施工測量包括斷面測量、炮孔放樣測量、模板、鋼拱安裝測量、隧道內(nèi)設(shè)施安裝放樣、橫通道、通風(fēng)豎井的位置放樣測量等。LEICATMS隧道測量系統(tǒng)的概念就是能根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的需要，在預(yù)先

10、定義的數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下自動完成測量工作，這樣，就使得那些沒有測量專業(yè)背景的隧道施工人員也可以順利執(zhí)行測量任務(wù)。從而保證最大限度地節(jié)省完成測量工作所需要的時間，大大提高生產(chǎn)工效和降低成本，施工現(xiàn)場完全不需要等待測量員，工作交給隧道現(xiàn)場的施工人員去完成同樣可以獲得精確、高效的測量成果。圖4應(yīng)用LEICA TMS進(jìn)行炮孔放樣的示意圖5系統(tǒng)用紅色激光指出欠挖的斷面位置在尤特利山隧道工程施工過程中共有8套LEICATMS隧道測量系統(tǒng)在現(xiàn)場全天候服務(wù)。TMSOFFICE是這套系統(tǒng)的核心平臺，測量員負(fù)責(zé)輸入和管理設(shè)計數(shù)據(jù)，如平面圖、開挖斷面的幾何形狀（理論斷面）、橫向坡度、鋼拱的位置、噴射混凝土的厚度等。測量員

11、把在計算機(jī)上準(zhǔn)備好的工程數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺緝x上帶記憶卡上，在需要的時候?qū)⒖刂茰y量的遙控器交給隧道施工人員，接下來的工作就完全由施工人員自己去完成，任何人都不必?fù)?dān)心測量成果的可靠性，因為這正是整個測量系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)傻瓜式”的操作流程和專業(yè)化”的測量成果。圖4給出采用LEICATMS進(jìn)行炮孔放樣的示意圖。按照隧道鉆爆作業(yè)的質(zhì)量要求，炮孔放樣需要按設(shè)計圖打眼，掏槽孔深度和孔位、周邊孔外插角、孔間距和平行度、精度以及實際打眼總數(shù)都有詳細(xì)而準(zhǔn)確的描述和要求。常規(guī)的炮孔放樣是先由測量員按照設(shè)計圖在工作面上用油漆標(biāo)出位置，鉆孔的深度和插角都由操作鉆機(jī)的施工人員人為控制，這樣的做法一般速度慢、精度差，從而直接造成

12、隧道斷面的超/欠挖。在尤特利山隧道是使用LEICATMS按照預(yù)先就在辦公室中定義好的炮孔布置圖開始逐個放樣炮孔點位。在鉆孔的過程中，紅色的激光自動地指出炮孔點位，并且調(diào)整鑿巖臺車的位置以達(dá)到正確鉆孔插角。圖5給出隧道斷面測量的示意圖。在尤特利山隧道，斷面測量任務(wù)使用TMSPROFILE同樣使工作變得簡單，機(jī)載應(yīng)用程序TMSPROscan可在無反射棱鏡測距模式下，全自動的掃描表面。TMSPROscan內(nèi)置了標(biāo)準(zhǔn)測量順序和過程，可引導(dǎo)無測量經(jīng)驗的施工員正確完成操作、獲得精確的專業(yè)測量結(jié)果。測量結(jié)果自動保存在記憶卡上。配合原先在辦公室就輸入的工程數(shù)據(jù)來完成斷面評估的目的，TMSPROFILE有兩種比

13、較方法：實際測量斷面和預(yù)先定義的理論斷面的比較，以獲得對超欠挖的評估相同里程上兩次的實際測量斷面的比較，以獲得混凝土襯砌的厚度。即使是在隧道的施工現(xiàn)場，如果發(fā)現(xiàn)預(yù)先輸入的工程數(shù)據(jù)需要調(diào)整，測量員就可以馬上解決這個問題，因為TMST以實現(xiàn)在全站儀上管理工程數(shù)據(jù)。現(xiàn)場人員在全站儀上可以看見圖形表示的比較結(jié)果（圖6）。有問題的部位還可通過紅色可見激光直接指示在隧道工作面上。即它能指示出超挖和欠挖區(qū)域在開挖斷面上的具體位置，進(jìn)而能達(dá)到指導(dǎo)和優(yōu)化隧道施工的目的（控制隧道超欠挖）。在尤特利山隧道的洞口軟巖段施工中，采用了雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工法，首先進(jìn)行上導(dǎo)坑開挖，開挖20-40米后，進(jìn)行下導(dǎo)坑開挖，然后進(jìn)行拱頂

14、和中央開挖，最后進(jìn)行隧底仰拱開挖，通過鋼支撐形成環(huán)狀的穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)。一個基本循環(huán)大約從拱頂工作面開始進(jìn)行40米結(jié)束，當(dāng)拱頂開挖了12米后，工作切換到中央底部，典型進(jìn)尺為1.3米/天。這種施工方法要求時刻要有完全符合設(shè)計要求的隧道實際開挖斷面指導(dǎo)施工作業(yè)和安裝鋼支撐（圖7）。對鋼拱位置的放樣測量至關(guān)重要，因為鋼拱的位置決定了隧道的平面線形、縱坡和橫坡。圖7洞口軟巖段施工縱剖面示意圖圖8顯示使用TMS指導(dǎo)雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工法進(jìn)行隧道輪廓線放樣和鋼拱安裝測量的例子。圖8雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖橫斷面當(dāng)隧道施工人員將安裝鋼拱的斷面挖好之后，就需要將測量工程師叫到現(xiàn)場，由他精確的確定鋼拱的位置，這是測量工程師的基本

15、任務(wù)之一。但是，這種情況經(jīng)常會很嚴(yán)重的拖延時間，因為必須等測量工程師到場后才能根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行鋼拱精確安裝。如果開挖的工作面不夠大（欠挖），就需要把鋼拱架先拆掉和移開，然后繼續(xù)開挖。反之，如果工作面開挖的過大（超挖），就必須噴射相當(dāng)一部分混凝土進(jìn)行回填。不管是哪種情況，都必然造成隧道施工成本的增加。在尤特利山隧道施工中的鋼拱放樣采用了TMSSETOUT自動放樣技術(shù)，通過在隧道掌子面后方的一定距離固定安裝一臺LEICATCRA1205全站儀來完成對鋼拱安裝位置的自動放樣。每次開始開挖循環(huán)作業(yè)之前，隧道施工人員先通過TMSSETOUT中的一個稱為“輪廓線放樣”的“任務(wù)”精確地獲得開挖部位的設(shè)計斷面

16、位置，然后根據(jù)TMSSETOUI的的紅色可見激光的指示將鋼拱安放和調(diào)整到需要的位置。圖9顯示采用TMS進(jìn)行隧道開挖“輪廓線放樣”的示意圖。圖9TMS進(jìn)行隧道開挖“輪廓線放樣”的示意圖圖10顯示施工人員使用遙控器進(jìn)行鋼拱安裝的情景。圖10隧道施工人員在使用遙控器安裝鋼拱一旦鋼拱被正確安放和固定好，就可以用含有鋼纖維的噴射混凝土對鋼拱的空隙部分進(jìn)行充填。完成此項工作之后，還需要對隧道輪廓再進(jìn)行一次檢查，以檢查實際斷面與設(shè)計斷面的差異，是否符合設(shè)計要求，上述斷面測量工作同樣可以使用TMSPROsca機(jī)載程序來完成。采用上述隧道輪廓線放樣和鋼拱安裝測量方法極大地提高了隧道施工效率，整個鋼拱定位的操作只

17、需要大約15分鐘，這樣的工作用傳統(tǒng)的方法可能需要幾個小時或更多（包括等待測量員的停工時間）。5、隧道工程質(zhì)量檢測在尤特利山隧道施工中LEICATM駿道測量系統(tǒng)還被用于管棚施工放樣，模板放樣，隧道內(nèi)設(shè)施安裝放樣、橫通道、通風(fēng)豎井的位置放樣等測量工作。由于采用了上述高度智能化的隧道施工測量技術(shù)，承包商只需要聘請2位專業(yè)測量師就能完成上述所有的測量任務(wù)，真正做到了省時，高效，精干。尤特利山隧道施工中所采用的測量技術(shù)代表了隧道施工測量的最新水平和發(fā)展方向。尤特利山隧道除了采用上述先進(jìn)的隧道施工測量技術(shù)之外，還采用了一系列其它的先進(jìn)的隧道工程質(zhì)量檢測技術(shù)，其中最有代表性的是應(yīng)用隧道激光掃描技術(shù)作為隧道襯

18、砌竣工質(zhì)量驗收（隧道凈空測量，襯砌表面狀態(tài)影像，數(shù)字化圖像資料存檔）。隧道激光掃描技術(shù)是近幾年剛剛開發(fā)的一種隧道檢測技術(shù)，它采用LEICAHDS4500超高速相位式三維激光掃描儀為基本硬件平臺，配合相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和處理軟件，能同時獲取隧道表面各測量點的距離信息和影像信息，不但能完成各種復(fù)雜程度的全自動斷面測量、施工放樣及竣工驗收測量，而且是地下工程施工過程控制、表面平整度檢測和完整數(shù)字化圖像資料存檔的理想工具。隧道激光掃描技術(shù)有多種模塊組合，可以分為靜態(tài)和動態(tài)兩種測量方式。隧道施工過程中的測量通常為靜態(tài)方式，它是將激光掃描儀固定在一個三角架上，通過測量控制軟件完成相對于掃描儀前后一定范圍內(nèi)的三

19、維隧道斷面掃描測量，這種隧道掃描技術(shù)的生產(chǎn)效率是常規(guī)隧道斷面測量儀器生產(chǎn)效率的1萬倍。隧道激光掃描技術(shù)用于隧道竣工驗收測量通常采用動態(tài)測量方式，它是將激光掃描儀垂直于隧道軸線安裝在一個特制的帶有里程和超高等測量裝置的三輪小車上，當(dāng)小車以一定的速度沿隧道軸線均勻行駛時，掃描儀對隧道表面進(jìn)行掃描測量（掃描線軌跡為螺旋線）。當(dāng)前，基于動態(tài)測量方式的隧道掃描技術(shù)已廣泛應(yīng)用于瑞士的許多既有鐵路隧道的狀態(tài)檢測，借以指導(dǎo)實施全方位的隧道維護(hù)戰(zhàn)略，提高隧道設(shè)施維護(hù)的經(jīng)濟(jì)效益。隧道激光掃描技術(shù)為隧道工程質(zhì)量檢測提供了一種新的檢測手段和新的選擇，尤特利山公路隧道中大膽采用了這種先進(jìn)的工程質(zhì)量檢測技術(shù)，再次向人們展示