全站儀免棱鏡測(cè)距技術(shù)在隧道施工測(cè)量中的應(yīng)用

1、全站儀免棱鏡測(cè)距技術(shù)在隧道施工測(cè)量中的應(yīng)用 1 前言 全站儀以其高度自動(dòng)化和準(zhǔn)確快捷的定位功能在目前工程測(cè)量工具上確立了其統(tǒng)治地位。許多新技術(shù)運(yùn)用到全站儀的制造和使用當(dāng)中，如無(wú)反射棱鏡測(cè)距、目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與瞄準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤、無(wú)線遙控、用戶編程、聯(lián)機(jī)控制等。在隧道控制測(cè)量中，全站儀業(yè)已普及，但以其作為隧道施工測(cè)量的測(cè)量工具并不多見(jiàn)。新建隧道施工中的最主要工序，如掘進(jìn)掌子面放樣、斷面測(cè)量及圍巖凈空位移量測(cè)等，與工程的經(jīng)濟(jì)效益、安全質(zhì)量有著根本的聯(lián)系。免棱鏡測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)輻射測(cè)量極坐標(biāo)的方式，能夠準(zhǔn)確、快速地完成隧道掘進(jìn)放樣、斷面測(cè)量、圍巖凈空位移量測(cè)等主要施工測(cè)量工作，全部測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)利用計(jì)

2、算機(jī)自動(dòng)處理，為隧道施工測(cè)量帶來(lái)技術(shù)革命，為整個(gè)工程節(jié)約時(shí)間、減少投資。本文以新原高速公路雁門(mén)關(guān)隧道施工為例，介紹應(yīng)用全站儀免棱鏡測(cè)距這一新興技術(shù)來(lái)進(jìn)行隧道開(kāi)挖放樣、斷面測(cè)量及圍巖凈空位移量測(cè)等隧道施工日常測(cè)量工作。2 工程概況 新原高速公路雁門(mén)關(guān)隧道位于山西代縣境內(nèi)，為目前國(guó)內(nèi)高速公路最長(zhǎng)隧道，是新原高速公路的咽喉控制工程。設(shè)計(jì)為4車(chē)道雙洞單向行駛隧道，左洞長(zhǎng)5235米，右洞長(zhǎng)5323米，凈寬10米，凈高6米。6B合同段為出口段，全長(zhǎng)5175米（左洞長(zhǎng)2560米，右洞長(zhǎng)2615米）。該段地質(zhì)條件復(fù)雜，其中III類(lèi)及以下圍巖占全段的76.8%，成為該隧道施工的難點(diǎn)。隧道施工中掘進(jìn)放樣、開(kāi)挖后斷

3、面測(cè)量及圍巖監(jiān)測(cè)等測(cè)量任務(wù)重，尤其是超欠挖所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失更是不容忽視。對(duì)此，選擇徠卡TCRA1101型免棱鏡測(cè)距全站儀來(lái)進(jìn)行開(kāi)挖放樣、斷面測(cè)量及圍巖凈空位移量測(cè)等主要日常測(cè)量工作。徠卡 TCRA1101型全站儀，測(cè)角精度為1.5,測(cè)距精度為2+2ppm，免棱鏡測(cè)量標(biāo)稱(chēng)距離為250m。3 免棱鏡測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用3.1掘進(jìn)掌子面斷面放樣 放樣前，先將隧道設(shè)計(jì)參數(shù)如洞門(mén)點(diǎn)坐標(biāo)及高程、縱坡參數(shù)、開(kāi)挖斷面形狀等通過(guò)有關(guān)程序輸入儀器內(nèi)存。放樣時(shí)儀器可置于導(dǎo)線點(diǎn)或利用自由測(cè)站、后方交會(huì)程序完成設(shè)站工作，包括設(shè)置測(cè)站點(diǎn)三維坐標(biāo)、儀器高、方位角。為使儀器與掌子面距離不至于太遠(yuǎn)，儀器一般不直接安置于導(dǎo)線點(diǎn)上，而通

4、常采用后方交會(huì)方式來(lái)完成儀器的設(shè)站工作。臨時(shí)后視點(diǎn)可埋設(shè)在邊墻上，但須注意檢查其穩(wěn)定性。儀器建站后，首先瞄準(zhǔn)掌子面（僅用激光點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)激光與望遠(yuǎn)鏡同軸）測(cè)出掌子面至儀器站的距離，儀器計(jì)算出掌子面的里程，根據(jù)里程及有關(guān)輸入的參數(shù)定位掌子面開(kāi)挖斷面，而后開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)挖輪廓線上點(diǎn)的測(cè)設(shè)。放樣點(diǎn)可按設(shè)置間距從左到右、從中間向兩側(cè)等不同順序測(cè)設(shè)。當(dāng)紅色激光指向第一個(gè)點(diǎn)位確定后，點(diǎn)上紅油漆就完成一個(gè)點(diǎn)位的放樣工作，按操作鍵儀器在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)向下一個(gè)點(diǎn)，依此類(lèi)推放樣完所有的點(diǎn)。 當(dāng)掌子面不平時(shí)，應(yīng)增加每個(gè)點(diǎn)位的測(cè)量次數(shù)，一般設(shè)為3至6次，并給出點(diǎn)的允許偏差，儀器每測(cè)一次得所測(cè)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)并計(jì)算出激光點(diǎn)離設(shè)計(jì)輪

5、廓的偏移值，將修正偏移值后重測(cè)其坐標(biāo)值，重算偏移值，若偏移值在允許偏差范圍內(nèi)，激光點(diǎn)處位置即可認(rèn)為是開(kāi)挖輪廓線上的點(diǎn)，否則重測(cè)。利用此程序還可以放樣出掌子面每一個(gè)炮孔的設(shè)計(jì)位置。3.2斷面測(cè)量 徠卡TCRA1101 PLUS型全站儀機(jī)內(nèi)配置有兩個(gè)程序可以進(jìn)行斷面測(cè)量。一個(gè)是在所測(cè)斷面內(nèi)的任一位置安設(shè)儀器，可用后方交會(huì)、自由測(cè)站或已知站點(diǎn)設(shè)站，確定儀器的三維坐標(biāo)及設(shè)置方位角，然后啟動(dòng)斷面測(cè)量程序，設(shè)置好有關(guān)參數(shù)后，儀器在司服馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下照準(zhǔn)布于隧道軸線法線的豎直平面旋轉(zhuǎn)一周，同時(shí)按設(shè)置間隔距離測(cè)取儀器到各測(cè)點(diǎn)的距離及角度，并存儲(chǔ)于儀器內(nèi)存或PC卡上，即完成一個(gè)斷面的外業(yè)測(cè)量工作（圖1所示）；另一

6、斷面測(cè)量程序是儀器不一定安置在所測(cè)斷面垂直面內(nèi)，建站工作同前，可測(cè)取儀器免棱鏡測(cè)程內(nèi)的所有需測(cè)的斷面。此方法優(yōu)點(diǎn)在于不用頻繁搬動(dòng)儀器，可測(cè)取任一需測(cè)斷面，但開(kāi)挖后的斷面表面凹凸不平，斷面每個(gè)點(diǎn)位的測(cè)取需重復(fù)多次。對(duì)襯砌后輪廓規(guī)則的斷面此法測(cè)量速度將大大快于前一種方法。 將不同斷面的外業(yè)測(cè)量記錄輸入裝有相應(yīng)斷面測(cè)量后處理軟件的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)分析、計(jì)算與理論斷面比較等處理過(guò)程，最后輸出實(shí)測(cè)及理論斷面比較圖形、斷面面積、超、欠挖面積等有關(guān)參數(shù)。3.3圍巖凈空位移量測(cè) 隧道采用鉆爆法施工，根據(jù)新奧法基本原理，運(yùn)用圍巖監(jiān)控量測(cè)來(lái)掌握施工過(guò)程中圍巖變形及支護(hù)狀況，及時(shí)準(zhǔn)確獲取監(jiān)測(cè)信息，并指導(dǎo)施工，以達(dá)

7、到安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的目的。為快速、高效、準(zhǔn)確完成圍巖凈空位移量測(cè)任務(wù)，采用三維非接觸量測(cè)新技術(shù)。其基本原理是利用全站儀自由設(shè)站遠(yuǎn)距離測(cè)定量測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位不同時(shí)段的三維坐標(biāo)，將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后處理，最后輸出監(jiān)測(cè)成果。全站儀內(nèi)相應(yīng)配圍巖收斂檢測(cè)模塊，計(jì)算機(jī)內(nèi)配圍巖收斂分析處理輸出模塊。自由設(shè)站三維非接觸觀測(cè)系統(tǒng)由觀測(cè)主機(jī)全站儀、反射靶標(biāo)、后視基準(zhǔn)點(diǎn)及計(jì)算機(jī)組成。 后視基準(zhǔn)點(diǎn)要求穩(wěn)固，其坐標(biāo)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況自行設(shè)置或利用隧道內(nèi)控制測(cè)量的導(dǎo)線點(diǎn)；反射靶標(biāo)采用3mm厚的薄鋁板制成7080mm的方板，表面貼上6060mm的反射膜片，中間鉆直徑為3mm的小孔，用膨脹螺栓錨固在初期支護(hù)的表面或點(diǎn)焊在初期支護(hù)的

8、鋼筋上，按有關(guān)規(guī)范要求在隧道內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)位布置。測(cè)量時(shí)中心小孔為照準(zhǔn)點(diǎn)，觀測(cè)時(shí)反射膜片與儀器光軸的傾斜角度應(yīng)不大于30度，以減少照準(zhǔn)對(duì)測(cè)距的影響。 觀測(cè)前，對(duì)全站儀進(jìn)行調(diào)校，使儀器處于最佳狀態(tài)。觀測(cè)時(shí)，打開(kāi)儀器的角度改正及補(bǔ)償器功能，并對(duì)儀器進(jìn)行氣壓和溫度的氣象改正。觀測(cè)采用記錄測(cè)量模式，所有觀測(cè)數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在模塊內(nèi)。 全站儀采用自由設(shè)站，但為了消除膜片傾斜對(duì)測(cè)距的影響，每次量測(cè)時(shí)測(cè)站位置應(yīng)大致相同。觀測(cè)時(shí)采用三次重復(fù)設(shè)站，每次設(shè)站采用雙盤(pán)測(cè)回結(jié)合三次重復(fù)照準(zhǔn)的冗余觀測(cè)方法，即每一測(cè)站上分別用兩個(gè)盤(pán)位連續(xù)、重復(fù)照準(zhǔn)三次目標(biāo)點(diǎn)，然后取平均值作為一次設(shè)站觀測(cè)的結(jié)果。量測(cè)頻率主要根據(jù)位移速度和測(cè)點(diǎn)距開(kāi)挖面

9、的距離而定。一般在測(cè)點(diǎn)埋設(shè)初期測(cè)試頻率每天13次，隨著圍巖漸趨穩(wěn)定，量測(cè)次數(shù)減少，當(dāng)出現(xiàn)不穩(wěn)定征兆時(shí)，增加量測(cè)次數(shù)。當(dāng)圍巖達(dá)到基本穩(wěn)定后，以1次/3日的頻率量測(cè)2周，若無(wú)明顯變形，則可結(jié)束量測(cè)。 將每次測(cè)量記錄按要求輸入裝有后處理程序的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)分析處理量測(cè)數(shù)據(jù)，并相應(yīng)輸出量測(cè)成果，并打印報(bào)表。4 結(jié)論 免棱鏡測(cè)距技術(shù)應(yīng)用于隧道測(cè)量有如下優(yōu)點(diǎn): （1）測(cè)量速度快 掘進(jìn)放樣、斷面測(cè)量、圍巖凈空位移量測(cè)等每一斷面均可在幾分鐘內(nèi)完成。 （2）準(zhǔn)確 一是測(cè)設(shè)定點(diǎn)精度準(zhǔn)確。其精度可依工程所需而定，可達(dá)幾毫米的精度。二是固定性。程序編制時(shí)要求儀器自動(dòng)尋找斷面上相同的點(diǎn)（即雖掌子面里程不同，但所放

10、樣各點(diǎn)在隧道縱向上相對(duì)于隧道中線、軌面的位置固定），且各點(diǎn)在開(kāi)挖輪廓線上間距一致，這為鉆眼爆破帶來(lái)極大便利測(cè)點(diǎn)即是炮眼，炮眼間距固定。每茬炮鉆眼在斷面同一位置，為鉆眼角度提供很好的參考方向，使整個(gè)隧道炮眼順直，進(jìn)一步減少超欠挖，減少安全質(zhì)量隱患。同理，如有必要，也可將需要的爆破設(shè)計(jì)炮眼位置準(zhǔn)確放樣出來(lái)，如掏槽眼等，為提高爆破效果提供技術(shù)援助。 （3）設(shè)站靈活 因?yàn)閮x器可用距離后方交會(huì)設(shè)站，這就給測(cè)量帶來(lái)很大靈活性，可以在不同的現(xiàn)場(chǎng)條件下選擇最佳位置設(shè)站，減少其它工序?qū)y(cè)量的干擾，反之也減少了測(cè)量對(duì)其它工序的干擾。在某些人力設(shè)備不能到達(dá)的或危險(xiǎn)的地方，只要滿足測(cè)程與通視兩個(gè)條件就可完成測(cè)量任務(wù)，

11、減少測(cè)量對(duì)其它機(jī)械設(shè)備（如腳手架，升降機(jī)等）的依賴(lài)。因全站儀采用極坐標(biāo)的方式進(jìn)行放樣，加上其自動(dòng)化程度較高，一般即需二人即可完成作業(yè)任務(wù)。 （4）與其它工序平行作業(yè)傳統(tǒng)開(kāi)挖輪廓線放樣一般在出碴完后進(jìn)行，往往占用數(shù)十分鐘的時(shí)間，而采用全站儀放樣，尤其是通風(fēng)效果好時(shí)，可將儀器安置在邊墻附近，裝碴的同時(shí)便可完成碴堆以上開(kāi)挖輪廓線放樣與坑道斷面掃描，裝碴完成后搶用其它工序準(zhǔn)備工作的幾分鐘完成剩余測(cè)量工作?；蜓b碴快完成時(shí)，邊裝碴邊測(cè)量，實(shí)現(xiàn)零分鐘測(cè)量。 （5）適應(yīng)性強(qiáng) 因全站儀是以極坐標(biāo)方式來(lái)測(cè)量坑道上的點(diǎn)的坐標(biāo)，而設(shè)計(jì)坑道上任何點(diǎn)都有自身的解析坐標(biāo)，從測(cè)量的觀點(diǎn)與隧道解析觀點(diǎn)來(lái)看，也就不再存在曲線隧道、曲墻斷面放樣、工作面不規(guī)則等種種不便，使各式各樣的線路走向、斷面形狀問(wèn)題統(tǒng)一化為極坐標(biāo)與隧道解析的問(wèn)題。我們關(guān)心的是如何去準(zhǔn)確測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，在程序中如何描述線路、斷面設(shè)計(jì)參數(shù)，讓計(jì)算機(jī)去關(guān)心具體一個(gè)點(diǎn)位于曲線與直線、直墻與曲墻的問(wèn)題。 總之，免棱鏡測(cè)距的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)隧道工程測(cè)量不易、不能解決的問(wèn)題得到很好的解決。準(zhǔn)確、快速、靈活的測(cè)量，有望建立隧道表面數(shù)字模型，準(zhǔn)確快速繪制任意里程斷面圖，為施工決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，減少浪費(fèi)，減少返工，為