隧道激光斷面儀編制說明

隧道激光斷面儀檢定規(guī)程編寫說明

一、任務(wù)來源

根據(jù)2022年交通運輸標(biāo)準(zhǔn)化計劃安排，交通運輸部公路科學(xué)研究所等單位

承擔(dān)了《隧道激光斷面儀》計量檢定規(guī)程制定任務(wù)（計劃編號：JJG2022-09），

規(guī)程編寫組結(jié)合前期科研基礎(chǔ)，開展了規(guī)程制定的相關(guān)技術(shù)工作。

二、編寫背景

我國是一個多山國家，在山地基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中尤其重視隧道設(shè)計和施工。

開挖是隧道施工工期和造價的關(guān)鍵工序，超挖不僅因為出渣量及襯砌量增多而

提高工程造價，還會因為局部超挖產(chǎn)生應(yīng)力集中問題而直接影響圍巖穩(wěn)定性。

欠挖則直接影響襯砌厚度，對于工程質(zhì)量和安全產(chǎn)生隱患。各種資料顯示，超

欠挖控制對隧道結(jié)構(gòu)的可靠度及經(jīng)濟(jì)效益有重要影響。

隧道斷面檢測是一項在隧道施工和養(yǎng)護(hù)階段必須進(jìn)行的測量工作。在公路

或鐵路隧道等的洞身開挖前，精確、快速地測放出設(shè)計開挖輪廓線，可以有效

地減少超欠挖量、加快施工進(jìn)度，節(jié)約建設(shè)成本；在隧道開挖后及初期支護(hù)后，

經(jīng)常要進(jìn)行隧道斷面的隨機(jī)檢測、局部檢測和單點隨機(jī)檢測；在竣工驗收階段，

要匯總一定里程間隔的實測斷面同設(shè)計斷面比照資料，作為工程質(zhì)量評定的依

據(jù)；在養(yǎng)護(hù)階段，需要定期對隧道的特定斷面位置進(jìn)行跟蹤檢測，以長期觀測

隧道圍巖位移、拱頂下沉、凈空變形等技術(shù)指標(biāo)。

隧道激光斷面儀采用高精度激光測距技術(shù)和精密測角技術(shù)，將極坐標(biāo)測量

方法與計算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，配合圖形處理軟件，快速獲得隧道橫剖面連續(xù)空

間輪廓曲線，實時計算并顯示超欠挖數(shù)據(jù)，同時對收斂情況、開挖土石方量進(jìn)

行測量，具有指示炮眼功能，無需后處理可快速出具檢測結(jié)果及報告。

高精度隧道激光斷面儀目前已在公路工程試驗檢測機(jī)構(gòu)大量應(yīng)用，在《交

通運輸部公路水運工程試驗檢測機(jī)構(gòu)等級標(biāo)準(zhǔn)》中，隧道激光斷面儀也被列為

公路工程綜合甲級、橋梁隧道工程專項資質(zhì)的必備設(shè)備。為提升隧道激光斷面

儀測量結(jié)果的準(zhǔn)確性、一致性，急需開展計量技術(shù)研究，建立的隧道激光斷面

儀的計量檢定規(guī)程。

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隧道激光斷面儀檢定規(guī)程編寫說明

根據(jù)2021年交通運輸標(biāo)準(zhǔn)化計劃工作安排，由交通運輸部公路科學(xué)研究所

承擔(dān)了部門標(biāo)準(zhǔn)化研究項目《隧道激光斷面儀檢定規(guī)程研究》，項目針對以下內(nèi)

容開展了研究工作：

1）調(diào)研國內(nèi)外隧道激光斷面儀的研究現(xiàn)狀及使用情況，并收集分析相關(guān)數(shù)

據(jù)資料。

2）對隧道激光斷面儀的基礎(chǔ)理論、設(shè)備原理和指標(biāo)模型進(jìn)行深入剖析，確

定主要計量技術(shù)指標(biāo)，提出關(guān)鍵量值的復(fù)現(xiàn)方法。

3）研制隧道激光斷面儀計量標(biāo)準(zhǔn)裝置，并選用國內(nèi)具有代表性的該類設(shè)備

進(jìn)行重復(fù)性、穩(wěn)定性試驗。

4）研究識別測量不確定度來源，分析各計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量不確定度分量，

研究隧道激光斷面儀校準(zhǔn)的測量不確定度評定方法。

5）編寫隧道激光斷面儀檢定規(guī)程及編寫說明，并形成送審稿，規(guī)范隧道激

光斷面儀的計量性能要求、通用技術(shù)要求、計量器具控制、檢定方法等技術(shù)內(nèi)

容，可作為隧道激光斷面儀首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢查的技術(shù)依據(jù)。

項目的主要研究目標(biāo)為：研究隧道激光斷面儀動態(tài)原位校準(zhǔn)裝置，并形成

系統(tǒng)化的校準(zhǔn)方法，為編寫檢定規(guī)程提供技術(shù)支撐。

三、編寫過程

（一）規(guī)程研究和起草過程

2021年01月—2021年03月根據(jù)《隧道激光斷面儀檢定規(guī)程研究》項

目研究大綱內(nèi)容，完成隧道激光斷面儀研究現(xiàn)狀及使用情況的國內(nèi)外相關(guān)資料

調(diào)研。

2021年04月—2021年06月分析確定隧道激光斷面儀計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的

主要計量技術(shù)指標(biāo)，研究隧道激光斷面儀計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的量值溯源途徑，確定

主要計量技術(shù)指標(biāo)的量值復(fù)現(xiàn)方法。

2021年07月—2021年09月搭建隧道激光斷面儀計量標(biāo)準(zhǔn)試驗裝置，

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隧道激光斷面儀檢定規(guī)程編寫說明

并選用國內(nèi)具有代表性的該類設(shè)備進(jìn)行重復(fù)性、穩(wěn)定性試驗。

2021年10月—2021年12月研究隧道激光斷面儀的測量影響因素及量

化評估方法，開展測量不確定度評定。

2022年01月—2022年05月完成檢定規(guī)程及編寫說明（征求意見稿）

編寫，公開征求意見，并召開中期項目咨詢會。

2022年06月—2022年07月根據(jù)中期咨詢會專家意見，修改檢定規(guī)程文

稿，完成預(yù)研項目驗收。

2022年11月《隧道激光斷面儀》檢定規(guī)程制定計劃正式發(fā)布。

2022年12月規(guī)程編寫組在前期預(yù)研基礎(chǔ)上，編寫形成本征求意見稿。

（二）主要起草人員及其所作的工作

本規(guī)程主要起草單位為交通運輸部公路科學(xué)研究所，規(guī)程研究過程中的主

要參與起草人如表1所示。

表1主要起草人承擔(dān)工作情況表

序號姓名工作單位承擔(dān)的工作

協(xié)調(diào)規(guī)程內(nèi)容的編寫，規(guī)劃安排編寫過程涉

1荊根強(qiáng)交通運輸部公路科學(xué)研究所

及的試驗并完成統(tǒng)稿工作。

2李孝兵交通運輸部公路科學(xué)研究所測量裝置研發(fā)、試驗驗證

主要計量技術(shù)指標(biāo)的現(xiàn)場試驗、方案驗證和

3郭鴻博中路高科交通科技集團(tuán)有限公司

實施等。

中路高科交通檢測檢驗認(rèn)證有限

4毛利建現(xiàn)場試驗驗證及技術(shù)分析

公司

5毛慶洲武漢夕睿光電技術(shù)有限公司試驗方案的驗證、數(shù)據(jù)分析

6張冰中路高科交通科技集團(tuán)有限公司組織開展規(guī)程的適用性試驗和分析。

本規(guī)程的適用性分析，試驗方案的論證，關(guān)

7蔡嘉程交通運輸部公路科學(xué)研究所

鍵技術(shù)指標(biāo)的確定。

四、編寫依據(jù)

（一）規(guī)程編寫依據(jù)

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隧道激光斷面儀檢定規(guī)程編寫說明

規(guī)程編寫格式依據(jù)JJF1002-2010《國家計量檢定規(guī)程編寫規(guī)則》。根據(jù)隧道

激光斷面儀使用的實際情況，對行業(yè)內(nèi)目前的使用范圍及需求進(jìn)行了廣泛的調(diào)

研，確定了需計量的技術(shù)指標(biāo)，規(guī)程主要規(guī)定了隧道斷面儀的計量性能要求、

通用技術(shù)要求、計量器具控制等內(nèi)容。

（二）采用的國際、國內(nèi)先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的情況

在規(guī)程編寫中，編寫組搜集了部分國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程資料，主要參照以下標(biāo)

準(zhǔn)或規(guī)程：

JJF1001《通用計量術(shù)語及定義》、JJF1059《測量不確定度評定與表示》、

JJF1002-2010《國家計量檢定規(guī)程編寫規(guī)則》、JJG1152-2018《工業(yè)測量型全

站儀》、JTG/T3660-2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》等內(nèi)容。

本規(guī)程未直接采用國際或國外標(biāo)準(zhǔn)，但所依據(jù)規(guī)范JJF1001《通用計量術(shù)語

及定義》、JJF1059《測量不確定度評定與表示》的相關(guān)術(shù)語和定義與國際計量

領(lǐng)域的最新內(nèi)容保持同步。

本規(guī)程不違背我國現(xiàn)行法律、法規(guī)和強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)比較，本規(guī)程的

技術(shù)內(nèi)容與相關(guān)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)無重大分歧意見。

（三）規(guī)程編寫原則

本規(guī)程編寫服從適用性、成熟性和經(jīng)濟(jì)性的主要原則。

適用性原則：本規(guī)程針對隧道激光斷面儀設(shè)備的關(guān)鍵測量性能參數(shù)計量方

面，提出了一種簡易適用的檢定方法，根據(jù)實際項目的需要，提出相關(guān)的技術(shù)

指標(biāo)，適度控制規(guī)程的技術(shù)邊界。

成熟性原則：對規(guī)程中的相關(guān)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行充分的調(diào)研、技術(shù)論

證或試驗驗證，依據(jù)充分，理論正確，驗證可信，確保技術(shù)成熟性、可靠性。

經(jīng)濟(jì)性原則：合理的選取與設(shè)備計量性能最相關(guān)的關(guān)鍵參量，對于設(shè)備的

固有結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要由廠家進(jìn)行控制，一旦設(shè)備出廠后即相對固定，簡化對此

類參數(shù)的計量需求，節(jié)約相應(yīng)的資源浪費。

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隧道激光斷面儀檢定規(guī)程編寫說明

五、主要技術(shù)內(nèi)容

（一）范圍

本規(guī)程適用于隧道激光斷面儀的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中的檢驗。

隧道激光斷面儀作為高度集成化的專用隧道斷面測量儀器，因技術(shù)針對性

強(qiáng)，應(yīng)用方便，目前已在公路工程試驗檢測機(jī)構(gòu)大量應(yīng)用。然而，目前針對隧

道激光斷面儀并沒有建立交通行業(yè)的計量標(biāo)準(zhǔn)，量值溯源工作主要參照全站儀、

水準(zhǔn)儀的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，對旋轉(zhuǎn)角度、測距誤差進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)。目前的

校準(zhǔn)過程與隧道激光斷面儀的實際工作過程有較大差異，且離散的校準(zhǔn)點難以

形成連續(xù)斷面曲線，無法對隧道激光斷面儀的整體測量結(jié)果進(jìn)行綜合評定，溯

源工作的有效性難以得到保證。

為正確、全面的檢驗隧道激光斷面儀的整體計量性能，為隧道質(zhì)量監(jiān)督和

檢測工作提供可靠的技術(shù)保障，需要對隧道激光斷面儀計量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行研究，

通過試驗研究形成完善可靠的計量方法，并編寫隧道激光斷面儀檢定規(guī)程。

（二）計量性能要求

隧道激光斷面儀一般采用激光測距技術(shù)和精密技術(shù)，將極坐標(biāo)測量方法與

計算機(jī)技術(shù)精密結(jié)合，同事配合專業(yè)圖形處理軟件，快速獲得隧道封閉空間內(nèi)

部輪廓曲線。對于計量性能部分，主要對設(shè)備的有效檢測視角、激光傳感器測

距誤差、隧道斷面超欠挖最大值和超欠挖面積測量誤差、設(shè)備測值復(fù)現(xiàn)性等計

量性能進(jìn)行了規(guī)定。

有效檢測視角指標(biāo)要求是確保設(shè)備能在規(guī)定的視角范圍內(nèi)獲取到完成的隧

道斷面曲線。

激光傳感器測距誤差是評價隧道激光斷面儀設(shè)備的一個重要技術(shù)指標(biāo)，可

以通過標(biāo)準(zhǔn)量塊測量的方法對其進(jìn)行檢定。

隧道斷面超欠挖最大值和超欠挖面積指標(biāo)是檢定設(shè)備最核心的計量參數(shù)。

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T3660-2020）中7.3.3的規(guī)定，應(yīng)嚴(yán)格控

制超欠挖，因此本規(guī)程中，也將斷面超欠挖最大值和超欠挖面積列入其中最為

關(guān)鍵的計量參數(shù)。

設(shè)備測值復(fù)現(xiàn)性指標(biāo)主要評價設(shè)備在實際的測量過程中，在測點位置不完

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隧道激光斷面儀檢定規(guī)程編寫說明

全相同的情況下，能否得到隧道斷面的準(zhǔn)確曲線。

綜上所述，本檢定規(guī)程提出了以下計量性能要求。

表2計量性能要求

序號檢定項目計量性能要求

1檢測視角范圍60°~300°（儀器測頭垂直向下為0°）

2激光測距儀示值誤差±2mm

超欠挖最大值測量誤差：±3mm

3隧道斷面超欠挖指標(biāo)測量誤差

超欠挖面積相對測量誤差：±10%

4斷面儀測值的復(fù)現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)不大于5%

（三）檢定方法的確定

根據(jù)計量性能要求，逐項提出檢定方法，并進(jìn)行了試驗驗證：

1.檢測視角范圍檢定方法試驗驗證

1)檢定器具

鋼卷尺：測量范圍為（0～5）m，分度值不大于1mm。

2)檢定步驟

斷面儀檢測視角范圍的檢定過程如下：

a)選取一處路面相對平整的道路，將道路中心作為校準(zhǔn)點，并在該點路面

上沿中心線垂直方向繪制一條直線；

b)將斷面儀架設(shè)在校準(zhǔn)點正上方，安裝并調(diào)整好儀器，首先調(diào)整儀器的激

光點對準(zhǔn)道路中心線方向上，然后將斷面儀測頭在水平方向上旋轉(zhuǎn)

90°，激光點應(yīng)能落在a）中繪制的那一條垂直于中心線的直線上；

c)將儀器對中歸零后（此時激光器方向垂直向下），通過斷面儀自動測取

或手動采用鋼卷尺測量該儀器高度h并記錄（儀器高為相對地面的高

度）；

d)在豎直方向上，先逆時針方向調(diào)整斷面儀測頭，使其激光點能剛好避開

支架右側(cè)的阻擋區(qū)域，用鋼卷尺測量并記錄激光點至校準(zhǔn)點之間的距離

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隧道激光斷面儀檢定規(guī)程編寫說明

lα

1，通過式（1）計算儀器的起始視角1；

l

α=arctan(1)（1）

1h

式中：l激光測點至校準(zhǔn)點之間的距離（）；

1——m

h——儀器相對地面的高度（m）。

e)重新將儀器對中歸零后，用同樣的方法，沿順時針方向調(diào)整斷面儀測頭，

使其激光點能避開支架左側(cè)的阻擋區(qū)域，用鋼卷尺測量并記錄激光點至

lα

校準(zhǔn)點之間的距離2，通過式（2）計算儀器的終止視角2；

l

α=360a?arctan(2)（2）

2h

式中：l激光測點至校準(zhǔn)點之間的距離（）；

2——m

h——儀器相對地面的高度（m）。

2.激光測距儀示值誤差試驗

1)檢定器具

檢定器具包括：

a)鋼卷尺：測量范圍為（0～50）m，分度值不大于1mm；

b)標(biāo)準(zhǔn)量塊：5mm、20mm、40mm、80mm，準(zhǔn)確度等級2級；

c)檢測平臺：L型平臺，水平面與垂直面的邊長均為150mm，厚10mm，

表面粗糙度Ra0.8μm，L型平臺固定在三腳架上，可手動調(diào)整水平；

2)檢定步驟

斷面儀中激光測距儀示值誤差的檢定過程如下：

a)將待測斷面儀安裝并調(diào)試好，調(diào)整儀器測頭至90°（儀器測頭垂直向

下為0°），用鋼卷尺在距離設(shè)備測點的位置10m處放置一個檢測平臺，

調(diào)整檢測平臺的三腳架高度，使得激光器投影點位于檢測平臺上的豎直

面中心位置處，并手動調(diào)整水平；

b)采集斷面儀至檢測平臺的水平距離，作為零基準(zhǔn)點，然后貼緊豎直板分

別放入標(biāo)準(zhǔn)值為5mm、20mm、40mm、80mm四種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)量塊，分

別記錄對應(yīng)得到的待測斷面儀輸出示值，按照式（3）計算激光測距儀

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隧道激光斷面儀檢定規(guī)程編寫說明

相對于不同量塊的示值誤差。

?=HH

H測-標(biāo)（3）

式中：?H——測距示值誤差（mm）；

H測——激光測距儀測得的量塊高度值（mm）；

H

標(biāo)——所用量塊的標(biāo)稱值（mm）。

c)取?