全站儀免棱鏡測距技術在隧道施工測量中的應用

1、全站儀免棱鏡測距技術 在隧道施工測量中的應用全站儀以其高度自動化和準確快捷的定位功能在目前工程測量工具 上確立了其統(tǒng)治地位。許多新技術運用到全站儀的制造和使用當中， 如無反射棱鏡測距、目標自動識別與瞄準、動態(tài)目標自動跟蹤、無線 遙控、用戶編程、聯(lián)機控制等。在隧道控制測量中，全站儀業(yè)已普及, 但以其作為隧道施工測量的測量工具并不多見。 新建隧道施工中的最主要工序，如掘進掌子面放樣、斷面測量及圍巖凈空位移量測等，與 工程的經(jīng)濟效益、安全質(zhì)量有著根本的聯(lián)系。免棱鏡測距技術的應用， 通過輻射測量極坐標的方式，能夠準確、快速地完成隧道掘進放樣、 斷面測量、圍巖凈空位移量測等主要施工測量工作， 全部測量內(nèi)

2、業(yè)利 用計算機自動處理，為隧道施工測量帶來技術革命，為整個工程節(jié)約 時間、減少投資。本文以新原高速公路雁門關隧道施工為例，介紹應 用全站儀免棱鏡測距這一新興技術來進行隧道開挖放樣、斷面測量及圍巖凈空位移量測等隧道施工日常測量工作。2工程概況 新原高速公路雁門關隧道位于山西代縣境內(nèi)， 為目前國內(nèi)高速公路最 長隧道，是新原高速公路的咽喉控制工程。 設計為4車道雙洞單向行 駛隧道，左洞長5235米，右洞長5323米，凈寬10米，凈高6米 6B合同段為出口段，全長5175米（左洞長2560米，右洞長2615米）。該段地質(zhì)條件復雜，其中 III 類及以下圍巖占全段的 76.8% ， 成為該隧道施工的難點

3、。 隧道施工中掘進放樣、 開挖后斷面測量及圍 巖監(jiān)測等測量任務重，尤其是超欠挖所帶來的經(jīng)濟損失更是不容忽 視。對此，選擇徠卡 TCRA1101 型免棱鏡測距全站儀來進行開挖放 樣、斷面測量及圍巖凈空位移量測等主要日常測量工作。徠卡TCRA1101型全站儀，測角精度為1.5 : 測距精度為+2ppm ,免 棱鏡測量 標稱距離 為 250m 。3 免棱鏡測距技術的應用3.1 掘進掌子面斷面放樣 放樣前，先將隧道設計參數(shù)如洞門點坐標及高程、縱坡參數(shù)、開挖斷 面形狀等通過有關程序輸入儀器內(nèi)存。 放樣時儀器可置于導線點或利 用自由測站 、后方交會程序完成設站工作， 包括設置測站點三維坐標、 儀器高、方位

4、角。 為使儀器與掌子面距離不至于太遠，儀器一般不直 接安置于導線點上，而通常采用后方交會方式來完成儀器的設站工 作。臨時后視點可埋設在邊墻上，但須注意檢查其穩(wěn)定性。 儀器建站后，首先瞄準掌子面（僅用激光點對準激光與望遠鏡同軸） 測出掌子面至儀器站的距離， 儀器計算出掌子面的里程， 根據(jù)里程及 有關輸入的參數(shù)定位掌子面開挖斷面， 而后開始進行開挖輪廓線上點 的測設。放樣點可按設置間距從左到右、 從中間向兩側等不同順序測 設。當紅色激光指向第一個點位確定后， 點上紅油漆就完成一個點位 的放樣工作， 按操作鍵儀器在馬達的驅動下轉向下一個點， 依此類推 放樣完所有的點（見圖 1 ）。圖1 免棱鏡測距技

5、術應用示意圖 當掌子面不平時，應增加每個點位的測量次數(shù)，一般設為 3 至 6 次， 并給出點的允許偏差， 儀器每測一次得所測點位的三維坐標并計算出 激光點離設計輪廓的偏移值， 將修正偏移值后重測其坐標值， 重算偏 移值，若偏移值在允許偏差范圍內(nèi)， 激光點處位置即可認為是開挖輪 廓線上的點，否則重測。利用此程序還可以放樣出掌子面每一個炮孔的設計位置。3.2 斷面測量徠卡 TCRA1101PLUS 型全站儀機內(nèi)配置有兩個程序可以進行斷面 測量。一個是在所測斷面內(nèi)的任一位置安設儀器， 可用后方交會、 自 由測站 或已知站點設站 ，確定儀器的三維坐標及設置方位角，然后 啟動斷面測量程序， 設置好有關參

6、數(shù)后， 儀器在司服馬達的驅動下照 準布于隧道軸線法線的豎直平面旋轉一周， 同時按設置間隔距離測取 儀器到各測點的距離及角度，并存儲于儀器內(nèi)存或 PC 卡上，即完成 一個斷面的外業(yè)測量工作（圖 1 所示）；另一斷面測量程序是儀器不 一定安置在所測斷面垂直面內(nèi)， 建站工作同前， 可測取儀器免棱鏡測 程內(nèi)的所有需測的斷面。 此方法優(yōu)點在于不用頻繁搬動儀器， 可測取 任一需測斷面， 但開挖后的斷面表面凹凸不平， 斷面每個點位的測取 需重復多次。對襯砌后輪廓規(guī)則的斷面此法測量速度將大大快于前一 種方法。將不同斷面的外業(yè)測量記錄輸入裝有相應斷面測量后處理軟件的計 算機，計算機經(jīng)過分析、計算與理論斷面比較等

7、處理過程，最后輸出 實測及理論斷面比較圖形、斷面面積、超、欠挖面積等有關參數(shù)（見 圖 2 ）。圖 2 斷面測量成果輸出圖3.3 圍巖凈空位移量測隧道采用鉆爆法施工， 根據(jù)新奧法基本原理， 運用圍巖監(jiān)控量測來掌 握施工過程中圍巖變形及支護狀況， 及時準確獲取監(jiān)測信息， 并指導 施工，以達到安全、可靠、經(jīng)濟的目的。為快速、高效、準確完成圍 巖凈空位移量測任務， 采用三維非接觸量測新技術。 其基本原理是利 用全站儀自由設站遠距離測定量測點點位不同時段的三維坐標， 將測 量數(shù)據(jù)輸入計算機進行后處理， 最后輸出監(jiān)測成果。 全站儀內(nèi)相應配 圍巖收斂檢測模塊，計算機內(nèi)配圍巖收斂分析處理輸出模塊。 自由設站三

8、維非接觸觀測系統(tǒng)由觀測主機全站儀、 反射靶標、 后視基 準點及計算機組成 后視基準點要求穩(wěn)固， 其坐標可根據(jù)現(xiàn)場情況自行設置或利用隧道內(nèi) 控制測量的導線點；反射靶標采用3mm厚的薄鋁板制成70 x 80mm 的方板，表面貼上60 x 60mm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的表面或點焊在初期支護的鋼筋 上，按有關規(guī)范要求在隧道內(nèi)進行點位布置。 測量時中心小孔為照準 點，觀測時反射膜片與儀器光軸的傾斜角度應不大于 30 度，以減少 照準對測距的影響。觀測前，對全站儀進行調(diào)校，使儀器處于最佳狀態(tài)。觀測時，打開儀 器的角度改正及補償器功能，并對儀器進行氣壓和溫度的氣象

9、改正。 觀測采用記錄測量模式，所有觀測數(shù)據(jù)均存儲在模塊內(nèi)。全站儀采用自由設站， 但為了消除膜片傾斜對測距的影響， 每次量測 時測站位置應大致相同。 觀測時采用三次重復設站， 每次設站采用雙 盤測回結合三次重復照準的冗余觀測方法， 即每一測站上分別用兩個 盤位連續(xù)、 重復照準三次目標點， 然后取平均值作為一次設站觀測的 結果。量測頻率主要根據(jù)位移速度和測點距開挖面的距離而定。 一般 在測點埋設初期測試頻率每天 13 次，隨著圍巖漸趨穩(wěn)定，量測次 數(shù)減少，當出現(xiàn)不穩(wěn)定征兆時，增加量測次數(shù)。當圍巖達到基本穩(wěn)定 后，以 1 次/3 日的頻率量測 2 周，若無明顯變形，則可結束量測。將每次測量記錄按要求

10、輸入裝有后處理程序的計算機， 計算機將自動 分析處理量測數(shù)據(jù)，并相應輸出量測成果，并打印報表。結論 免棱鏡測距技術應用于隧道測量有如下優(yōu)點 :（1）測量速度快 掘進放樣、斷面測量、圍巖凈空位移量測等每一斷面均可在幾分鐘內(nèi) 完成。（2）準確一是測設定點精度準確。 其精度可依工程所需而定， 可達幾毫米的精 度。二是固定性。 程序編制時要求儀器自動尋找斷面上相同的點（即 雖掌子面里程不同， 但所放樣各點在隧道縱向上相對于隧道中線、 軌 面的位置固定），且各點在開挖輪廓線上間距一致，這為鉆眼爆破帶 來極大便利測點即是炮眼， 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

11、個隧道炮眼順直，進 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 的爆破設計炮眼位置準確放樣出來， 如掏槽眼等， 為提高爆破效果提 供技術援助。（3）設站靈活 因為儀器可用距離后方交會設站， 這就給測量帶來很大靈活性， 可以 在不同的現(xiàn)場條件下選擇最佳位置設站，減少其它工序對測量的干 擾，反之也減少了測量對其它工序的干擾。 在某些人力設備不能到達 的或危險的地方，只要滿足測程與通視兩個條件就可完成測量任務， 減少測量對其它機械設備（如腳手架，升降機等）的依賴。因全站儀 采用極坐標的方式進行放樣， 加上其自動化程度較高， 一般即需二人 即可完成作業(yè)任務。（4）與其它工序平行作業(yè)

12、傳統(tǒng)開挖輪廓線放樣一般在出碴完后進行，往往占用數(shù)十分鐘的時 間，而采用全站儀放樣，尤其是通風效果好時，可將儀器安置在邊墻 附近，裝碴的同時便可完成碴堆以上開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備工作的幾分鐘完成剩余測量工作。或裝碴快完成時，邊裝碴邊測量，實現(xiàn)零分鐘測量。（ 5 ）適應性強 因全站儀是以極坐標方式來測量坑道上的點的坐標， 而設計坑道上任 何點都有自身的解析坐標， 從測量的觀點與隧道解析觀點來看， 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、斷面形狀問題統(tǒng)一化為極坐標與隧道解析的問 題。我們關心的是如何去準確測量點的三維坐標， 在程序中如何描述 線路、斷面設計參數(shù)，讓計算機去關心具體一個點位于曲線與直線、 直墻與曲墻的問題?？傊?，免棱鏡測距的出現(xiàn)， 使傳統(tǒng)隧道工程測量不易、不能解決的問 題得到很好的解決。準確、快速、靈活的測量，有望建立隧道表面數(shù) 字模型，準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， 減少浪費，