新原高速公路雁門關(guān)隧道的施工測(cè)量

1、 新原高速公路雁門關(guān)隧道的施工測(cè)量 新原高速公路雁門關(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、開挖后斷面測(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 TCR

2、A1101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)稱距離為250m。一、 免棱鏡測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用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)如洞門點(diǎn)坐標(biāo)及高程、縱坡參數(shù)、開挖斷面形狀等通過(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

3、掌子面的里程，根據(jù)里程及有關(guān)輸入的參數(shù)定位掌子面開挖斷面，而后開始進(jìn)行開挖輪廓線上點(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)

4、炮孔的設(shè)計(jì)位置。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；另一斷面測(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，但開挖后的斷

5、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)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

6、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70×80mm的方板，表面貼上60×60mm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(hù)的表面或點(diǎn)焊在初期支護(hù)的鋼筋上，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

7、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)距開挖面的距離而定。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)

8、，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，但所放樣各點(diǎn)在隧道縱向上相對(duì)于隧道中線、軌面的位

9、置固定），且各點(diǎn)在開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)，減少測(cè)量對(duì)其它機(jī)械設(shè)備（如腳手架

10、，升降機(jī)等）的依賴。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

11、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(biāo)與隧道解析的問題。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，為整個(gè)工程提供基礎(chǔ)保證。雖然目前此類功能齊全（無(wú)棱鏡測(cè)距，司服馬達(dá)等）的全站儀價(jià)格一般偏高，但綜合整個(gè)工程來(lái)考慮，還是減少了工程造價(jià)。隨著長(zhǎng)測(cè)程無(wú)

12、棱鏡測(cè)距硬件的進(jìn)一步完善，入世后硬件價(jià)格的下降，計(jì)算機(jī)技術(shù)人員的積極參與其中，開發(fā)出完備的軟件系統(tǒng)，這一技術(shù)將在隧道施工放樣中得到普及，取代傳統(tǒng)的斷面放樣、斷面測(cè)量及圍巖凈空位移量測(cè)等，特別是長(zhǎng)大隧道更應(yīng)將其作為首選測(cè)量工具。  3.南京地鐵新街口車站，位于南京市最繁華的商業(yè)中心，車站全長(zhǎng)365米，基坑開挖深24.7米，為三跨廂型結(jié)構(gòu)；分為直線段、過(guò)渡段、大圓盤和南延段四個(gè)施工段。車站南北向通過(guò)，東西兩側(cè)高樓林立。因此地段的地質(zhì)情況有著顯著的城市特點(diǎn)，基本為粘質(zhì)土、軟質(zhì)土和粉沙質(zhì)土。在連續(xù)墻作圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，支撐車站板、梁主要結(jié)構(gòu)為中間樁（鋼管柱）。因?yàn)檐囌揪哂写罂鐝?、?/p>

13、度大等特點(diǎn)，地質(zhì)情況一般，所以采用了鉆孔灌注樁基礎(chǔ)上的鋼管柱支撐板梁。樁均深24.7米，為深基礎(chǔ)。新街口車站為大跨三層結(jié)構(gòu)， 鋼管柱的施工質(zhì)量直接影響到工程的整體質(zhì)量。 2 鋼管柱測(cè)量定位技術(shù)的方案 影響到鋼管柱的施工質(zhì)量因素是柱的位置參數(shù)（平面位置、標(biāo)高 、垂直度）、護(hù)筒的力學(xué)性能(強(qiáng)度、抗變形性能)、澆混凝土的質(zhì)量以及鋼筋籠的制作質(zhì)量。以上鋼管柱的各種參數(shù)都直接影響鋼管柱承受各層板的自重核載及各種流動(dòng)核載受力情況，及整個(gè)車站的穩(wěn)定性。我們主要討論位置參數(shù)，涉及到測(cè)量控制方面。針對(duì)鋼管柱的平面位置、標(biāo)高、垂直度三個(gè)重要問題提出具體的解決辦法。這就涉及到二個(gè)具體的問題： 21定位器的設(shè)計(jì)制作要

14、滿足鋼管柱的初步定位的精度要求。也能滿足施工順利實(shí)施的可行性。 22鋼管柱的精確定位所采取的測(cè)量方法。要能滿足位置參數(shù)的精度要求，尤其是垂直度的精度。 鋼管柱的精確定位核心部分是測(cè)量網(wǎng)控制樁心和自動(dòng)定位器的位置參數(shù)，通過(guò)對(duì)問題的詳盡分析，我們知道要解決以上問題，就必須設(shè)計(jì)出優(yōu)良的定位器方案、測(cè)量網(wǎng)方案、施工工藝控制方案。在鋼管柱的施工過(guò)程中，測(cè)量控制貫穿始終，是最關(guān)鍵的因素之一。所以要加以偏重，并具體討論，依此提出更加優(yōu)化的方案和施工工序。 第一：自動(dòng)定位器設(shè)計(jì)方案；自動(dòng)定位器呈十字錐形，由型鋼組焊而成。 第二：大地測(cè)量網(wǎng)方案；根據(jù)城市控制網(wǎng)中的導(dǎo)線點(diǎn)及水準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)形成車站的測(cè)量控制網(wǎng)，并由此對(duì)鋼

15、管柱放線。在放線過(guò)程中要對(duì)控制網(wǎng)的導(dǎo)線點(diǎn)以及水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)密閉合差調(diào)整及平差。 第三：數(shù)學(xué)方案；對(duì)鋼管柱的施工必須要有嚴(yán)密的施工組織設(shè)計(jì)。 現(xiàn)在，我們對(duì)其中各點(diǎn)進(jìn)行詳盡的分析并提成實(shí)際的方案和措施。 3鋼管柱測(cè)量定位技術(shù)的實(shí)踐 31自動(dòng)定位器技術(shù) 針對(duì)以上方案，結(jié)合施工實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了自動(dòng)定位器?，F(xiàn)在就對(duì)自動(dòng)定位器的基本原理和作用進(jìn)行具體的闡述 311 自動(dòng)定位器的工作原理 自動(dòng)定位器呈“十”字形錐形體和呈“十”字形鋼板焊接而成，依此精確校正其平面位置、高程、垂直度，并將其上端固定于鋼套筒上，下端錨固在混凝土中。 312 自動(dòng)定位器的組成和作用 實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋籠和鋼護(hù)的引渡、限定、精確定位的作用。

16、自動(dòng)定位器呈十字錐形，有型鋼組焊而成。其錐底寬與鋼管柱內(nèi)徑留有8mm間隙，主要包括錐形引渡板、定位十字板、環(huán)形錨固腳及定位鐵件等構(gòu)件。其中錐形引渡板、定位十字板實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管柱的引渡功能，限定鋼管柱的水平位移；環(huán)形錨固腳承托鋼管柱，控制水平位置和標(biāo)高，固定在鋼套筒上并澆筑與圓形鋼筋混凝土內(nèi)，防止變形；這樣就能保證要求的精度。如下圖： 定位器的制作質(zhì)量必須嚴(yán)格控制，保證其具有足夠的強(qiáng)度、剛度及精確度，以確保鋼管柱安裝時(shí)，定位器不發(fā)生破壞、變形、移位現(xiàn)象，并提供所要求的精度。 32 測(cè)量網(wǎng)的精確控制 地鐵鋼管柱的測(cè)量網(wǎng)是根據(jù)南京城市測(cè)量控制網(wǎng)中的新街口導(dǎo)線點(diǎn)及高程水準(zhǔn)點(diǎn)放線而成，形成了整個(gè)車站的測(cè)量控

17、制網(wǎng)。 321初步測(cè)量放線 根據(jù)上圖所例確定樁心，然后做好樁位的軸線標(biāo)記，樁位 的測(cè)量放線根據(jù)鋼管柱順延外放，依此確定軸線準(zhǔn)確無(wú)誤。 322 鋼護(hù)筒中心的精確定位 根據(jù)控制網(wǎng)，我們?yōu)榱耸嵌ㄎ黄鞒醪蕉ㄎ槐M可能在2mm誤差范圍之內(nèi)。首先用全站儀放出相應(yīng)的鋼管柱中心，在鋼護(hù)筒的西方向及南北方向各測(cè)設(shè)2點(diǎn)掛線，來(lái)確定樁心位置，其水平位置誤差不大于2 mm。 323 自動(dòng)定位器初步定位 在鋼套筒頂部放十字軸線，利用全站儀在鋼套筒上端測(cè)放定相應(yīng)的鋼管柱的中心，標(biāo)記于鋼套筒上。用一帶孔的槽鋼找中心定位架精確定位出鋼管柱的中心（即是自動(dòng)定位器的中心），先用鋼絲鉛錘線來(lái)進(jìn)行自動(dòng)定位器的初步安裝見圖， 

18、 324 自定位器精確定位 通過(guò)整個(gè)車站控制網(wǎng)中的導(dǎo)線點(diǎn)，經(jīng)過(guò)全站儀和配套使用的激光錘準(zhǔn)儀（既是激光錘準(zhǔn)儀和棱鏡機(jī)座通用）確定鋼管柱的中心，然而安裝定位器精確定位，使誤差小于3mm。見如下示意圖： 325 自動(dòng)定位器的安裝 通過(guò)錘準(zhǔn)儀從孔口將鋼管中心點(diǎn)投至孔底，根據(jù)所投的中心點(diǎn)確定定位器中心，同時(shí)測(cè)量自動(dòng)定位器的標(biāo)高，然而安裝定位器，定位器用預(yù)埋聯(lián)接螺栓固定，安裝時(shí)反復(fù)測(cè)量調(diào)正，調(diào)整錨固腳的標(biāo)高及水平度，然后位置。器的安裝必須做到精放線和復(fù)測(cè)。 自動(dòng)定位器校正固定示意圖 鋼管柱精確定位及固定 鋼管柱采用上、下兩端同時(shí)定位法固定。鋼管柱下端定位主要依賴于自動(dòng)定位器，上端采用安裝三個(gè)方向花籃螺栓實(shí)現(xiàn)固定（上部加固見下圖），上中心精確定位同自動(dòng)定位器的定位方法。將鋼管柱吊起，鋼管柱底部嵌入定位器；其后對(duì)鋼管柱上端精確定位，上端鋼管柱之間設(shè)三根花藍(lán)螺栓的扣件，對(duì)鋼管柱位置進(jìn)行微調(diào)，經(jīng)過(guò)對(duì)鋼管柱的花籃螺栓的精確校正，鋼管柱中心滿足設(shè)計(jì)、精度、垂直度，并牢固焊接確保鋼管柱穩(wěn)定性及強(qiáng)度。我們認(rèn)為定位器一經(jīng)安裝就確定了位置參數(shù)，因?yàn)?鋼管柱下端的平面位置、高程、垂直度由定位器確定。 3.3 施工測(cè)量的組織實(shí)施 因新街口車站為南延段地下一層，直線段和大圓