雙層雙向4車道隧道

1、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，如無反射棱鏡測距、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、無線遙控、用戶編程、聯(lián)機(jī)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(jìn)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(jì)效益、安全質(zhì)量有著根本的聯(lián)系。免棱鏡測距技術(shù)的應(yīng)用，通過輻射測量極坐標(biāo)的方式，能夠準(zhǔn)確、快速地完成隧道掘進(jìn)放樣、斷面測量、圍巖凈空位移量測等主要施工測量工作，全部測量內(nèi)業(yè)利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，為隧道施工測量帶來技術(shù)革命，為

2、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關(guān)隧道施工為例，介紹應(yīng)用全站儀免棱鏡測距這一新興技術(shù)來進(jìn)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(guān)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(shè)計(jì)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(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、開挖后斷面測量及圍巖監(jiān)測等測量任務(wù)重，尤其是超欠挖所

3、帶來的經(jīng)濟(jì)損失更是不容忽視。對(duì)此，選擇徠卡TCRA1101型免棱鏡測距全站儀來進(jìn)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2+2ppm，免棱鏡測量標(biāo)稱距離為250m。3 免棱鏡測距技術(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)如洞門點(diǎn)坐標(biāo)及高程、縱坡參數(shù)、開挖斷面形狀等通過有關(guān)程序輸入儀器內(nèi)存。放樣時(shí)儀器可置于導(dǎo)線點(diǎn)或利用自由測站、后方交會(huì)程序完成設(shè)站工作，包括設(shè)置測站點(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)方式來完成儀器的設(shè)站工作。臨時(shí)

4、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)定位掌子面開挖斷面，而后開始進(jìn)行開挖輪廓線上點(diǎn)的測設(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，儀器每測一次得所測點(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其坐標(biāo)值，重算

5、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。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)行斷面測量。一個(gè)是在所測斷面內(nèi)的任一位置安設(shè)儀器，可用后方交會(huì)、自由測站或已知站點(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)置間隔距離測取儀器到各測點(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

6、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(diǎn)在于不用頻繁搬動(dòng)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(gè)點(diǎn)位的測取需重復(fù)多次。對(duì)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(yīng)斷面測量后處理軟件的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過分析、計(jì)算與理論斷面比較等處理過程，最后輸出實(shí)測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 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)控量測來掌握施工過程中圍巖變形及支護(hù)狀況，及時(shí)準(zhǔn)確獲取監(jiān)測信息，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

7、完成圍巖凈空位移量測任務(wù)，采用三維非接觸量測新技術(shù)。其基本原理是利用全站儀自由設(shè)站遠(yuǎn)距離測定量測點(diǎn)點(diǎn)位不同時(shí)段的三維坐標(biāo)，將測量數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后處理，最后輸出監(jiān)測成果。全站儀內(nèi)相應(yīng)配圍巖收斂檢測模塊，計(jì)算機(jī)內(nèi)配圍巖收斂分析處理輸出模塊。自由設(shè)站三維非接觸觀測系統(tǒng)由觀測主機(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)場情況自行設(shè)置或利用隧道內(nèi)控制測量的導(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。

8、測量時(shí)中心小孔為照準(zhǔn)點(diǎn)，觀測時(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)測距的影響。 觀測前，對(duì)全站儀進(jìn)行調(diào)校，使儀器處于最佳狀態(tài)。觀測時(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。觀測采用記錄測量模式，所有觀測數(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)測距的影響，每次量測時(shí)測站位置應(yīng)大致相同。觀測時(shí)采用三次重復(fù)設(shè)站，每次設(shè)站采用雙盤測回結(jié)合三次重復(fù)照準(zhǔn)的冗余觀測方法，即每一測站上分別用兩個(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)站觀測的結(jié)果。量測頻率主要根據(jù)位移速度和測點(diǎn)距開挖面的距離而定。一般在測點(diǎn)埋設(shè)初期測試頻率每天1

9、3次，隨著圍巖漸趨穩(wěn)定，量測次數(shù)減少，當(dāng)出現(xiàn)不穩(wěn)定征兆時(shí)，增加量測次數(shù)。當(dāng)圍巖達(dá)到基本穩(wěn)定后，以1次/3日的頻率量測2周，若無明顯變形，則可結(jié)束量測。 將每次測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)分析處理量測數(shù)據(jù)，并相應(yīng)輸出量測成果，并打印報(bào)表。4 結(jié)論 免棱鏡測距技術(shù)應(yīng)用于隧道測量有如下優(yōu)點(diǎn): （1）測量速度快 掘進(jìn)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(zhǔn)確 一是測設(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、軌面的位置

10、固定），且各點(diǎn)在開挖輪廓線上間距一致，這為鉆眼爆破帶來極大便利測點(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，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(shè)站，減少其它工序?qū)y量的干擾，反之也減少了測量對(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，只要滿足測程與通視兩個(gè)條件就可完成測量任務(wù)，減少測量對(duì)其它機(jī)械設(shè)備（如腳手架，升降機(jī)等）

11、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量工作?；蜓b碴快完成時(shí)，邊裝碴邊測量，實(shí)現(xiàn)零分鐘測量。 （5）適應(yīng)性強(qiáng) 因全站儀是以極坐標(biāo)方式來測量坑道上的點(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)，從測量的觀點(diǎn)與隧道解析觀點(diǎn)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(biāo)與隧道解析的問題。我們關(guān)心的是如何去準(zhǔn)確測量點(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(zhǔn)確、快速、靈活的測量，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