隧道結(jié)構(gòu)斷面測量方法及對比分析

楊志堅

(甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

隧道開挖是隧道施工的重要工序，超挖過多，不僅會因出渣量和襯砌量增多而提高工程造價，而且局部超挖會產(chǎn)生應(yīng)力集中問題，從而影響圍巖穩(wěn)定性；而欠挖則直接影響到襯砌厚度，對隧道質(zhì)量及后期運營產(chǎn)生安全隱患[1-2]。因此，超欠挖控制是隧道施工質(zhì)量評定的重要內(nèi)容之一，進行超欠挖控制的方法是使用測量儀器觀測隧道斷面若干個點，形成實際的開挖輪廓線，并在同一坐標系中與設(shè)計輪廓線進行比較，從而獲取斷面的超欠挖量和部位，及時指導下一步施工[3]。

目前對隧道進行斷面測量大都使用精密測量儀器進行自動觀測，獲取的數(shù)據(jù)精度高；并使用后處理軟件進行自動處理生成超欠挖報告。根據(jù)使用儀器類型的不同主要分為斷面儀法、全站儀法及三維激光掃描儀法[4]。

1 斷面儀法

激光斷面儀是建立在無合作目標可見光激光測距技術(shù)和精密數(shù)字測角技術(shù)之上，采用極坐標測量法與計算機技術(shù)緊密相結(jié)合的光機電一體化產(chǎn)品；加上專門設(shè)計的外業(yè)掌上電腦控制軟件及微機圖像后處理軟件，能迅速得到隧道斷面實際測量曲線圖，并與標準設(shè)計圖進行對比快速給出超欠挖等參數(shù)的檢測報告。斷面儀測量方法以操作簡單、準確率高、圖像直觀在近年來的隧道斷面測量中得到了廣泛應(yīng)用[5]。

利用斷面儀法進行隧道斷面測量時，首先將激光斷面儀定位于隧道的軸線點上，調(diào)試儀器使得測量頭處于垂直于隧道軸線處的位置；設(shè)置好隧道斷面的起始、終止測量角度及所測點數(shù)后，軟件控制測頭以某物理方向(如水平方向)為起算方向，按一定間距(角度或距離)依次測定儀器旋轉(zhuǎn)中心與實際開挖輪廓線的交點之間的矢徑(距離)及該矢徑與水平方向的夾角，將這些矢徑端點依次相連即可獲得實際開挖的輪廓線；通過洞內(nèi)的施工控制導線可以獲得斷面儀的定點定向數(shù)據(jù)，在計算軟件的幫助下自動完成實際開挖輪廓線與設(shè)計開挖輪廓線的三維匹配，最后形成超欠挖輸出圖形。

斷面儀法的優(yōu)點是儀器價格便宜，操作簡單，對作業(yè)人員要求低；缺點是架站時需要放樣出線路中線點，測量斷面?zhèn)€數(shù)多時效率低。斷面儀法是目前隧道斷面測量最常用的方法之一。

2 全站儀法

全站儀法目前主要使用高精度全站儀搭配機載測量軟件或PDA測量軟件進行數(shù)據(jù)自動采集，然后通過后處理軟件進行數(shù)據(jù)處理。其中，全站儀機載程序法是在測量機器人上進行二次開發(fā)，通過機載軟件控制儀器自動采集數(shù)據(jù)。該方法對儀器設(shè)備及操作人員要求較高，但使用的全站儀不僅可用于測斷面，也可用于其他測量工作，且采集少量斷面時速度快、精度高，因此該方法越來越多地被應(yīng)用于隧道工程中[6-7]。作業(yè)流程如下：

2.1 輸入設(shè)計要素

在后處理軟件中新建工程，填寫工程屬性，輸入設(shè)計曲線要素，包括平曲線要素、豎曲線要素和設(shè)計斷面類型及起始里程，保存工程后把文件保存在存儲卡中并裝入全站儀。

2.2 外業(yè)現(xiàn)場測量

在隧道內(nèi)合適位置設(shè)站定向，運行斷面測量軟件，進行相關(guān)配置，如測量起始角度、斷面類型、步進長度及方式、搜索范圍、測量限差等，然后輸入待測斷面里程進行測量。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在后處理軟件中打開設(shè)計文件，并導入外業(yè)實測數(shù)據(jù)進行超欠挖計算，并輸出相關(guān)圖形報表。

3 三維激光掃描儀法

三維激光掃描技術(shù)又稱為實景復制技術(shù)，是測繪領(lǐng)域繼GPS定位技術(shù)后的又一項技術(shù)革新。三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)測量中由點到線，再由線到面的單點測量方法，能獲取掃描物體表面的海量三維點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了從點測量到面測量的跨越。相較于傳統(tǒng)測量方法，三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在:①數(shù)據(jù)獲取速率高;②數(shù)據(jù)精度高;③非接觸測量;④數(shù)據(jù)信息多元化;⑤數(shù)據(jù)獲取全面。目前三維激光掃描技術(shù)已在建筑施工、三維設(shè)計、古建筑保護、礦山監(jiān)測、道路交通、逆向工程、地質(zhì)巖土工程、林業(yè)資源調(diào)查等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并取得了成果[8]。它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢[9-10]。應(yīng)用三維激光掃描儀進行地鐵隧道斷面測量的過程如下：

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用天寶SX10全站掃描儀，利用測站設(shè)立或后方交會方法進行架站。根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇合適地點架設(shè)儀器，對全部范圍掃描獲取隧道點云數(shù)據(jù)。獲取的點云數(shù)據(jù)具有絕對坐標值，點云無須拼接，減少了拼接誤差。

3.2 數(shù)據(jù)預處理

根據(jù)隧道設(shè)計數(shù)據(jù)(平曲線、豎曲線和設(shè)計斷面)，剔除隧道壁外的噪音數(shù)據(jù)。噪音數(shù)據(jù)主要是盾構(gòu)管片的連接螺栓孔、螺帽、注漿孔及電纜、照明設(shè)備及其他附著在管壁上的設(shè)施，如圖1所示。

3.3 超欠挖報告

基于隧道中心線及隧道設(shè)計開挖輪廓線建立超欠挖參考面三維模型，如圖2(a)所示；利用三維激光掃描數(shù)據(jù)，建立隧道開挖后現(xiàn)狀三維模型，如圖2(b)所示;將參考面模型和開挖后現(xiàn)狀模型進行三維立體疊加分析，利用Trimble Business Center軟件可直觀獲得該段里程中任意點位超欠挖的程度，將設(shè)定斷面里程點云掃描為CAD點，通過CAD點與模型作對比分析，確定出超欠挖量，如圖2(c)所示。

3.4 斷面分析及成果輸出

根據(jù)設(shè)定的斷面間隔提取斷面，軟件自動形成斷面超欠挖分析圖及報告，包括隧道竣工報告、隧道面積和體積報告、隧道縱斷面報告，如圖3所示。

4 方法比較

綜合對比分析3種常見隧道斷面測量方法，并結(jié)合實際及各個施工單位在實際應(yīng)用中得出的總結(jié)，得出各方法的特點見表1。

5 結(jié) 語

目前三維激光掃描儀方法得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，斷面儀法和全站儀法將逐漸被取替。研究過程及對比分析結(jié)果表明，三維激光掃描技術(shù)不僅具有與傳統(tǒng)測量技術(shù)相當?shù)臏y量精度，更具有數(shù)據(jù)采集效率高、數(shù)據(jù)全面性強、結(jié)果可三維立體化展示等優(yōu)點，可應(yīng)用于隧道超欠挖分析，為其提供更精準、更完備的數(shù)據(jù)支撐。

表1 3種隧道斷面測量方法特點