隧道斷面測(cè)量方法對(duì)比分析

滕 華

(上海市測(cè)繪院，上海 200063)

0 引言

隧道開挖是隧道施工的重要工序，控制斷面開挖質(zhì)量是縮短工期和降低造價(jià)的關(guān)鍵工序。超挖過(guò)多，不僅因出渣量和襯砌量增多而提高工程造價(jià)，而且由于局部超挖會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中問(wèn)題，影響圍巖穩(wěn)定性;而欠挖則直接影響到襯砌厚度，對(duì)隧道質(zhì)量及后期運(yùn)營(yíng)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(píng)定的重要內(nèi)容之一，進(jìn)行超欠挖控制的方法是使用測(cè)量?jī)x器觀測(cè)隧道斷面若干個(gè)點(diǎn)，形成實(shí)際的開挖輪廓線，并在同一坐標(biāo)系中與設(shè)計(jì)輪廓線進(jìn)行比較，從而獲取斷面的超欠挖量和部位，及時(shí)指導(dǎo)下一步施工。

隧道斷面的測(cè)量方面總體來(lái)說(shuō)可以分為人工測(cè)量方法和自動(dòng)測(cè)量方法，人工方法由于效率低，危險(xiǎn)程度高，目前基本已被淘汰?，F(xiàn)在隧道進(jìn)行斷面測(cè)量大都使用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，并使用后處理軟件進(jìn)行自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，生成超欠挖報(bào)告，斷面面積圖等。斷面測(cè)量方法根據(jù)使用儀器類型的不同，可分為斷面儀法、全站儀法以及三維激光掃描儀法。

1 斷面儀法

激光斷面儀是建立在無(wú)合作目標(biāo)可見(jiàn)光激光測(cè)距技術(shù)和精密數(shù)字測(cè)角技術(shù)之上，采用極坐標(biāo)測(cè)量法與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密相結(jié)合的光機(jī)電一體化產(chǎn)品，加上專門設(shè)計(jì)的外業(yè)掌上電腦控制軟件及微機(jī)圖像后處理軟件，能迅速得到隧道斷面實(shí)際測(cè)量曲線圖并與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行對(duì)比可以快速給出超欠挖等參數(shù)的檢測(cè)報(bào)告，斷面儀測(cè)量方法以操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確率高、圖像直觀在近年來(lái)的隧道斷面測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用［3］。

斷面儀法進(jìn)行隧道斷面測(cè)量時(shí)，首先將激光斷面儀定位于隧道的軸線點(diǎn)上，調(diào)試儀器使得測(cè)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(cè)量角度及所測(cè)點(diǎn)數(shù)后，軟件控制測(cè)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)依次一一測(cè)定儀器旋轉(zhuǎn)中心與實(shí)際開挖輪廓線的交點(diǎn)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(diǎn)依次相連即可獲得實(shí)際開挖的輪廓線。通過(guò)洞內(nèi)的施工控制導(dǎo)線可以獲得斷面儀的定點(diǎn)定向數(shù)據(jù)，在計(jì)算軟件的幫助下自動(dòng)完成實(shí)際開挖輪廓線與設(shè)計(jì)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(diǎn)是儀器價(jià)格便宜，操作簡(jiǎn)單，對(duì)作業(yè)人員要求低，缺點(diǎn)是架站時(shí)需要放樣出線路中線點(diǎn)，測(cè)量斷面?zhèn)€數(shù)多時(shí)效率低。斷面儀法是目前隧道斷面測(cè)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(jī)載測(cè)量軟件或PDA測(cè)量軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，然后通過(guò)后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中，全站儀機(jī)載程序法是在測(cè)量機(jī)器人上進(jìn)行二次開發(fā)，通過(guò)機(jī)載軟件控制儀器自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，該方法對(duì)儀器設(shè)備及操作人員要求較高，但使用的全站儀不僅僅可以用來(lái)測(cè)斷面，也可以用于其他測(cè)量工作，且采集少量斷面時(shí)速度快、精度高，因此該方法越來(lái)越多的應(yīng)用于隧道工程中［4，5］。

2.1 作業(yè)流程

1)輸入設(shè)計(jì)要素。

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

2)外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

在隧道內(nèi)合適位置設(shè)站定向，運(yùn)行斷面測(cè)量軟件，進(jìn)行相關(guān)配置，如測(cè)量起始角度、斷面類型、步進(jìn)長(zhǎng)度及方式、搜索范圍、測(cè)量限差等，然后輸入待測(cè)斷面里程進(jìn)行測(cè)量。

3)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。

在后處理軟件中打開設(shè)計(jì)文件，并導(dǎo)入外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行超欠挖計(jì)算，并輸出相關(guān)圖形報(bào)表。

2.2 數(shù)據(jù)采集的數(shù)學(xué)模型

1)測(cè)定測(cè)站A的三維坐標(biāo)。

可以有兩種方法測(cè)定測(cè)站A的三維坐標(biāo)，一是通過(guò)導(dǎo)線的方法測(cè)定測(cè)站A(儀器中心)的三維坐標(biāo);另一種方法是通過(guò)自由設(shè)站法的方法聯(lián)測(cè)兩個(gè)以上的控制點(diǎn)，從而解算出測(cè)站A的三維坐標(biāo)。如果有條件的情況下推薦自由設(shè)站法，可增加觀測(cè)數(shù)據(jù)的檢核條件。獲得了測(cè)站A的三維坐標(biāo)之后，可根據(jù)設(shè)計(jì)線路數(shù)據(jù)計(jì)算A的精確里程。

圖1為全站儀法的外業(yè)測(cè)量示意圖。

圖1 全站儀法外業(yè)測(cè)量示意圖

2)隧道斷面數(shù)據(jù)采集。

橫斷面的采集原理是通過(guò)極坐標(biāo)的方法測(cè)量各待測(cè)點(diǎn)Pi的斜距S、水平角A和天頂距T，然后計(jì)算各橫斷面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。系統(tǒng)通常設(shè)定一定的角度作為全站儀的掃描步長(zhǎng)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。所以Pi的三維坐標(biāo)計(jì)算公式為:

3)斷面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

為了計(jì)算方便，需要建立橫斷面坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系以橫斷面測(cè)點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的線路中心點(diǎn)P0的位置為原點(diǎn)，坐標(biāo)系以P0為坐標(biāo)原點(diǎn)。橫斷面坐標(biāo)系為位于橫斷面內(nèi)的二維坐標(biāo)系，其中y軸平行于水平面，x軸平行于原Z軸，所以橫斷面坐標(biāo)為:

式中:SiA——Pi之間A的斜距;

TiA——Pi，A 的天頂距;

(Xi，Yi，Zi)——Pi的三維坐標(biāo);

(X0，Y0)——線路中心點(diǎn) P0的坐標(biāo)。

式中規(guī)定當(dāng)測(cè)站在線路中心的左邊時(shí)取負(fù)號(hào)，右邊取正號(hào)(以線路前進(jìn)方向?yàn)闇?zhǔn))。

3 三維激光掃描儀法

三維激光掃描儀測(cè)量是近幾年應(yīng)用于隧道工程測(cè)量的新型測(cè)量技術(shù)，它是一種通過(guò)發(fā)射激光來(lái)掃描獲取被測(cè)物體表面三維坐標(biāo)和反射光強(qiáng)度的儀器，是一種無(wú)接觸式主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［6，7］。應(yīng)用三維激光掃描儀進(jìn)行隧道斷面測(cè)量的過(guò)程如下。

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1)設(shè)計(jì)隧道內(nèi)導(dǎo)線與水準(zhǔn)測(cè)量方案，根據(jù)使用的激光掃描儀性能參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)定掃描站間距、掃描點(diǎn)密度，保證各測(cè)站之間具有一定的掃描重疊度。

2)進(jìn)行隧道內(nèi)導(dǎo)線和水準(zhǔn)測(cè)量，利用掃描儀特有的標(biāo)靶進(jìn)行三維坐標(biāo)的傳遞。

3)同步進(jìn)行隧道三維激光掃描，獲取隧道三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)也獲取標(biāo)靶點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1)計(jì)算標(biāo)靶三維坐標(biāo):利用導(dǎo)線和水準(zhǔn)測(cè)量的成果，進(jìn)行標(biāo)靶三維坐標(biāo)的計(jì)算。

2)點(diǎn)云拼接:根據(jù)標(biāo)靶三維坐標(biāo)將每個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸算到隧道施工使用的三維坐標(biāo)系統(tǒng)中。

3)剔除噪聲數(shù)據(jù):根據(jù)隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(平曲線、豎曲線和設(shè)計(jì)斷面)，剔除隧道壁外的噪聲數(shù)據(jù)。噪聲數(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)備和其他附著在管壁上的設(shè)施。

3.3 三維模型建立

根據(jù)預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成隧道內(nèi)壁三維模型見(jiàn)圖2。

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(dòng)形成斷面超欠挖分析圖及報(bào)告。

4 三種方法對(duì)比

綜合對(duì)比分析三種常見(jiàn)隧道斷面測(cè)量方法，各方法的特點(diǎn)如表1所示。

圖2 激光掃描隧道三維模型

表1 三種隧道斷面測(cè)量方法特點(diǎn)

5 結(jié)語(yǔ)

目前隧道斷面測(cè)量使用的方法主要是斷面儀法和全站儀法，三維激光掃描儀方法并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，究其原因，一方面是設(shè)備昂貴，另一方面是該方法后處理過(guò)程繁瑣，對(duì)作業(yè)人員技術(shù)要求較高。但是在外業(yè)高密度采集大量斷面時(shí)，三維激光掃描儀的速度明顯高于斷面儀法和全站儀法，且生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以構(gòu)建三維模型，可以更好的服務(wù)于隧道的健康監(jiān)測(cè)，是未來(lái)隧道斷面測(cè)量的趨勢(shì)。

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