隧道斷面測量方法對比分析

滕 華

(上海市測繪院，上海 200063)

0 引言

隧道開挖是隧道施工的重要工序，控制斷面開挖質量是縮短工期和降低造價的關鍵工序。超挖過多，不僅因出渣量和襯砌量增多而提高工程造價，而且由于局部超挖會產生應力集中問題，影響圍巖穩定性;而欠挖則直接影響到襯砌厚度，對隧道質量及后期運營產生安全隱患［1，2］。因此超欠挖控制是隧道施工質量評定的重要內容之一，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。

隧道斷面的測量方面總體來說可以分為人工測量方法和自動測量方法，人工方法由于效率低，危險程度高，目前基本已被淘汰。現在隧道進行斷面測量大都使用測量儀器進行自動觀測，并使用后處理軟件進行自動處理數據，生成超欠挖報告，斷面面積圖等。斷面測量方法根據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合作目標可見光激光測距技術和精密數字測角技術之上，采用極坐標測量法與計算機技術緊密相結合的光機電一體化產品，加上專門設計的外業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計圖進行對比可以快速給出超欠挖等參數的檢測報告，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的應用［3］。

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，調試儀器使得測量頭處于垂直于隧道軸線處的位置。設置好隧道斷面的起始、終止測量角度及所測點數后，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)依次一一測定儀器旋轉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。通過洞內的施工控制導線可以獲得斷面儀的定點定向數據，在計算軟件的幫助下自動完成實際開挖輪廓線與設計開挖輪廓線的三維匹配，最后形成超欠挖輸出圖形。

斷面儀法的優點是儀器價格便宜，操作簡單，對作業人員要求低，缺點是架站時需要放樣出線路中線點，測量斷面個數多時效率低。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測量軟件進行數據自動采集，然后通過后處理軟件進行數據處理。其中，全站儀機載程序法是在測量機器人上進行二次開發，通過機載軟件控制儀器自動采集數據，該方法對儀器設備及操作人員要求較高，但使用的全站儀不僅僅可以用來測斷面，也可以用于其他測量工作，且采集少量斷面時速度快、精度高，因此該方法越來越多的應用于隧道工程中［4，5］。

2.1 作業流程

1)輸入設計要素。

在后處理軟件中新建工程，填寫工程屬性，輸入設計曲線要素，包括平曲線要素、豎曲線要素和設計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)外業現場測量。

在隧道內合適位置設站定向，運行斷面測量軟件，進行相關配置，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。

3)內業數據處理。

在后處理軟件中打開設計文件，并導入外業實測數據，進行超欠挖計算，并輸出相關圖形報表。

2.2 數據采集的數學模型

1)測定測站A的三維坐標。

可以有兩種方法測定測站A的三維坐標，一是通過導線的方法測定測站A(儀器中心)的三維坐標;另一種方法是通過自由設站法的方法聯測兩個以上的控制點，從而解算出測站A的三維坐標。如果有條件的情況下推薦自由設站法，可增加觀測數據的檢核條件。獲得了測站A的三維坐標之后，可根據設計線路數據計算A的精確里程。

圖1為全站儀法的外業測量示意圖。

圖1 全站儀法外業測量示意圖

2)隧道斷面數據采集。

橫斷面的采集原理是通過極坐標的方法測量各待測點Pi的斜距S、水平角A和天頂距T，然后計算各橫斷面點的三維坐標。系統通常設定一定的角度作為全站儀的掃描步長進行自動測量。所以Pi的三維坐標計算公式為:

3)斷面坐標系轉換。

為了計算方便，需要建立橫斷面坐標系。該坐標系以橫斷面測點A對應的線路中心點P0的位置為原點，坐標系以P0為坐標原點。橫斷面坐標系為位于橫斷面內的二維坐標系，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;

(X0，Y0)——線路中心點 P0的坐標。

式中規定當測站在線路中心的左邊時取負號，右邊取正號(以線路前進方向為準)。

3 三維激光掃描儀法

三維激光掃描儀測量是近幾年應用于隧道工程測量的新型測量技術，它是一種通過發射激光來掃描獲取被測物體表面三維坐標和反射光強度的儀器，是一種無接觸式主動測量系統。它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢［6，7］。應用三維激光掃描儀進行隧道斷面測量的過程如下。

3.1 外業數據采集

1)設計隧道內導線與水準測量方案，根據使用的激光掃描儀性能參數及現場環境設定掃描站間距、掃描點密度，保證各測站之間具有一定的掃描重疊度。

2)進行隧道內導線和水準測量，利用掃描儀特有的標靶進行三維坐標的傳遞。

3)同步進行隧道三維激光掃描，獲取隧道三維點云數據，同時也獲取標靶點云數據。

3.2 數據預處理

1)計算標靶三維坐標:利用導線和水準測量的成果，進行標靶三維坐標的計算。

2)點云拼接:根據標靶三維坐標將每個測站的點云數據歸算到隧道施工使用的三維坐標系統中。

3)剔除噪聲數據:根據隧道設計數據(平曲線、豎曲線和設計斷面)，剔除隧道壁外的噪聲數據。噪聲數據主要是盾構管片的連接螺栓孔、螺帽、注漿孔及電纜、照明設備和其他附著在管壁上的設施。

3.3 三維模型建立

根據預處理后的點云數據生成隧道內壁三維模型見圖2。

3.4 斷面分析及成果輸出

根據設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。

4 三種方法對比

綜合對比分析三種常見隧道斷面測量方法，各方法的特點如表1所示。

圖2 激光掃描隧道三維模型

表1 三種隧道斷面測量方法特點

5 結語

目前隧道斷面測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有得到廣泛應用，究其原因，一方面是設備昂貴，另一方面是該方法后處理過程繁瑣，對作業人員技術要求較高。但是在外業高密度采集大量斷面時，三維激光掃描儀的速度明顯高于斷面儀法和全站儀法，且生成的點云數據可以構建三維模型，可以更好的服務于隧道的健康監測，是未來隧道斷面測量的趨勢。

［1］熊維海.隧道斷面測量技術［J］.中國測試技術，2004(3)：41-43.

［2］陳建勛，馬建泰.隧道工程試驗檢測技術［M］.北京：人民交通出版社，2004：14-21.

［3］曾輝輝，朱本珍.激光斷面儀在隧道襯砌厚度檢測中的應用［J］.鐵道建筑，2006(9)：38-39.

［4］曹體濤.基于智能全站儀的隧道斷面自動測量方法及其軟件的研究［D］.成都：西南交通大學，2008.

［5］孫 昊，姚聯璧，謝義林.隧道斷面收斂測量與數據處理［J］.工程勘察，2010(11)：70-74.

［6］侯海民.三維激光掃描儀在青島膠州灣海底隧道的應用［J］.隧道建設，2010，30(6)：693-696.

［7］夏國芳，王晏民.三維激光掃描技術在隧道橫縱斷面測量中的應用研究［J］.北京建筑工程學院學報，2010，9(3)：21-24.