工程隧洞斷面測繪的改進方法研究

王斐祺（佛山市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 佛山）

工程隧洞斷面測繪的改進方法研究

王斐祺（佛山市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 佛山）

傳統(tǒng)的隧洞斷面測繪方法中，數(shù)據(jù)采集和斷面繪圖方式的程序較為復雜，導致工作量大、工作效率低，且對沒有進過襯砌的隧洞來說，具有很大的危險。因此，對工程隧洞的斷面測繪方法進行改進是十分必要的。本文簡要介紹了隧洞橫斷面的特點和測量的困難，隧洞工程中施工控制點的布設問題，最后總結了免棱鏡全站儀測量、AMT.3000斷面儀、CASS6.0配合免棱鏡全站儀、利用圖像處理的4種隧洞斷面測量改進方法。

隧洞；斷面測繪；改進方法

斷面測繪工作是隧洞工程中非常重要的環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的斷面測繪作業(yè)方式，具有外業(yè)測量程序復雜、定位的精度較低，內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理工作任務量龐大、效率也很低，歸其主要問題是傳統(tǒng)的測繪方法和對其進行數(shù)據(jù)整理分析工作存在很大的局限性。因此，為了提升該工作的工作效率和最終的精確度，必須結合先進的測量儀器對測量的方式進行改進，來提高繪圖和數(shù)據(jù)分析的效率。

1 隧洞橫斷面的特點和測量的困難

隧洞斷面主要有兩大特點，其一是形狀的多元化，第二是面積比較大。隧洞的這些特點給傳統(tǒng)的斷面測繪方法造成了困擾，導致有些不能測量，像使用傳統(tǒng)的水準儀或經(jīng)緯儀的測量方法不能對某些疏導洞的斷面進行測繪。隨著科學技術的發(fā)展，電子測量儀在隧洞斷面測量上被廣泛使用，但其仍然存在某些局限性：①內(nèi)部作業(yè)仍然使用手工方法對斷面進行繪制；②棱鏡的放置位置不會在同一個斷面，導致產(chǎn)生較大的誤差；③棱鏡的放置位置不易選取，尤其是面積比較大的隧洞，經(jīng)常借助吊車等機械設備。

2 GPS布設隧洞工程控制網(wǎng)

隧洞工程控制網(wǎng)的建立與其它工程的基本類似，通常設為獨立網(wǎng)形式。主要依據(jù)是隧洞的環(huán)境/地形條件、自身的長度、現(xiàn)有的儀器設備以及規(guī)定的貫通誤差等。

通過GPS定位技術建設隧洞的平面控制網(wǎng)具有很多優(yōu)勢：①建立網(wǎng)的效率比較高，與三角網(wǎng)相比，觀測工作可提高5～10倍；②GPS網(wǎng)對圖形夾角或條件要求較低，選布點間距和點位較為隨意，僅僅在隧洞口處布設可以互相通視的控制點即可；③計算、檢查的工作量比三角網(wǎng)降低很多，并且極易符合規(guī)范的要求；④不管隧洞長短，均可應用，適用的范圍較廣。

3 隧洞斷面測量改進方法的研究

3.1 采用免棱鏡全站儀測量，并使用Excel、AutoCAD軟件繪制斷面圖

3.1.1 數(shù)據(jù)收集的方法

數(shù)據(jù)收集主要是通過激光的方式進行，采用坐標系進行定位，X軸是隧洞的洞室軸線，原點是洞室軸線的起始點。

3.1.2 繪制斷面圖

在對實地的數(shù)據(jù)進行測量后，將全站儀連接在計算機上，打開全站儀辦公軟件，將數(shù)據(jù)導入Excel表中。斷面圖體現(xiàn)的是垂直洞室軸線的二維的平面，即Y值和H值。因此，在隧洞斷面的Y值很相似時候，應依照樁號把每個斷面的Y值的固定系數(shù)進行遞增產(chǎn)生斷面間距，但是應該保持同一斷面不同點Y值所加的數(shù)值相同，避免在自動繪制斷面圖時出現(xiàn)重疊的現(xiàn)象（見圖1）。

圖1 繪制的斷面圖

3.1.3 該方法的優(yōu)點

綜合來看，上述方法是一種可行使用、作業(yè)效率高的隧洞斷面測繪的方法。

其優(yōu)勢具體表現(xiàn)為：①利用AutoCAD進行自動繪制斷面圖，解決了手工繪圖的麻煩，降低了內(nèi)業(yè)工作任務；②提高了外業(yè)作業(yè)時的定位準確度，應用先進的電子設備，使測量程序簡單化，通常只需2名外業(yè)測量工作人員；③所測數(shù)據(jù)具有較好的直觀性，不用進行復雜的轉(zhuǎn)化，也簡化了計算的過程。對該方法在實際應用中的統(tǒng)計結果，該方法提高了40%左右的工作效率[1]。

3.2 AMT.3000斷面儀的應用

3.2.1 AMT.3000斷面儀工作原理

AMT.3000斷面儀是電子測量儀與激光測距的有機結合。使用AMT.3000斷面儀可以將測量的數(shù)據(jù)直接存入內(nèi)存，導入計算機。其測距原理簡單，即激光照射到斷面后，便可測量出距離。它可以在斷面的水平方向360°自由旋轉(zhuǎn)，能夠隨時改變測量的密度。

3.2.2 AMT.3000的作業(yè)方式

主要分為以下三步：

（1）定位，即選取斷面儀的安置地點。一般情形下，將斷面儀安裝在已知地點，并在該地點放置好棱鏡，測量三維坐標，數(shù)據(jù)將自動計入內(nèi)存。

（2）啟動斷面儀。安置好斷面儀后，依照菜單的提示進行操作，將斷面儀啟動后便會進行自動測量工作。其外業(yè)工作是通過Husky手持測量計算機的Tun軟件控制的。

（3）數(shù)據(jù)分析和斷面圖繪制。把記入斷面儀內(nèi)存的定位和測量數(shù)據(jù)導入計算機后，應用AMT.3000 profiler軟件對所有數(shù)據(jù)進行分析，通常采用交互式、人機對話和自動分析三種方式。在此基礎上，計算機系統(tǒng)將自動繪制斷面圖[2]。

3.3 CASS6.0配合免棱鏡全站儀

3.3.1 隧洞斷面數(shù)據(jù)的采集

它采用的斷面編碼方式的數(shù)據(jù)采集方法。隧洞斷面是封閉的，其具體要求有：①進行測量的站點應該架設在隧洞的中線上，而在輸入坐標時，高程值輸入的是測站位置到設計斷面高的相對值；②進行踩點時，應該在隧洞前進方向上、左邊底端能測到的第一個點，順序性的向上進行，需要記錄每點的編碼n（即斷面的序號），最大程度地密集測量，天頂距點的編碼mn；再將望遠鏡在水平方向上旋轉(zhuǎn)180°，從接近天頂距的右邊的第一個可測量點一次向下進行測量，最后一點是右邊最底端可以看見的一點，到此結束全斷面的采點。

3.3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理

（1）測量數(shù)據(jù)的傳輸。與上述方法不同的是，它是帶有編碼的，在完成數(shù)據(jù)的傳輸后，還要重新確定編碼和點的順序是否有誤。其基本步驟是：在進行點擊菜單“工程應用”—“生成里程文件”—“由坐標文件生成”操作后，電腦會彈出查找數(shù)據(jù)文件的對話框，查找并點擊導入的文件，輸入新的文件名并保存，在出現(xiàn)的命令欄中選擇（2）按出現(xiàn)順序，便會完成斷面轉(zhuǎn)化。

（2）繪制隧洞斷面圖。隧洞斷面圖有兩種生成途徑：①設計參數(shù)輸入的方法；②選取已經(jīng)存在的設計線，前者實現(xiàn)比較困難，后者比較實用。其基本步驟是：點擊“工程應用”—“隧道斷面土方計算”—“繪斷面圖”，在出現(xiàn)的對話框里選擇“選擇里程文件”里剛剛導入的數(shù)據(jù)文件即可[3]。

3.4 利用圖像處理實現(xiàn)隧洞斷面測量

3.4.1 基本思想

要對隧洞斷面進行測量和計算，就必須把隧洞斷面邊緣信息導入相關的系統(tǒng)中。而在真實的項目施工中，隧洞斷面很大區(qū)域的光線較弱，而且邊緣特征不顯著。此時，通過輝光器的作用使隧洞邊緣加亮，且輸入的圖像邊緣較明顯，再利用拉普拉斯算子模板實施檢測。

在圖像進行邊緣檢測后，把它進行細化處理，并進行曲線擬合，生成可以對面積進行計算的環(huán)狀的有向離散點陣。此處，將簡要介紹對環(huán)狀細化圖形進行擬合的方法。首先，上述的點陣應該有與之對應的邏輯中點，以此點為界，把屏幕分成12個部分，把各個部分的數(shù)據(jù)點都設置成水平方向，對其進行曲線擬合，再把擬合結果調(diào)至原先的方向，則生成由離散點陣構成的有向環(huán)。

在上述的不同區(qū)域中，編碼的旋轉(zhuǎn)公式是不同的。使所有區(qū)域呈現(xiàn)逆時針的排列，并把縱坐標軸作為角分線，縱坐標軸正向的區(qū)域視為第一區(qū)域，旋轉(zhuǎn)公式通常通常為：

之后再對其進行曲線擬合并把結果還原。

3.4.2 實現(xiàn)步驟

在該方法中，隧洞斷面的測量系統(tǒng)是利用Visual Basic語言進行編寫的，而計算系統(tǒng)是通過Fortran和Visual C++語言編程的，測量數(shù)據(jù)的傳輸是由動態(tài)鏈接庫進行的。其基本步驟主要有以下幾步：①通過相機進行圖像的輸入；②把圖像導入圖像處理系統(tǒng)，并明確坐標點和比例尺；③對圖像進行的面積進行處理和曲線擬合；④導入斷面的大小，明確標準高程值，計算斷面面積值；⑤把曲線離散轉(zhuǎn)變成逆向離散數(shù)據(jù)點陣；⑥計算所有斷面，并把結果儲存到磁盤文件；⑦以表格或圖形方式輸出數(shù)據(jù)結果。

3.4.3 實例介紹

通過上述方法對某隧洞進行的實地測量，表1是上述方法測量結果與人工測量結果的對比，和計算出的誤差。可以看出，經(jīng)過隧洞斷面測量系統(tǒng)處理后的結果是能夠滿足工程施工所要求精度的。

表1 測量結果對比表

4 結語

先進的科學技術帶動了測繪工程的發(fā)展，為其提供了快速、安全、有效的測量方法，取得了良好的效果。但是，隧洞情況不一，在測量過程中要選擇合理有效的方法，并結合使用，必將發(fā)揮更大的作用。

[1]彭勇剛，曹必正.工程隧洞斷面測繪的一種改進方法[J].西北水電，2006，02：12～13.

[2]郝亞東，李智祥，郭朝亮.利用AMT.3000斷面儀進行隧洞的橫斷面測量[J].城市勘測，2004，04：41～44.

[3]宋秉元.南方CASS6.0配合免棱鏡全站儀在隧洞斷面測量中的應用[J].河北建筑工程學院學報，2006，01：78～79.

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