隧道結構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，而且局部超挖會產生應力集中問題，從而影響圍巖穩定性；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[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，獲取的數據精度高；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應用[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用于隧道工程中[6-7]。作業流程如下：

2.1 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存儲卡中并裝入全站儀。

2.2 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。

2.3 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。

3 三維激光掃描儀法

三維激光掃描技術又稱為實景復制技術，是測繪領域繼GPS定位技術后的又一項技術革新。三維激光掃描技術突破了傳統測量中由點到線，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據，實現了從點測量到面測量的跨越。相較于傳統測量方法，三維激光掃描技術的優勢主要表現在:①數據獲取速率高;②數據精度高;③非接觸測量;④數據信息多元化;⑤數據獲取全面。目前三維激光掃描技術已在建筑施工、三維設計、古建筑保護、礦山監測、道路交通、逆向工程、地質巖土工程、林業資源調查等領域得到廣泛應用并取得了成果[8]。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[9-10]。應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 外業數據采集

外業數據采集使用天寶SX10全站掃描儀，利用測站設立或后方交會方法進行架站。根據現場情況，選擇合適地點架設儀器，對全部范圍掃描獲取隧道點云數據。獲取的點云數據具有絕對坐標值，點云無須拼接，減少了拼接誤差。

3.2 數據預處理

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

3.3 超欠挖報告

基于隧道中心線及隧道設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據，建立隧道開挖后現狀三維模型，如圖2(b)所示;將參考面模型和開挖后現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，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，并結合實際及各個施工單位在實際應用中得出的總結，得出各方法的特點見表1。

5 結 語

目前三維激光掃描儀方法得到了廣泛的推廣和應用，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果表明，三維激光掃描技術不僅具有與傳統測量技術相當的測量精度，更具有數據采集效率高、數據全面性強、結果可三維立體化展示等優點，可應用于隧道超欠挖分析，為其提供更精準、更完備的數據支撐。

表1 3種隧道斷面測量方法特點