激光隧道斷面測距儀在輸水隧洞中的應用

孫德剛

（新疆水利水電勘測設計研究院）

0 引言

激光隧道斷面距測儀在工程檢測中應用廣泛，特別對于隧道施工來說，在進行測量隧道超欠挖施工時，就可以應用激光隧道斷面測距儀，它具有體積小、重量輕、操作簡便的特點，可以更好地控制施工。

1 激光與激光斷面測距儀的概述

1.1 激光概述

激光，從字面上的理解就是“受激輻射而放大的光”。激光從20世紀60年代出現，在短短幾十年的時間內得到了飛速的發展。激光具有單色性、能量集中以及方向性良好的特點，所以在很多測量工作中都得到了很好的應用。激光的發現不但使得測量方式有所變革，還大大提高了測量的精確度。其中，目前應用較為廣泛的一項技術就是激光測距。在國內外市場上，用于激光測距的系統已經有了100 多種類型，測試與量取的單位可以準確到毫米。從當前十幾年來的發展情況來看，我國的激光測距儀的研究與使用取得了一定的成就，目前，我國已經研究并生產出很多類型的激光測距儀，武漢地震研究中心相繼研發出了+、JcY-aJcY型激光測距儀。

1.2 激光斷面測距儀概述

激光斷面測距儀指的是通過對激光的應用來實現測量目標距離的儀器。在實際工作時，激光斷面測距儀會朝著測量目標物發射出一束激光，目標物會將激光發射回去，光電元件用于接收其反射光，通過對計時器的利用來測量與確定發射到接收之間持續的時間，這樣就可以計算出從觀測者到目標之間的距離。

激光斷面測距儀是在激光測距技術與精密數字測角技術的基礎上設立起來的。極坐標測量法和現代互聯網技術利用專業的圖像處理軟件，可以很快得到隧道斷面圖，并與設計圖進行對比，從而獲取檢測報告。另外，激光斷面測距儀的內存容量非常大，所以在測量現場不需要使用計算機就可以測量。

2 激光測距原理

一般而言，采用激光測量距離的方法主要有激光脈沖測距法和激光相位測距法。這兩種方法之間的相似之處為：它們全是通過測量設備到被測目的地來回經過的時間t，來算出距離D，具體的計算公式如下：

式（1）中： 指的是空氣中的光速。

2.1 激光脈沖測距法

利用激光脈沖測距法進行實際測量時，具體的工作步驟如下：從激光器中發射出發一道非常短的脈沖波，通過被測量物的反射后，這一脈沖光就會按原路返回，反射光由光電探測器接收，根據主波和回波信號產生的時間，按照公式（1），就可以算出被測量物的距離是多少。

上邊所說的時間主要是通過鐘頻脈沖數計算出來的。針對激光測距系統而言，鐘頻脈沖發生器一般會每秒發射超過3 000萬個脈字電。因此，單個脈沖的時間為1/3 000萬。除此之外，測距系統內所包含的計數器會將激光脈沖發射到被測量物反射光的鐘頻脈沖的數量計算出來，截至接收到回波信號，這樣就能得到激光脈沖到目標的來回時間間隔。

假定N是計數器計到的脈沖個數，f是計數脈沖的頻率，則：

將式（2）代入式（1）得：

2.2 激光相位測距法

激光相位測距法也就是將光源調整為頻率為f的交變光，交變光經被測量物反射后，會通過光電探測器來對其進行接收。

假如，調制光經距離D 的來回后發生的相位變化是H，則光由發射到接收所經過的時間t為：

式（4）中，k 為調制光的調制角頻率，將式（4）代入式（1）中：

3 激光斷面測距儀進行斷面測量的檢測方法

首先，選取要測量的隧洞斷面，從地面上找取一個標志處，并要盡可能保持三腳架的中間與地面標志處對準。在對斷面進行測量之前，隧道應提前用經緯儀或全站儀放了點，在三腳架的最上端放置設備，并將螺絲釘擰緊固定好，這樣就完成了儀器的安裝工作；其次，打開儀器開關，儀器會先進行自我檢查，并會跳入主菜單中，待儀器處于脫機模式的時候，要將激光器點亮，這時候儀器就會自己轉到激光所指的與地面垂直的方向，并保持不動。在這種情況下，慢慢移動三腳架上的儀器，觀測圓水準的位置，如有必要，還應調節三角架的位置，確保激光在地面的位置與中心標志處相吻合，這時就能夠測量選定的斷面。

4 斷面現場驗證測試

以遼寧某工程隧洞為例，按照現在施行的規范要求，通過現場比對隧洞噴射混凝土與模筑混凝土，使用BJSD-2F型激光隧道斷面測距儀來測選取隧洞中的四個斷面。

測量之后，儀器會收集到四組不同的數據，通過使用計算機程序對這四組數據進行解讀與分析，可以清楚的看出其具體情況，之后用四個斷面的數據和實際測量到的數據進行對比，看是否存在誤差。通過驗證，發現噴射混凝土斷面2 個，斷面樁號分別為0+481和0+181，檢測結果見表1。

通過驗證，得到2 個模筑混凝土襯砌斷，斷面樁號分別為0+0540+154。在測量的2 個斷面中，L1 檢測值都比設計值要小，L2 檢測值比設計值大，2 個斷面所測面積的檢測數值比設計值小。檢測結果如表2所示。

5 結語

綜上所述，激光測距儀是隧道施工中常用的測量工具，研究激光隧道斷面測距儀在輸水隧洞中的應用，不但對隧洞施工有利，確保隧道工程的順利進行；還有助于更好的推廣與使用激光測距儀。

表1 各樁號斷面激光隧道斷面檢測儀法檢測結果表

表2 各樁號斷面激光隧道斷面檢測儀法檢測結果表