一種快速得出隧道初支超欠挖測量數據的方法

梁 超，陶 川

(成都華川公路建設集團有限公司，四川 成都 610041)

1 研究背景

在日常隧道施工中，測量工作一直貫穿整個施工流程，但施工中各種工序銜接緊密、交叉作業眾多，且隧道內工作面狹窄、光線黑暗。通風不暢等客觀因素存在，激光紅外線測距儀往往又受到光線、灰塵等因素影響測量結果，導致無法開展測量工作。而測量工作重中有重，它控制著隧道的平面位置、高程及隧道的凈空尺寸，如果稍微掉以輕心，控制不到位的話，可能影響到隧道的順利貫通[1]。

為滿足日常放樣工作的需要，宜選擇在掌子面或者二次臺車等工作面污染小的時間，必要時可以停止部分工序，提前加大通風的效率和時間，盡最大的可能使工作面空氣流通減少視線模糊以此來滿足測量工作的條件，若因為工作面污染時間過長造成測量工作時間過長，將直接影響整個工程進度及直接經濟效益的損失。如何快速、高效提供測量出成果，日常的儀器和測量方法尤為重要。

快速、簡便的測量是必不可少的前提[2]。目前隧道內測量超欠挖的儀器設備有全站儀、全自動斷面測距儀等。斷面儀因價格比較昂貴且僅僅只能用于隧道斷面測量，如果用卡西歐計算器編程結合全站則非常普及且價格便宜，通過全站儀現場采集隧道的初期支護，二次襯砌斷面數據加上計算器來計算分析，可以快速計算出待測點的超欠挖情況，及時糾偏，對快速高效施工具有重大意義。

2 超欠挖的定義、產生的原因及后果

1)圍巖的地質條件和圍巖裂隙的發生會不可避免出現超欠現象。

2)爆破方式由于爆破后的掌子面不在一個垂直的面上導致鉆孔的間距不恰當，存在孔間距大小不一的情況發生。周邊眼過稀、裝填藥量未控制好，司鉆技能欠缺。

3)測量放線：日常隧道內車輛進出、爆破等導致隧道內光線較差，能見度很低、隧道內空間狹窄操作有限，可能導致前后視照準存在誤差，同時因為不同測量方法在掌子面上畫開挖等輪廓線時也會產生偏差的現象。

超挖過大導致初支噴射混凝土的增加，如在IV、V圍巖斷面很容易因為超挖初支背后出現空洞形成質量缺陷，二次襯砌混凝土量增加，從而加大了成本。

對此，應嚴格控制周邊眼間距、司鉆桿角度，合理控制裝填炸藥量、測量人員改進測量方法。進洞測量時加強通風使掌子面視線效果良好，進而提高爆破效果，達到超前合理。

為了保證開挖參數、初期支護凈空及二次襯砌完成后的凈空尺寸滿足設計規范要求，必須對已完成的部位進行斷面檢查。常規的操作是用帶有紅外線測距功能的全站儀在現場采集三維坐標用CAD畫出斷面圖與設計輪廓線對比進行檢查，但是工作量大、效率低下。如果使用斷面儀在現場采集數據，采集完成后導入電腦，利用配套成圖軟件一次成圖可以清楚地反映出超欠挖的情況，但是性價比低、效率低下，不能現場反饋給施工管理人員。如果使用卡西歐計算器編寫程序，然后現場實測數據反算出結果，只需要5～10 s，然后將將測量數及時反饋到現場施工人員，這樣就達到了及時控制開挖及襯砌凈空標準。

3 斷面超欠挖計算過程及放樣方法

公路隧道一般是由單心圓、三心圓、五心圓等組成，本文以三心圓為例進行說明。

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如圖1所示：a為第一圓心o1至檢測點的高差；b為o1至檢測點的水平距離。可以看出x為大于設計輪廓線位置，表示該點為超挖，我們可以通過以下的數學公式來進行求解得出x差值：先通過tan-1求出∠α夾角，再通過cos求出邊長c，用邊長c減去r半徑得出x差值。

圖1 超欠挖檢測數學模型(單位：mm)

示例：假如a=4.315m、b=6.258 m、r=6.700 m，求x。計算公式如下：

x=a÷cos(tan-1(b÷a))-r，x=0.901 m

從結果得出該點比隧道設計輪廓線大0.901 m，該點屬于超挖點。

輪廓線放樣原理：隧道開挖輪廓線放樣的計算原理主要通過勾股定理來進行解算，其數學模型見圖2。數學公式中常寫作a2+b2=c2。

根據勾股定理得出：

隧道輪轂線放樣方法見圖3。

圖2 勾股定理數學模型

圖3 放樣數學模型(單位：mm)

放樣點為現場實測掌子面上的實際點位，x為超挖的斜距，通過計算出x的距離然后向該點圓心方向移動到設計標準輪廓線位置即可。

在現場通過帶有紅外線配置的全站儀配合反射片直接測出放樣點坐標的三維坐標，配合卡西歐編程計算器可以反算出放樣點的實際里程和該點距隧道中心線水平距離d。過程為：

示例：假如該點至隧道中心間距b=6.258 m、該點實測高程Z=514.315 m、O1圓心高程H=510.0000 m、O1圓心理論半徑c=6.70m，通過以下公式求解：

從以上計算式中得出現場放樣點距設計理論輪廓線的圓心方向距離為0.901 m，說明該點需要向設計圓心方向移動0.901 m才是放樣的準確位置。

卡西歐計算器程序實操過程：將儀器架設在已知的控制點上，精確整平后輸入已知控制點坐標(也可以輸入控制點的工程坐標)將棱鏡架設在已知控制點上，然后輸入后視點坐標進行后視，后視點距離測站點最好>200～250 m，考慮到隧道光線和能見度較低的情況，后視距離測站點酌情縮短。后視好后將全站儀紅外線開啟調整到待測點附近或者是明顯突出部位進行觀測，測得該點的三維坐標，然后計算出該點的超欠挖情況，進而反復微調直至調整到設計點位置。如果是檢測初支斷面情況，可以直接在突出點直接測出坐標進行反算，存在超挖、欠挖的地方用油漆標記并記錄在冊，告知現場技術人員處理。然后測量下一個點，直到整個斷面測完。圖4為隧道斷面初支放樣點效果圖。

圖4 初支放樣點效果圖(單位：mm)

其他方法：傳統的檢測方法有五寸臺法，角度控制法等，此處只介紹五寸臺法。

拱部斷面的輪廓線般用五寸臺法測出。如圖5所示，自拱頂外線高程起，沿路線中線向仰拱位置每隔0.5 m向左、右兩側量其設計支距，然后將各支距端點連接起來，即為拱部斷面的輪廓線。在隧道的直線地段，隧道中線與路線中線重合，開挖斷面的輪廓左右支距(指與斷面中線的垂直距離)也相等。在曲線地段，隧道中線和線路中線存在不重合的情況，隧道中線由路線中線向圓心方向內移，用d值來表示，即如圖5所示。由于在開挖面上的中線是依路線中線標定的，所以在標繪輪廓線時內側支距應比外側支距大2d。

施工斷面各部位高程的確定應考慮允許的施工誤差，一般起拱線、內拱頂和外拱頂高程均需增加5 cm，有時為防止掘進中底部開挖超高處理困難，采取將底部高程降低10 cm的方式進行處理。

圖5 五寸臺法(單位：m)

方法對比：五寸臺法先在隧道中線拱頂處測量處該里程的設計高程，然后沿線路中線放線向下每隔0.5 m測量左右支距，用皮尺或者鋼卷尺測量左右寬度，和設計斷面圖上左右支距進行對比求得差異值，差異值即為該點的超欠挖值。其特點在于效率低下，同時必須借助初支開挖臺車輔助完成，測量人員在惡劣的環境下工作，安全方面得不到保障。用鋼尺等丈量左右支距，其精度達不到設計要求。

4 結束語

在隧道日常施工測量主要采用紅外線全站儀配合計算軟件，測量工作由復雜變成簡單，而采用快速測量法有如下特點。

1)測量速度快。日常掘進放樣、初支完成后的復核、二次襯砌凈空復測等每一道工序斷面僅僅只用幾分鐘就可以完成。

2)準確性高。可以測量任意點，其精度可達毫米級。二是固定性，程序編制時要求儀器自動尋找斷面上相同的點(雖掌子面里程不同，但各個放樣點在隧道的橫向位置是固定)，且各點在開挖輪廓線上間距一致，這為鉆眼角度帶來極大便利。測點即是炮眼。每茬炮鉆眼在斷面同一位置，為司鉆的角度提供很好的參考方向，使整個隧道炮眼順直，進一步減少因司鉆產出的超欠挖，減少混凝土的浪費，節約施工成本，同理，在必要的時候也將爆破設計炮眼位置準確放樣出來，如掏槽眼等，為提高爆破效果提供技術援助。

3)方便靈活，測站靈活。給測量帶來很大靈活性，可根據現場各部工序的需要選擇最佳位置設站，減少其他位置施工對測量的干擾。

綜上所述，精確快速高效靈活機動的測量方法配合繪制任意里程各工序的斷面圖，可為施工提供數據支撐，減少浪費和返工，進而為整個工程提供基礎保證。

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