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(xiàn)，在短短幾十年的時間內得到了飛速的發(fā)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)已經(jīng)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(fā)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(jīng)研究并生產(chǎn)出很多類型的激光測距儀，武漢地震研究中心相繼研發(fā)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(xiàn)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(fā)射出一束激光，目標物會將激光發(fā)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(fā)射到接收之間持續(xù)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(shù)字測角技術的基礎上設立起來的。極坐標測量法和現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術利用專業(yè)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(xiàn)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(jīng)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(fā)射出發(fā)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(jù)主波和回波信號產(chǎn)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(shù)計算出來的。針對激光測距系統(tǒng)而言，鐘頻脈沖發(fā)生器一般會每秒發(fā)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(tǒng)內所包含的計數(shù)器會將激光脈沖發(fā)射到被測量物反射光的鐘頻脈沖的數(shù)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(shù)器計到的脈沖個數(shù)，f是計數(shù)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(jīng)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(jīng)距離D 的來回后發(fā)生的相位變化是H，則光由發(fā)射到接收所經(jīng)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(jīng)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(jié)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(xiàn)場驗證測試

以遼寧某工程隧洞為例，按照現(xiàn)在施行的規(guī)范要求，通過現(xiàn)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(shù)據(jù)，通過使用計算機程序對這四組數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和實際測量到的數(shù)據(jù)進行對比，看是否存在誤差。通過驗證，發(fā)現(xiàn)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(shù)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