斷面測量系統(tǒng)在地鐵隧道測量中的應(yīng)用

楊林浩

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司，湖北 武漢 430000）

最近幾年時(shí)間里，伴隨我國地下工程越來越多，隧道工程建設(shè)的速度也不斷增長。傳統(tǒng)隧道斷面測量方法有著較差的精確度、較低效率以及較大勞動(dòng)強(qiáng)度等問題，其對施工進(jìn)度產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1]。近年來，伴隨數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、智能化技術(shù)廣泛使用到工程測量當(dāng)中，把PDA或全站儀的斷面測量系統(tǒng)軟件結(jié)合起來，可以更好地對這些問題進(jìn)行解決。當(dāng)前國內(nèi)的隧道斷面測量系統(tǒng)主要是進(jìn)口的全站儀，伴隨國產(chǎn)儀器性能方面越來越高，進(jìn)而開發(fā)國產(chǎn)全站儀基礎(chǔ)上的斷面測量系統(tǒng)尤為重要。

1 隧道斷面測量系統(tǒng)相關(guān)概述

1.1 隧道斷面測量系統(tǒng)的簡介

隧道斷面測量系統(tǒng)是通過BTS型號的全站儀、PDA以及系統(tǒng)軟件所組合而成。系統(tǒng)按照我國隧道設(shè)計(jì)的基本規(guī)范、隧道的施工規(guī)范和有關(guān)測量規(guī)范來開發(fā)，其能夠給隧道測量帶來健全的解決方案。隧道斷面測量系統(tǒng)有著非常好的用戶界面、操作簡便、數(shù)據(jù)處理精度高以及可視化強(qiáng)等特征。它廣泛使用到了各種隧道斷面精確地測量和拱橋形狀測量方面，另外還可以應(yīng)用在大跨度建筑結(jié)構(gòu)方面。它適合應(yīng)用到鐵路隧道和水利工程涵洞限界的測量[2]。

1.2 隧道斷面測量系統(tǒng)主要的功能

系統(tǒng)能夠現(xiàn)場對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且對其進(jìn)行處理分析，有效地指導(dǎo)施工。這個(gè)系統(tǒng)主要存在下面幾個(gè)方面的功能，分別為：

第一，繪制設(shè)計(jì)和實(shí)測隧道的斷面圖。按照斷面設(shè)計(jì)的參數(shù)來對隧道的設(shè)計(jì)斷面圖進(jìn)行自動(dòng)繪制，對實(shí)測斷面圖進(jìn)行自動(dòng)繪制，顯示這個(gè)斷面的各個(gè)測點(diǎn)在斷面當(dāng)中位置，并且給這個(gè)點(diǎn)超欠挖值。第二，對路線高程進(jìn)行設(shè)計(jì)，自動(dòng)換算里程坐標(biāo)。對里程進(jìn)行輸入，偏離路線中心距離能夠得出相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)。輸入對應(yīng)點(diǎn)大地坐標(biāo)能夠得出里程、偏離路線的中心距離。如果在豎曲線計(jì)算過程中，對里程進(jìn)行輸入，能夠得出對應(yīng)里程線路內(nèi)線上高程值。第三，超欠挖隨機(jī)的檢測。在已經(jīng)了解設(shè)計(jì)斷面數(shù)據(jù)狀況當(dāng)中，隨機(jī)對斷面當(dāng)中一些點(diǎn)位進(jìn)行測量，實(shí)時(shí)得到這個(gè)點(diǎn)的里程、坐標(biāo)以及距離隧道中線距離、這個(gè)點(diǎn)的超欠挖值，并且給了目標(biāo)點(diǎn)相對設(shè)計(jì)斷面位置的聯(lián)系。第四，自動(dòng)對開挖面積進(jìn)行計(jì)算，并且計(jì)算斷面當(dāng)中各測點(diǎn)的超欠挖值、各點(diǎn)連接之后超欠挖的面積。第五，對放樣進(jìn)行測量。

2 斷面測量系統(tǒng)在地鐵隧道測量中的應(yīng)用

2.1 測量前的準(zhǔn)備

把PDA和全站儀利用通訊電纜連接起來，設(shè)置通訊基本參數(shù)，也就能夠進(jìn)行有關(guān)設(shè)置：

第一，構(gòu)建工程項(xiàng)目。在系統(tǒng)的主界面當(dāng)中，對一個(gè)工程項(xiàng)目進(jìn)行打開或者新建，設(shè)置工程的屬性，其含有測量人員、施工單位、支護(hù)類型、備注信息和觀測時(shí)間等。第二，輸入隧道設(shè)計(jì)斷面的數(shù)據(jù)。對直線而言，需要輸入直線起始點(diǎn)在斷面坐標(biāo)系當(dāng)中的X，Y坐標(biāo)。對圓弧來說，要輸入圓弧起終點(diǎn)在斷面的坐標(biāo)系X，Y坐標(biāo)和圓弧半徑。當(dāng)圓弧是優(yōu)弧的時(shí)候，就要在優(yōu)弧復(fù)選框當(dāng)中進(jìn)行打勾，反之將會默認(rèn)是劣弧。對于圓而言，需要輸入圓心的橫縱坐標(biāo)以及圓半徑。如果輸入為圓，那么斷面就是封閉的圖形，不應(yīng)該再次對其他元素進(jìn)行輸入。第三，輸入平豎曲線要素?cái)?shù)據(jù)。構(gòu)建平曲線設(shè)計(jì)文件過程中，首先需要輸入起始里程和線路名稱，對直線點(diǎn)，要輸入支線點(diǎn)X，Y坐標(biāo)。對交點(diǎn)來說，要輸入交點(diǎn)X，Y坐標(biāo)，駛?cè)刖徍颓€長度，駛出緩和曲線長度，圓曲線長度、圓曲線的半徑、曲中點(diǎn)位置實(shí)際的線路和設(shè)計(jì)線路存在的偏距。當(dāng)圓曲線相對線路前進(jìn)的方向往左進(jìn)行偏的時(shí)候，半徑輸入為負(fù)值，反之半徑輸入是正值。實(shí)際的線路和設(shè)計(jì)線路存在的偏距需要始終是正值。在實(shí)際狀況當(dāng)中，為實(shí)際線路在曲線段向著圓弧內(nèi)向進(jìn)行偏移。當(dāng)無駛?cè)牒婉偝鼍徍?、圓曲線時(shí)，那么將對應(yīng)文本框設(shè)置成0。在構(gòu)建豎曲線設(shè)計(jì)文件過程中，首先需要輸入線路名稱、起始、終止里程。接著對各個(gè)變坡點(diǎn)信息進(jìn)行輸入，其含有前段坡度、后段坡度，變坡點(diǎn)里程和高程。我們需要注意的是：對同一個(gè)坡度的設(shè)置需要將前后段的坡度設(shè)置成一樣，半徑是0，不設(shè)置豎曲線變坡點(diǎn)也需要把半徑設(shè)置成0。第四，測站的設(shè)置。對測站名、測站的三維坐標(biāo)和儀器高進(jìn)行輸入。系統(tǒng)存在方位角定向以及坐標(biāo)定向兩類定向的方式。選取坐標(biāo)定向的時(shí)候要輸入后視點(diǎn)的X，Y坐標(biāo)。在對方位角定向進(jìn)行選擇的時(shí)候，要輸入后視方位角，在測站設(shè)置的時(shí)候，也需要調(diào)用存儲的控制點(diǎn)信息。

2.2 斷面測量和放樣測量

第一，斷面的測量是通過測站作為單位，對單點(diǎn)按鈕進(jìn)行點(diǎn)擊，那么可能從全站儀內(nèi)得到目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，對添加按鈕進(jìn)行點(diǎn)擊，把這個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)增加到列表內(nèi)，對打開按鈕進(jìn)行單擊，能夠顯示目前測站已經(jīng)測過的斷面，對數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除、補(bǔ)測等操作。棱鏡改正方向默認(rèn)是這個(gè)點(diǎn)超欠挖方向。當(dāng)在測量過程當(dāng)中應(yīng)用棱鏡的時(shí)候，需要把棱鏡外緣貼近隧道壁。第二，校驗(yàn)里程。在對平曲線設(shè)計(jì)文件進(jìn)行加載后，測量能夠檢驗(yàn)菜單里程。當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)的里程和輸入里程差值超過輸入允許限差的時(shí)候，就會提出超限，并且給出了超限值。第三，在對炮孔進(jìn)行放樣的過程中，要對斷面參數(shù)進(jìn)行加載設(shè)置。在選擇設(shè)計(jì)斷面之后，選取周邊眼或者特征點(diǎn)，也就能夠生成待放樣點(diǎn)在斷面坐標(biāo)系當(dāng)中的二維坐標(biāo)。根據(jù)設(shè)計(jì)的基本線路信息得到待放樣點(diǎn)三維坐標(biāo)。系統(tǒng)按照測點(diǎn)的理論值和測量差值來指導(dǎo)放樣。第四，隨機(jī)檢測為已知設(shè)計(jì)的斷面數(shù)據(jù)，隨機(jī)測量斷面當(dāng)中的點(diǎn)位，能夠得出目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)、里程、隧中偏距、隧中高差和這個(gè)點(diǎn)的超欠挖值，并且自行繪制目標(biāo)點(diǎn)相對于設(shè)計(jì)斷面位置圖。

2.3 斷面數(shù)據(jù)處理和超欠挖的分析

選取某個(gè)斷面觀測文件能夠計(jì)算斷面的里程，自動(dòng)檢測各個(gè)測點(diǎn)里程是不是超過限制，按照需要來排序測點(diǎn)，進(jìn)而更加便于對圖形進(jìn)行查看。在數(shù)據(jù)分析模塊內(nèi)，能夠?qū)?shí)測斷面的圖象和設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行分析和對比，自動(dòng)計(jì)算各個(gè)測點(diǎn)超欠挖值，斷面實(shí)測的面積、超欠挖面積以及設(shè)計(jì)面積，并且生成斷面分析圖形和報(bào)表文件。我們需要格外注意的是：斷面點(diǎn)需要根據(jù)一定順序來排序，進(jìn)而便于顯示和超欠挖分析。

除此之外，系統(tǒng)還有著調(diào)整實(shí)測斷面圖形的功能。輸入水平調(diào)整量以及豎直調(diào)整量，那么會移動(dòng)實(shí)測的斷面圖形，并且對超欠挖值進(jìn)行重新的計(jì)算。

3 結(jié)論

隧道斷面測量系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)能夠在施工現(xiàn)場及時(shí)進(jìn)行處理，進(jìn)而更好地指導(dǎo)施工放樣或斷面的檢測。在斷面測量和數(shù)據(jù)處理之前能夠在辦公室預(yù)先錄入平豎曲線設(shè)計(jì)以及斷面的設(shè)計(jì)等文件。它的不足之處為要應(yīng)用計(jì)算機(jī)來輸入CAD圖形和成果報(bào)表。這個(gè)系統(tǒng)軟件和BOIF免棱鏡全站儀結(jié)合起來進(jìn)行使用能夠大大提升隧道斷面測量自動(dòng)化水平以及作業(yè)效率，其非常值得大力的推廣和應(yīng)用。

經(jīng)過實(shí)踐證明，斷面測量系統(tǒng)是隧道檢測，變更隧道設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)依據(jù)。它更好的確保了設(shè)計(jì)參數(shù)精確性和施工質(zhì)量。利用數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，通過實(shí)測三維坐標(biāo)及時(shí)進(jìn)行計(jì)算，生成斷面三維的坐標(biāo)文件，進(jìn)而降低了傳統(tǒng)計(jì)算花費(fèi)時(shí)間長，加速了測量的進(jìn)度。隧道斷面測量系統(tǒng)能夠廣泛使用在其他地下開挖、支護(hù)和襯砌等工程當(dāng)中。它在檢驗(yàn)隧道施工效果和動(dòng)態(tài)管理能力上存在比較高的發(fā)展前景。