自制圓形隧道竣工斷面測(cè)量尺的構(gòu)造及其應(yīng)用探討

祝全兵，何勇君

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

0 引言

珠江三角洲水資源配置工程土建施工A7標(biāo)承擔(dān)3個(gè)區(qū)間內(nèi)徑為5.4 m的圓形盾構(gòu)隧道及二襯施工，根據(jù)《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范（GB50446—2008）》和設(shè)計(jì)單位出具的斷面測(cè)量要求文件，水資源配置工程圓形盾構(gòu)隧道按照直線段每7.5 m（5環(huán)）、曲線段每4.5 m（3環(huán)）測(cè)量一個(gè)斷面，A7標(biāo)盾構(gòu)隧道雙線全長約15 km，斷面測(cè)量數(shù)據(jù)成果要求反映平面和高程偏差量，每一個(gè)斷面需測(cè)量8個(gè)斷面點(diǎn)位。竣工斷面測(cè)量工作量大、難度大、時(shí)間緊。由于與隧道竣工驗(yàn)收前的洞內(nèi)消缺工作同步進(jìn)行，交叉施工和隧道惡劣環(huán)境對(duì)斷面測(cè)量工作的干擾也非常大[1]。

為了提高斷面測(cè)量工作效率與測(cè)量成果的精度，通過對(duì)各種相關(guān)規(guī)范和斷面測(cè)量設(shè)計(jì)要求文件的仔細(xì)閱讀研究。設(shè)計(jì)制作了適用此內(nèi)徑為5.4 m的圓形盾構(gòu)隧道竣工斷面測(cè)量尺，它的應(yīng)用減少了外部環(huán)境和施工干擾，且能準(zhǔn)確測(cè)量計(jì)算出隧道斷面設(shè)計(jì)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，大大提高了測(cè)量工作效率和精度。下文將詳細(xì)介紹此斷面測(cè)量尺的構(gòu)造和實(shí)際應(yīng)用。

1 技術(shù)原理及斷面測(cè)量尺構(gòu)造介紹

珠江三角洲水資源配置工程的隧道為圓形盾構(gòu)隧道，土建施工A7標(biāo)承擔(dān)施工的盾構(gòu)隧道為內(nèi)徑為5.4 m、外徑為6 m的圓形隧道，設(shè)計(jì)單位出具的斷面測(cè)量設(shè)計(jì)點(diǎn)位如圖1所示。

圖1 斷面測(cè)點(diǎn)布置圖

在理想情況下，通過管片拼裝后的隧道內(nèi)側(cè)斷面是內(nèi)徑為5.4m的標(biāo)準(zhǔn)圓[2]，按照設(shè)計(jì)要求，該隧道的斷面測(cè)量的關(guān)鍵是測(cè)出設(shè)計(jì)斷面點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求的45°一個(gè)點(diǎn)位的特點(diǎn)，利用特殊裝置在成型的隧道中精確標(biāo)定出設(shè)計(jì)斷面點(diǎn)位的位置，通過全站儀測(cè)量出其對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)就可完成斷面原始數(shù)據(jù)的采集工作。

如圖2所示，斷面測(cè)量尺整體為十字形不銹鋼結(jié)構(gòu)，包括十字形不銹鋼框架尺、水準(zhǔn)尺（水準(zhǔn)管）和徠卡圓棱鏡，其特征是在不銹鋼框架上按特點(diǎn)參數(shù)安裝了3個(gè)徠卡圓棱鏡。水準(zhǔn)尺（水準(zhǔn)管）、徠卡圓棱鏡同十字形不銹鋼框架成為特定整體。

圖2 隧道斷面測(cè)量尺

本斷面測(cè)量尺主要由以下幾個(gè)部分組成。

（1）斷面測(cè)量尺主體，為3 cm×4 cm輕型不銹鋼“十”字形結(jié)構(gòu)，重量約3 kg，根據(jù)本工程內(nèi)徑為5.4 m的隧道特制，整體結(jié)構(gòu)為分別在長度為3.82 m的不銹鋼中心左右側(cè)分別焊接一個(gè)0.942m和一個(gè)0.79m同材質(zhì)的型材且保持相互垂直，在長為3.82 m型材兩端頭的同側(cè)和0.942 m型材端頭處垂直加焊長度為0.15 m的型材，類似于倒“L”形結(jié)構(gòu)。

（2）水準(zhǔn)尺（水準(zhǔn)管），在十字形結(jié)構(gòu)中長為3.82m的型材1/4處分別安裝水準(zhǔn)尺（水準(zhǔn)管）?？梢允琴徺I的水平尺成品，但應(yīng)保證橫向和豎向方向都有水準(zhǔn)管，確保可以調(diào)整斷面測(cè)量尺在水平和垂直方向的精準(zhǔn)安放；也可以是水準(zhǔn)管自行安裝。水準(zhǔn)尺（水準(zhǔn)管）應(yīng)保證在斷面測(cè)量過程中斷面測(cè)量尺的安放精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（3）徠卡圓棱鏡，圓棱鏡為徠卡GPH1全站儀GPR1棱鏡，常數(shù)為0mm，精度5s，能360°轉(zhuǎn)動(dòng)。

（4）反光條，張貼于斷面測(cè)量尺尺身，目的是在昏暗的隧道內(nèi)起到警示作用，也方便于找尋目標(biāo)。

2 使用步驟及方法

在竣工斷面測(cè)量工作時(shí)，斷面測(cè)量尺擺放位置為環(huán)縫交界處且沿設(shè)計(jì)里程方向的大里程一端。通過水準(zhǔn)管調(diào)整斷面測(cè)量尺位置以確保斷面測(cè)量尺處于水平或豎直狀態(tài)的，測(cè)量過程中每一個(gè)斷面都應(yīng)按照同樣的斷面設(shè)計(jì)點(diǎn)位順序進(jìn)行測(cè)量（左上→左中→左下→底點(diǎn)（中線）→右下→右中→右上→頂點(diǎn)），這樣能保證采集到的數(shù)據(jù)的整體性、完整性及后期數(shù)據(jù)處理的方便簡(jiǎn)潔。在隧道內(nèi)貫通控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀測(cè)量每一個(gè)徠卡圓棱鏡的三維坐標(biāo)，后期對(duì)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理后通過常數(shù)修正后得到的數(shù)據(jù)即為設(shè)計(jì)斷面點(diǎn)位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值，通過與設(shè)計(jì)斷面數(shù)據(jù)的比較就可以得出實(shí)測(cè)斷面點(diǎn)位的偏差量，偏差量反映實(shí)際斷面與設(shè)計(jì)斷面的偏差限界情況[3]。

具體實(shí)施步驟如下。

（1）在隧洞內(nèi)的貫通控制點(diǎn)上架設(shè)好全站儀并進(jìn)行設(shè)站和校核，把斷面測(cè)量尺安放在斷面所在環(huán)號(hào)的環(huán)縫交界處，根據(jù)水準(zhǔn)管來調(diào)整并保證斷面測(cè)量尺的豎直，確保斷面測(cè)量尺完美卡住所測(cè)斷面的設(shè)計(jì)要求位置上，使用全站儀按照左上→左中→左下的測(cè)量順序測(cè)量出圓棱鏡的三維坐標(biāo)，如圖3所示。

圖3 斷面測(cè)量尺安放順序1

（2）調(diào)整斷面測(cè)量尺的位置并整平，保證斷面測(cè)量尺的水平。如圖4所示，測(cè)量隧道的底點(diǎn)（中線）處的圓棱鏡坐標(biāo)。

圖4 斷面測(cè)量尺安放順序2

（3）再次調(diào)整斷面測(cè)量尺的位置到隧道右側(cè)，使用全站儀按照右下→右中→右上的順序測(cè)量圓棱鏡的三維坐標(biāo)（如圖5所示）。

圖5 斷面測(cè)量尺安放順序3

（4）由于頂部點(diǎn)位測(cè)不到，在此處采用全站儀的免棱鏡模式測(cè)量此點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，重復(fù)1、2、3的步驟測(cè)量出整個(gè)隧道的所有斷面數(shù)據(jù)。最后導(dǎo)出所有斷面原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理就可以得出整個(gè)隧道斷面的實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)。

3 若干問題探討

3.1 斷面測(cè)量尺修正參數(shù)的確定

斷面測(cè)量尺在使用過程中，通過全站儀所測(cè)的三維坐標(biāo)僅為圓棱鏡所在位置的三維坐標(biāo)，不是斷面實(shí)際位置對(duì)應(yīng)該設(shè)計(jì)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，兩者之前有一個(gè)常數(shù)[4]。因此，斷面測(cè)量尺在設(shè)計(jì)時(shí)就要根據(jù)隧道內(nèi)徑和斷面測(cè)量尺的設(shè)計(jì)參數(shù)確定后期數(shù)據(jù)處理的修正常數(shù)，以確保經(jīng)過修正常數(shù)的修正之后的數(shù)據(jù)為斷面測(cè)量設(shè)計(jì)點(diǎn)位所對(duì)應(yīng)位置的實(shí)際點(diǎn)位的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[5]。此常數(shù)修正需在數(shù)據(jù)處理后，先計(jì)算出實(shí)測(cè)棱鏡數(shù)據(jù)相對(duì)設(shè)計(jì)中線的結(jié)果后再進(jìn)行常數(shù)的修正，這樣得出來的數(shù)據(jù)即為斷面實(shí)際點(diǎn)位的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，最后斷面數(shù)據(jù)成果見表1。

表1 竣工斷面數(shù)據(jù)

3.2 斷面數(shù)量及位置的確定

根據(jù)《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50446—2008）和設(shè)計(jì)單位出具的斷面測(cè)量要求，水資源配置工程圓形盾構(gòu)隧道按照直線段每7.5 m（5環(huán)）、曲線段每4.5 m（3環(huán)）測(cè)量一個(gè)斷面，先根據(jù)線路曲線要數(shù)表和逐樁坐標(biāo)表計(jì)算出整個(gè)隧道需要測(cè)量的總斷面數(shù)量，同時(shí)結(jié)合里程和管片環(huán)號(hào)計(jì)算出每一個(gè)斷面所在的環(huán)號(hào)位置，最后對(duì)斷面數(shù)量和位置進(jìn)行精確調(diào)整和設(shè)計(jì)。在外業(yè)測(cè)量開始前整理打印好斷面里程位置和環(huán)號(hào)數(shù)據(jù)，方便現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的時(shí)候能夠快速準(zhǔn)確找到斷面所在位置。

3.3 隧道的橢化變形及橢圓度的計(jì)算

使用斷面測(cè)量尺進(jìn)行盾構(gòu)圓形隧道斷面測(cè)量工作時(shí)，實(shí)際上是假設(shè)該成型斷面為理想的標(biāo)準(zhǔn)圓，但實(shí)際施工中，應(yīng)為管片外壁受到水壓、土壓影響以及管片拼裝質(zhì)量等外在因素影響，成型隧道斷面不可能是一個(gè)理想的標(biāo)準(zhǔn)圓[6]。根據(jù)對(duì)實(shí)際測(cè)量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圓形盾構(gòu)隧道產(chǎn)生變形的主要原因是受到隧道拱頂土壓的影響，因此竣工斷面大體上都會(huì)有上下略扁1～5 cm的橢化變形，這樣的橢化變形是沿著縱向方向發(fā)生的。在全站儀對(duì)斷面點(diǎn)位數(shù)據(jù)采集后，通過軟件對(duì)斷面所測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行橢圓擬合處理，橢圓采用二次曲線方程表示如下：

則式（1）可表示如下：

通常使用基于代數(shù)距離最小二乘法來對(duì)采集的斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行橢圓度擬合計(jì)算，公式（2）中v（m，ni，l）為斷面測(cè)點(diǎn)（xi，y）i至橢圓曲線v（m，n，l）=0的代數(shù)距離。以斷面上各點(diǎn)代數(shù)距離平方和最小值作為條件進(jìn)行平差計(jì)算，解析出橢圓的各項(xiàng)參數(shù)如下式所示：

采用取極值對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，得出以下計(jì)算式：

再由投影變換計(jì)算式解算出橢圓的幾何參數(shù)，例如橢圓中心坐標(biāo)、長半軸（a）、短半軸（b）和旋轉(zhuǎn)角等參數(shù)。一般的橢圓度的計(jì)算公式為：橢圓度=（最大外徑-最小外徑）/標(biāo)稱外徑*100%?？梢院?jiǎn)化為橢圓度=[長半軸（a） -短半軸（b）]/標(biāo)稱外徑*100%?？紤]盾構(gòu)成型隧道是管片拼裝而成，主要是拱頂?shù)纳喜繅毫τ绊?，因此在此處默認(rèn)隧道在的變形主要在縱向方向。因此根據(jù)設(shè)計(jì)斷面點(diǎn)位要求，長半軸即為設(shè)計(jì)點(diǎn)位左中與右中的代數(shù)距離S1，短半軸為設(shè)計(jì)點(diǎn)位上與下的代數(shù)距離S2，因此橢圓度的計(jì)算再次簡(jiǎn)化為：橢圓度=（S1-S2） /標(biāo)稱外徑×100%。

4 結(jié)語

此圓形盾構(gòu)隧道斷面測(cè)量尺經(jīng)過珠三角水資源配置工程A7標(biāo)6個(gè)盾構(gòu)隧道約15km的實(shí)際使用，在使用過程中不斷優(yōu)化改進(jìn)，大大提高了斷面測(cè)量的工作效率和數(shù)據(jù)的精度。該斷面測(cè)量尺有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）該“十”字形斷面測(cè)量尺能夠滿足所有圓形隧道的竣工斷面測(cè)量工作，但是需要根據(jù)隧道內(nèi)徑大小和設(shè)計(jì)斷面測(cè)量要求制作主尺長度和確定對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理修正參數(shù)。

（2）該“十”字形斷面測(cè)量尺在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用中受外部施工環(huán)境的干擾較小，且測(cè)量距離長，穩(wěn)定性好，精度高。

（3）該“十”字形斷面測(cè)量尺操作簡(jiǎn)單方便，大大減少了斷面測(cè)量外業(yè)工作的強(qiáng)度，斷面測(cè)量的工作效率極大提高，對(duì)大規(guī)模時(shí)間緊的竣工斷面測(cè)量工作十分有利。

（4）該“十”字形斷面測(cè)量尺所測(cè)數(shù)據(jù)精度高，后期數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單、方便、快捷，只需通過對(duì)計(jì)算軟件計(jì)算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行特定修正參數(shù)的修正。便于數(shù)據(jù)的整體大規(guī)模處理，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜程度和減少了數(shù)據(jù)處理的時(shí)間。

目前，隧道斷面測(cè)量使用的方法主要是斷面儀法和全站儀法，全站儀法主要缺點(diǎn)就是工作效率低、數(shù)據(jù)處理煩瑣、精度低的缺點(diǎn)?，F(xiàn)使用自制的圓形隧道斷面測(cè)量尺配合全站儀進(jìn)行斷面測(cè)量，完美地克服了以上缺點(diǎn)，挺高了經(jīng)濟(jì)效益。