全站儀免棱鏡測距技術(shù)在隧道施工測量中的應(yīng)用分析

韋向高

（廣西城市職業(yè)大學(xué)，廣西 崇左 532100）

0 引言

隨著我國中高等級公路的不斷發(fā)展，交通量也在進(jìn)一步增加，公路建設(shè)的整體質(zhì)量以及精度也逐漸得到提升，在隧道的實際施工測量工作之中，一般的測量形式已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)在的施工精度要求。而全站儀免棱鏡測距技術(shù)可以通過敷設(shè)測量極坐標(biāo)的形式，十分準(zhǔn)確以及快速地完成針對隧道的測量放樣以及斷面測量等實際的施工測量工作，所有測量的內(nèi)業(yè)資料都能通過計算機展開自動化處理，為實際施工節(jié)省更多的時間和成本，可以說這是隧道整體施工測量技術(shù)的一次變革?；诖?，本文主要針對全站儀免棱鏡測距技術(shù)在隧道施工測量中的應(yīng)用展開以下有關(guān)分析和研究。

1 工程概況

某隧道工程，設(shè)計方案是4 車道雙洞單向行駛隧道，左邊隧洞長度大于5000m，與右洞長度大約相等，寬度和高度分別為10m 和6m。隧道所處地區(qū)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，圍巖占據(jù)全段施工的77%，是該隧道工程的主要施工難點。在隧道的施工過程中，進(jìn)行掘進(jìn)放樣、開挖后斷面測量及圍巖凈空位移測量等相應(yīng)的測量任務(wù)比較繁重，如果測量數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致超挖、欠挖將造成極大的經(jīng)濟損失。針對此，工作人員運用徠卡TCRA1101 型免棱鏡測距全站儀展開掘進(jìn)放樣及開挖后斷面測量等相應(yīng)的測量工作。徠卡測距儀測量角的精度在1.5”，實際測量距離的精度在2+2ppm，免棱鏡測量標(biāo)稱的實際距離則為250m。

2 全站儀免棱鏡測距技術(shù)在隧道施工測量之中運用的優(yōu)點

2.1 測量的實際速度比較快

掘進(jìn)放樣、開挖后斷面測量及圍巖凈空位移測量等相應(yīng)的測量工作都能夠在短短的幾分鐘之內(nèi)完成。

2.2 具有準(zhǔn)確性

一是測量定點的精度十分準(zhǔn)確。整體精度可以根據(jù)工程施工標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，能夠達(dá)到mm 級的精準(zhǔn)度。二是具有固定性。在各個測量點進(jìn)行開挖時，輪廓線之間的距離應(yīng)保持一致，這可以為鉆眼爆破施工帶來更多便利。測量點也就是炮眼，其實際間距具有固定性。每一茬炮眼在實際施工斷面的同一個位置，可以為鉆眼的角度提供更好的施工方向，可以使隧道內(nèi)部的炮眼變得更為順直，進(jìn)而能夠有效減少超挖、欠挖，為實際施工安全帶來基本保證。另外，也能夠根據(jù)設(shè)計的炮眼具體位置進(jìn)行準(zhǔn)確放樣，比如掏槽眼等施工，可以為提升爆破的效果奠定技術(shù)方面的基礎(chǔ)。

2.3 設(shè)站十分靈活

儀器可以根據(jù)測量的距離設(shè)置站點，這為測量工作帶來比較大的靈活性，能夠在不同施工現(xiàn)場的基本條件之下，選擇出最為適宜的位置進(jìn)行站點設(shè)置，減少其他施工對測量工作的干擾，同樣也會減少測量工作對其他施工的干擾。在人工測量難以滿足施工標(biāo)準(zhǔn)要求，或者是工作人員無法到達(dá)的比較危險的位置，只要滿足測量里程以及通視這兩個條件就能夠完成測量任務(wù)，進(jìn)一步減少測量對其他機械設(shè)備（如腳手架、升降機等）的依賴程度。不過，因為全站儀是通過極坐標(biāo)展開測量放樣，再加上儀器的自動化程度并不是很高，通常都需要兩位工作人員才能夠完成測量任務(wù)。

2.4 和其他施工程序進(jìn)行平行作業(yè)

傳統(tǒng)的開挖整體輪廓線放樣工作都是在出渣施工完成以后才展開，通常都會耗費幾十分鐘的時間。而通過全站儀進(jìn)行放樣，特別是在通風(fēng)效果良好的時候，在裝渣施工完成、做好測量的基本準(zhǔn)備工作后，可以在短短的幾分鐘之內(nèi)完成測量工作?；蛘咴谘b渣施工將要完成的時候，可以邊進(jìn)行裝渣施工邊展開測量，進(jìn)而可以實現(xiàn)零分鐘的測量。

2.5 整體適應(yīng)性比較強

因為全站儀是通過極坐標(biāo)方式對坑道之上的點展開測量，且所有設(shè)置在坑道之上的點都具有可以解析的坐標(biāo)，不必再擔(dān)心其中會出現(xiàn)曲線隧道、曲墻斷面放樣以及工作面不規(guī)則等情況，使得各種各樣的施工線路的基本走向以及斷面形狀等相關(guān)問題都可以統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)的解析問題。測量人員關(guān)心的怎樣才可以準(zhǔn)確地得到測量點的具體三維坐標(biāo)、在程序之中怎樣才可以進(jìn)行路線的描述以及斷面設(shè)計參數(shù)等，現(xiàn)在使用計算機就能夠真正計劃出具體的位置，解決曲線、直線以及直墻、曲墻等相關(guān)問題。

3 全站儀免棱鏡測距技術(shù)在隧道施工測量中的具體應(yīng)用

3.1 掘進(jìn)掌子面斷面放樣

在放樣測量之前，需要將隧道內(nèi)部的實際設(shè)計參數(shù)、隧道洞門點坐標(biāo)、高程以及縱坡的參數(shù)等，都利用相關(guān)程序輸入儀器內(nèi)部進(jìn)行存儲。放樣時可以根據(jù)參數(shù)來確定具體的測量站點，包含設(shè)置測量站點的三維坐標(biāo)、測量儀器高度以及方位角等。為了使儀器和掌子面的實際距離不至于太遠(yuǎn)，通常都不會直接將測量儀器安置在導(dǎo)線點上，而是利用后方的交會方式有效完善測量儀器的整體設(shè)站工作。并且臨時后視點能夠設(shè)置在隧道的邊墻上，但是一定要注意檢查其工作的穩(wěn)定性。

在測量儀器建站之后，需要瞄準(zhǔn)掌子面來進(jìn)一步測量出掌子面到測量儀器之間的實際距離。儀器依照測得的實際距離和相關(guān)參數(shù)來定位掌子面開挖的斷面，然后就可以著手展開開挖輪廓線上點的實際測量和預(yù)設(shè)。隧道的測量放樣點根據(jù)實際設(shè)置的距離可以由左至右、由中間向兩側(cè)等不同的順序進(jìn)行測量和預(yù)設(shè)。測量工作中，儀器發(fā)出的紅色激光在第一個設(shè)置的點位進(jìn)行確認(rèn)之后，在該點位點上紅油漆，才算完成一個點位的實際放樣工作。儀器在馬達(dá)的驅(qū)動之下可以自動轉(zhuǎn)向下一個施工放樣點，以此類推逐步完成全部放樣工作。

當(dāng)掌子面不平整的時候，需要增加點位及測量次數(shù)，通常可以設(shè)置3～6 個點位，并且給出允許的偏差范圍。在儀器每一次測量的時候，其所得到的測量點位的三維坐標(biāo)為其計算出的激光點和實際輪廓之間出現(xiàn)的偏移值，修正偏移值之后，假如偏移值在允許的偏差范圍之內(nèi)，才可以確認(rèn)激光點即是要開挖的施工輪廓之上的點，不然則需要重新測量。

3.2 斷面測量

斷面測量過程中，要求所需要測量的斷面之內(nèi)任何一處位置都可以安裝測量儀器，可以在后方進(jìn)行交匯，對自由測量站點及已知站點進(jìn)行預(yù)設(shè)，進(jìn)而確認(rèn)儀器的具體三維坐標(biāo)及其設(shè)置的具體方位角，并且在啟動斷面的整體測量程序、設(shè)置相應(yīng)參數(shù)之后，儀器在馬達(dá)的驅(qū)動之下自動旋轉(zhuǎn)一周，可以將隧道內(nèi)部的構(gòu)造（隧道的軸線、法線及豎直平面）進(jìn)行照準(zhǔn)，同時還需要通過設(shè)置的參數(shù)，測量獲得各個測量點之間的實際距離以及角度，而且存儲在測量儀器的內(nèi)存及PC 卡內(nèi)部，如此才算完成一整個斷面外業(yè)的實際測量工作。這種方式的優(yōu)勢主要就在于不需要頻繁地搬運測量儀器，可以測量任何需要測量的斷面。但是在實施開挖施工之后，斷面的表面變得凹凸不平，那么斷面的每一個點位的實際測量都需要實施多次方可。針對襯砌之后的、輪廓基本規(guī)則的斷面，使用這種方式進(jìn)行測量，其實際速度會較其他測量方式更快。將相關(guān)斷面外業(yè)測量數(shù)據(jù)輸入計算機，可以獲得實際測量結(jié)果、斷面對比圖形及斷面面積等相應(yīng)參數(shù)。

3.3 圍巖凈空位移的測量

隧道通常采用鉆爆法進(jìn)行施工，依照實際施工原理，需要通過圍巖監(jiān)控進(jìn)行測量，掌握施工之中圍巖變形和支護(hù)的基本狀況，及時獲得監(jiān)控的有關(guān)信息數(shù)據(jù)，以此指導(dǎo)施工，達(dá)到更為安全和經(jīng)濟的施工目的。為了可以快速和高效地完成圍巖凈空位移的測量任務(wù)，可以運用三維動態(tài)非接觸測量技術(shù)展開測量工作。其主要測量原理是將全站儀的實際測量點位和不同時間段之內(nèi)的三維坐標(biāo)等測量數(shù)據(jù)整體輸入計算機，展開施工后處理，最終將監(jiān)測結(jié)果輸出。在全站儀的內(nèi)部設(shè)置有關(guān)圍巖收斂的檢測模塊，計算機內(nèi)部設(shè)置圍巖收斂的最終核驗監(jiān)測模塊，通過計算機進(jìn)行核驗分析。自由設(shè)站的三維動態(tài)非接觸測量系統(tǒng)主要由全站儀、反射靶標(biāo)、后視基準(zhǔn)點和計算機構(gòu)成。后視基準(zhǔn)點需要穩(wěn)固，實際坐標(biāo)可以依照現(xiàn)場的施工情況進(jìn)行設(shè)置。反射靶標(biāo)都是采用3mm 厚度的薄鋁板制作成的70mm×80mm 的方板，表面貼上60mm×60mm 的反射膜片，在中間鉆出直徑為3mm 的孔洞，使用膨脹螺栓錨固，在初期進(jìn)行支護(hù)表面以及點焊的時候，需要支護(hù)在鋼筋上，根據(jù)相關(guān)要求在施工隧道內(nèi)展開點位的布置；在展開測量的時候，其中心小孔作為照準(zhǔn)點，觀察的時候其反射膜片以及儀器光軸實際傾斜的角度不能夠超過30，進(jìn)而可以有效減少照準(zhǔn)對測量距離的影響。

在觀測之前，對全站儀展開調(diào)整，使儀器處于最佳測量狀態(tài)。在觀測的時候，需要修正儀器的測量角度，并且檢查氣壓、溫度等氣象條件，全部觀測的信息數(shù)據(jù)都需要做好記錄并存儲在模塊之內(nèi)。

全站儀可以自由設(shè)置站點，但是為了消除膜片傾斜對測量距離的影響，要求每一次測量的位置做到一般無二。在設(shè)置站點的時候，需要結(jié)合雙盤測量反復(fù)照準(zhǔn)調(diào)試3 次，以獲得的平均值當(dāng)作站點設(shè)置的最終結(jié)果。通過測量基本頻率、位移速度及測點距離設(shè)定開挖的基本距離。通常在測量點所設(shè)的初期測試頻率需要設(shè)置1～3 次，隨著圍巖逐漸穩(wěn)定之后，實際測量的次數(shù)也會變少，假如出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，則需要增加測量的實際次數(shù)。當(dāng)圍巖達(dá)到要求之后，將以3 次/天的頻率展開測量，測量時間需要延長至2 周，假如沒有出現(xiàn)明顯變化，則可以結(jié)束測量。每一次測量的數(shù)據(jù)記錄都要求輸入計算機，計算機可以自動分析并處理測量的基本數(shù)據(jù)，將測量結(jié)果做成表格后打印輸出。將免棱鏡測距技術(shù)運用在隧道的實際測量工作之中，不但可以使每一個斷面的測量工作都能夠在幾分鐘之內(nèi)完成，還可以保證整體測量的精度。

4 結(jié)語

綜上所述，免棱鏡測距技術(shù)的問世，使得傳統(tǒng)隧道工程的測量工作量大幅降低，還將施工問題予以及時解決。該技術(shù)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)隧道的斷面放樣、斷面測量和圍巖凈空位移測量等相應(yīng)測量工作，尤其是里程長、工程量大的隧道施工更加需要將其當(dāng)作主要的測量方式。利用該技術(shù)準(zhǔn)確快速地展開測量，可以創(chuàng)建出隧道表面數(shù)字模型，能夠十分精準(zhǔn)地繪制出斷面圖，可以為最終的施工決策奠定相應(yīng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，避免出現(xiàn)浪費現(xiàn)象，還可以減少返工，可以為工程質(zhì)量提供一定的保證。隨著長測量里程五棱鏡測距儀硬件的逐漸完善，硬件價格也出現(xiàn)了一定幅度的下降。計算機技術(shù)人員也十分積極地參與測量工作，最終開發(fā)出功能更加完備的軟件系統(tǒng)，使這項技術(shù)能夠進(jìn)一步推廣應(yīng)用，進(jìn)而可以為整體工程奠定堅實的質(zhì)量基礎(chǔ)。