隧道施工中的高程測量及精度控制研究

高宏強(qiáng)

（中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 030032）

隧道施工是復(fù)雜的工程項(xiàng)目，其中高程測量和精度控制是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。隧道施工中的高程測量涉及地下土層的深度、隧道開挖的控制以及隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等關(guān)鍵因素，因此需要高精度的測量和有效的控制手段。本研究旨在探討隧道施工中高程測量及精度控制的關(guān)鍵技術(shù)和方法，以提高隧道工程的施工質(zhì)量和安全性[1]。

1 隧道施工中的高程測量的重要性

1.1 地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性保障

隨著隧道工程的日益復(fù)雜和高標(biāo)準(zhǔn)化要求，高程測量技術(shù)在保障地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過高程測量，可以對(duì)地下土層和巖層的高程進(jìn)行精確測量，為隧道施工提供了可靠的地質(zhì)信息基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)有助于確定開挖深度、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置以及隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布置，從而確保地下結(jié)構(gòu)的合理建設(shè)和施工過程中的穩(wěn)定性與安全性。同時(shí)，在隧道施工過程中，高程測量技術(shù)可以及時(shí)預(yù)警和防范地下巖層塌方、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等意外事件，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，為施工過程的安全性和穩(wěn)定性提供了關(guān)鍵的技術(shù)支持。此外，隨著高程測量技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用，如激光掃描測量技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)等，地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性保障得到進(jìn)一步加強(qiáng)。這些先進(jìn)的技術(shù)手段能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的三維可視化建模，提高了監(jiān)測和預(yù)警的精度和效率。

1.2 施工進(jìn)度和質(zhì)量控制

隧道施工是一個(gè)復(fù)雜的工程項(xiàng)目，需要嚴(yán)格控制施工進(jìn)度和質(zhì)量。高程測量可以幫助監(jiān)測隧道的開挖進(jìn)度和地下結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，通過實(shí)時(shí)測量和監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整施工方案，防止因誤差累積導(dǎo)致的施工偏差，提高施工效率。高程測量可以實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道開挖的進(jìn)度。通過激光掃描等技術(shù)，可以獲取隧道內(nèi)部的三維數(shù)據(jù)，包括開挖面的幾何形狀和位置等。這些數(shù)據(jù)可以與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，判斷開挖進(jìn)度是否符合計(jì)劃，并及時(shí)調(diào)整施工進(jìn)度，確保工期的控制。高程測量可以監(jiān)測地下結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。通過測量隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高程和形狀，可以評(píng)估施工質(zhì)量的合格性。例如，可以測量隧道襯砌的厚度和平整度，以及地下水位的變化等。這些數(shù)據(jù)可以用于質(zhì)量控制的評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正施工質(zhì)量問題，確保隧道施工達(dá)到設(shè)計(jì)要求，提高工程質(zhì)量。

1.3 工程成本和資源管理

高程測量在隧道施工中還可以幫助優(yōu)化資源配置和管理，從而降低施工成本。通過準(zhǔn)確測量地下結(jié)構(gòu)的位置和形態(tài)，可以提高施工資源（如材料、機(jī)械等）的利用率，避免不必要的資源浪費(fèi)。高程測量可以幫助優(yōu)化材料的使用。通過精確測量隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高程和形狀，可以準(zhǔn)確計(jì)算材料的用量，避免過量使用或浪費(fèi)。同時(shí)，高程測量可以提供施工過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，幫助調(diào)整材料的供應(yīng)和使用計(jì)劃，確保施工過程的順利進(jìn)行。高程測量還可以幫助優(yōu)化機(jī)械設(shè)備的使用。通過測量隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高程和形狀，可以確定機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行軌跡和工作范圍，避免機(jī)械設(shè)備的重復(fù)運(yùn)動(dòng)和不必要的能耗。同時(shí)，高程測量可以監(jiān)測機(jī)械設(shè)備的使用情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正設(shè)備的故障和問題，提高設(shè)備的利用率和壽命。

2 高程測量的原理與方法

2.1 光學(xué)高程測量技術(shù)

光學(xué)高程測量技術(shù)是一種借助光學(xué)儀器實(shí)現(xiàn)高程測量的方法，在隧道施工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。水準(zhǔn)儀是一種傳統(tǒng)的光學(xué)高程測量工具，通過觀測水準(zhǔn)儀讀數(shù)來確定目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于水準(zhǔn)線的垂直距離，再結(jié)合大地水準(zhǔn)面進(jìn)行高程計(jì)算。其優(yōu)點(diǎn)在于精度較高，尤其適用于較小范圍內(nèi)的高程測量。而光學(xué)測距儀則采用激光或紅外線等技術(shù)，直接測量目標(biāo)點(diǎn)與觀測點(diǎn)的直線距離，并結(jié)合已知的觀測點(diǎn)高程值計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的高程。光學(xué)測距儀不僅測量速度快，而且能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形的測量需求，具有良好的靈活性和適用性[2]。隨著激光技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷創(chuàng)新，光學(xué)高程測量技術(shù)將迎來更多發(fā)展機(jī)遇。例如，激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)更為精確、快速的高程測量，同時(shí)結(jié)合全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS），使高程測量更加準(zhǔn)確和全面。

2.2 GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）在隧道施工中的應(yīng)用

GNSS是一種基于衛(wèi)星定位和導(dǎo)航的高程測量方法。通過收集多顆衛(wèi)星信號(hào)，接收設(shè)備可以精確測定位置坐標(biāo)，并結(jié)合地球大地水準(zhǔn)面計(jì)算得出高程值。在隧道施工中，GNSS 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高程測量的無盲區(qū)覆蓋和大范圍應(yīng)用，具有高度的靈活性和精確度。同時(shí)，GNSS 在隧道開挖和地下結(jié)構(gòu)施工過程中，還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和動(dòng)態(tài)控制，對(duì)隧道施工的高程測量提供了新的技術(shù)手段。GNSS 技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)高程測量的全面覆蓋和實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高了隧道施工的精確度和安全性。

2.3 激光掃描測量技術(shù)

激光掃描測量技術(shù)利用激光束對(duì)地面或地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，通過接收反射回來的激光信號(hào)進(jìn)行三維坐標(biāo)定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高程測量。這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確三維測量，有效應(yīng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜變化和隧道內(nèi)部空間的多樣化。激光掃描測量技術(shù)具有非接觸式測量、高精度和高效率等優(yōu)勢，適用于隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的建模與監(jiān)測，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工具有重要意義。激光掃描測量技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確測量和監(jiān)測，提高了隧道施工的精確度和安全性。

3 隧道施工中高程測量的精度控制

3.1 工程控制點(diǎn)的設(shè)置與管理

工程控制點(diǎn)的設(shè)置與管理在隧道施工中起著至關(guān)重要的作用。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，未來工程控制點(diǎn)的設(shè)置和管理將更加注重智能化和自動(dòng)化。隨著無人機(jī)、衛(wèi)星遙感等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，工程控制點(diǎn)的快速設(shè)置和高精度定位將成為可能，有效減少了人力資源投入和施工周期?；谛畔⒒芾硐到y(tǒng)的建立，可以對(duì)工程控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取相應(yīng)措施[3]。此外，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以對(duì)工程控制點(diǎn)的狀態(tài)和性能進(jìn)行預(yù)測和評(píng)估，提前做好維護(hù)計(jì)劃，增強(qiáng)了施工管理的科學(xué)性和前瞻性[4]。因此，未來工程控制點(diǎn)的設(shè)置與管理將融合更多先進(jìn)技術(shù)，并更加便捷、精準(zhǔn)地支持隧道施工中的高程測量工作。

3.2 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

在隧道施工中，數(shù)據(jù)處理與誤差分析在高程測量中具有重要作用，并且未來將朝著更自動(dòng)化、智能化和精細(xì)化的方向發(fā)展。首先，隨著傳感器技術(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新，高程測量數(shù)據(jù)的獲取和傳輸將更加實(shí)時(shí)、自動(dòng)化，大幅提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。其次，基于人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)將成為未來發(fā)展的關(guān)鍵，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的快速處理、智能分析和自動(dòng)識(shí)別異常和誤差。這意味著，系統(tǒng)將能夠自動(dòng)處理數(shù)據(jù)中的異常并消除誤差，從而提高了測量數(shù)據(jù)的精確度和可靠性。此外，利用深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，將建立更高效、準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)測量數(shù)據(jù)的自動(dòng)調(diào)整和校正。這些技術(shù)的發(fā)展將為高程測量提供更精準(zhǔn)、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)支持，為隧道施工提供更科學(xué)、可靠的技術(shù)保障。

3.3 精度驗(yàn)證與調(diào)整

在隧道施工中，數(shù)據(jù)處理與誤差分析在高程測量中扮演著至關(guān)重要的角色。未來，數(shù)據(jù)處理和誤差分析將會(huì)向更為自動(dòng)化、智能化和精細(xì)化的方向發(fā)展。首先，隨著傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新，將能夠?qū)崿F(xiàn)高程測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取和自動(dòng)傳輸，極大地提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。其次，基于人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)將逐步發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的快速處理和智能分析，自動(dòng)識(shí)別和排除數(shù)據(jù)中的異常和誤差。同時(shí)，利用深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，將能夠建立更加高效、準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)測量數(shù)據(jù)的自動(dòng)調(diào)整和校正，提高了測量數(shù)據(jù)的精確度和可靠性。

4 高程測量與精度控制在隧道施工中的應(yīng)用

4.1 隧道開挖過程中的高程監(jiān)測

在隧道開挖過程中，由于地質(zhì)條件多變，隧道斷面的變化對(duì)高程測量提出了挑戰(zhàn)。通過高程測量技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測開挖工作面的高程變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)地下巖層、土層或水位的變化，為隧道施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)信息和變形數(shù)據(jù)。同時(shí)，高程監(jiān)測還可幫助施工人員控制開挖深度，避免破壞地質(zhì)含水層，減少地下水的涌入，并預(yù)防因地質(zhì)災(zāi)害引起的隧道工程事故。通過高程監(jiān)測，隧道施工人員能夠及時(shí)調(diào)整施工方案，確保隧道開挖的穩(wěn)定性和安全性。

4.2 隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維測量

高程測量技術(shù)在隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維測量中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。利用激光掃描測量技術(shù)進(jìn)行隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高程測量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道形貌的精確測定和變形監(jiān)測。通過對(duì)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維模型建立和變形分析，可以全面了解隧道結(jié)構(gòu)的高程變化情況，掌握隧道開挖和支護(hù)過程中的變形規(guī)律。這樣的信息對(duì)于隧道施工的質(zhì)量檢測、結(jié)構(gòu)安全評(píng)估以及合理的支護(hù)設(shè)計(jì)等方面具有重要意義。同時(shí)，高程測量技術(shù)也為隧道內(nèi)部設(shè)施的布置和維護(hù)提供了必要的依據(jù)，從而保證了隧道施工后的可靠運(yùn)行。

4.3 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)

高程測量與精度控制在隧道施工中還可以幫助進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)。隧道施工常常受到地質(zhì)災(zāi)害的威脅，如地質(zhì)構(gòu)造異變、巖層變形、地下水涌入等問題可能對(duì)施工產(chǎn)生嚴(yán)重影響。通過高程測量技術(shù)，可以對(duì)隧道周邊地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，獲取地質(zhì)變化信息，并結(jié)合地質(zhì)勘察和預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的全面評(píng)估。一旦發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，高程測量數(shù)據(jù)可在最短時(shí)間內(nèi)為施工人員提供預(yù)警信息，從而做出及時(shí)的應(yīng)急響應(yīng)措施，保障隧道施工的安全和穩(wěn)定。

5 隧道施工中高程測量及精度控制的未來發(fā)展方向

5.1 智能化技術(shù)在高程測量中的應(yīng)用

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化技術(shù)在高程測量中的應(yīng)用將成為未來的發(fā)展趨勢。智能化技術(shù)可以提供更加精確、高效的測量手段，例如利用無人機(jī)搭載激光雷達(dá)或攝影測量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道區(qū)域的高精度地形測量和三維建模。同時(shí)，基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的數(shù)據(jù)分析與處理，可以更加快速、精準(zhǔn)地進(jìn)行高程測量數(shù)據(jù)的處理與分析，識(shí)別并消除誤差，提高測量結(jié)果的精度和可靠性。未來，隨著智能化技術(shù)的不斷創(chuàng)新，高程測量將迎來更加精準(zhǔn)、自動(dòng)化的發(fā)展方向。

5.2 多源數(shù)據(jù)融合與綜合定位技術(shù)的應(yīng)用

未來高程測量的發(fā)展方向之一是多源數(shù)據(jù)融合與綜合定位技術(shù)的應(yīng)用。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（如GPS、北斗、GLONASS 等）的不斷完善和智能傳感器技術(shù)的發(fā)展，能夠獲取到的測量數(shù)據(jù)源將更加豐富多樣。通過對(duì)多源數(shù)據(jù)的融合利用，可以實(shí)現(xiàn)更加全面、準(zhǔn)確的高程測量。同時(shí)，綜合定位技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道施工過程中設(shè)備、材料等資源的實(shí)時(shí)定位追蹤，輔助實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道施工進(jìn)度和質(zhì)量的全面監(jiān)控。未來，多源數(shù)據(jù)融合與綜合定位技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步提高高程測量精度與可靠性，為隧道施工提供更為精準(zhǔn)的地理信息服務(wù)。

5.3 高精度定位設(shè)備與傳感器技術(shù)的進(jìn)步

在隧道施工中，對(duì)高程測量精度要求較高，因此需要不斷提升測量儀器和傳感器的精度、穩(wěn)定性和可靠性。隨著高精度全站儀、激光掃描儀、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等儀器設(shè)備技術(shù)的不斷進(jìn)步，能夠?qū)崿F(xiàn)更加精準(zhǔn)的高程測量。另外，新型傳感器技術(shù)的應(yīng)用也將為高程測量提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，如微波測距傳感器、光纖傳感器等，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形、地下水位等參數(shù)的高精度監(jiān)測[5]。通過高精度定位設(shè)備與傳感器技術(shù)的進(jìn)步，未來的高程測量將具備更高的精度和穩(wěn)定性，為隧道施工提供更為可靠的地理信息支持。

6 結(jié)語

隧道施工中的高程測量及精度控制是隧道工程質(zhì)量和安全的關(guān)鍵保障。本研究的目標(biāo)是通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和方法的深入研究，提出更加科學(xué)、合理的高程測量和控制方案，以應(yīng)對(duì)隧道工程施工中面臨的挑戰(zhàn)并提高工程質(zhì)量。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，相信隧道工程的高程測量及精度控制將迎來更加廣闊的發(fā)展前景，為隧道工程的可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。