隧道施工斷面快速測量方法

0前言

隧道施工中各種工序銜接緊湊，平行作業(yè)、交叉施工的工程很多，且洞內(nèi)作業(yè)面狹小，如排風(fēng)不暢，空氣質(zhì)量差，紅外線測量儀器反射信號太弱，往往無法進(jìn)行測量工作。測量工作在隧道開挖施工中非常重要，它控制著隧道開挖的平面、高程和斷面幾何尺寸，關(guān)系到隧道的貫通。為滿足測量工作需要，需選擇關(guān)鍵工序工作面污染小的時間，停止一些次要工序,提前加大排風(fēng)來滿足測量工作條件。若測量工作占用時間過長，將直接影響工程進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益。如何及時、準(zhǔn)確的提供測量成果，使用的儀器和方法便成了重要因素?；◣资f買一臺隧道斷面儀，僅能用于隧道斷面測量，投資太大，為節(jié)省投資可采用全站儀配隧道斷面測量軟件來完成。用全站儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集后，再對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)分析可用臺式、便攜電腦，也可用可編程計算器進(jìn)行?，F(xiàn)將三數(shù)據(jù)分析方法列于表-1,從表-1可以看出，采用可編程計算器進(jìn)行分析，內(nèi)外業(yè)用時最少，測量

工作對工程作業(yè)時間影響最小。本文將對這種方便、快捷的測量和計算方法進(jìn)行分析與介紹。

隧道斷面單點測量耗時比較表 表-1

序號	儀器型號	配套設(shè)備	外業(yè)平均用時（min）	內(nèi)業(yè)平均用時（min）
1	天寶	筆記本電腦及隧道斷面軟件	25	6
2	徠卡	臺式電腦及隧道斷面軟件	8	5
3	徠卡	臺式電腦及隧道斷面軟件	6.5	7
4	徠卡	CASIO FX—4500計算器	5	0

1極坐標(biāo)斷面測量法

1.1極坐標(biāo)系的建立

隧道斷面，垂直方向（高程）為縱軸，用H表示；水平方向（距線路中線的距離）為橫軸，用B表示。

圓心縱坐標(biāo)等于路線設(shè)計高程減設(shè)計高程線至隧道中心的距離乘橫坡比，加圓心至路面的高度。用公式（1-1）表示。

O=S-b×i+h＝Ｓ－4.11×0.02+1.69 （1--1）

圓心橫坐標(biāo)等于１０m（假定線路中心橫坐標(biāo)為１０米）。加線路中心至隧道中心的距離

1.2數(shù)據(jù)采集：

1.2.1待測斷面站點放樣

可放出路中線、隧中線或距路中線任意寬度的點位，記錄其地面高程、線路中線至待測斷面站點的距離等。

1.2.2斷面測量

儀器置于待測斷面，(豎直度盤定天頂方向為0度，順時針注記)望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)另一導(dǎo)線點或中線點定向后，轉(zhuǎn)儀器正鏡瞄準(zhǔn)線路邊線法線方向，也就是保證測量的豎直角讀數(shù)，線路中線一側(cè)為270-360度，線路邊線一側(cè)為0-90度。記錄儀器高、觀測的豎直角、斜距。根據(jù)個人習(xí)慣，亦可記錄水平距離和高差。如隧道內(nèi)干擾大，可在儀器定向前，豎直度盤調(diào)至９０度或２７０度，置水準(zhǔn)尺于水準(zhǔn)點上，讀取塔尺讀數(shù)來校核視線高。

1.3測量數(shù)據(jù)處理

為了與CASIO系列可編程計算器編程使用附號一致，部分附號按漢語拼音首位為代碼，并啟用“軸交點”一詞。FX—4500斷面測量計算程序如下：

程序名：SDDM(隧道斷面-1)

L1 Lb1 0

L2 {J,D}

L3 Norm:T=J/10000

L4 I=IntT+Int(fracT×100)/60+frac(fracT×100)/36

L5 H=G+Y+Rec(D,I)

L6 B=10+L+N×W

L7 O=S-4.11×0.02+1.69

L8 C=(poI(B-15.11,H-O)-R)×100:Fix1:“Pc=”◢

L9 Goto 0

G--測站地面高程

Y--儀器高

J--觀測的豎直角

D--斜距

L--線路中線至測站的距離

S--線路中線設(shè)計高程

R--半徑

H--實測縱坐標(biāo)

B--實測橫坐標(biāo)

O--圓心處的設(shè)計縱坐標(biāo)

C--實測偏差（輸出用 ‘pc=’表示）

I--T為計算過程對J的替換

N--修正符(當(dāng)儀器不是置在中線上，且各種原因引起測量的豎直角讀數(shù)，線路中線一側(cè)不是270-360度，

線路邊線一側(cè)不是0-90度時，計算結(jié)果偏差超常，無需重測，輸“-1” 修正即可。其它情況輸入“+1”，測站不能設(shè)在隧道中線時，測站至隧道中線的距離盡可能大于一米為益)

角度輸入，如203°23′12″輸入2032312

66°03′18″輸入660318

0°0′10″輸入10即可。

其它輸入單位均為 lang=EN-US>m，輸出單位為cm。

本程序僅適用于單心圓隧道斷面測量，如遇多心圓隧道，可根據(jù)實測的橫坐標(biāo)或縱坐標(biāo)，用判斷語句確定采用不同的半經(jīng)和設(shè)計坐標(biāo)，只需對程序適作調(diào)整。

1.3.1計算軸交點坐標(biāo)

軸交點縱坐標(biāo)等于測站地面高程加儀器高；軸交點橫坐標(biāo)等于１０加線路中心至測站的距離。

1.3.2計算所測斷面各點的實測坐標(biāo)

實測縱坐標(biāo)等于軸交點縱坐標(biāo)加豎直角的余弦乘斜距。實測橫坐標(biāo)等于軸交點橫坐標(biāo)加豎直角

的正弦乘斜距，用下式表示：

H=G+Y+cosI×D （1--2）

B=１０＋L+SinI×D （1--2）

式中H—實測縱坐標(biāo)

G—測站地面高程

Y—-儀器高

I--觀測的豎直角J，計算過程中，程序用I對J進(jìn)行了替換

D—斜距

B—實測橫坐標(biāo)

L--線路中線至測站的距離

1.3.3計算所測斷面各點的實測偏差

實測偏差等于斷面各點的實測坐標(biāo)與圓心處的設(shè)計坐標(biāo)，進(jìn)行坐標(biāo)反算，求得測點至圓心的距離--實際半徑減設(shè)計半徑。(設(shè)計半徑按不同工序分別計算,如開挖、初期支護(hù)、臺車、二襯等。并考慮預(yù)留量)

C=√(（B-15.11）²+ (H-O)²)-R (1—3)

式中C—實測偏差（輸出用 ‘pc=’表示）

B—實測橫坐標(biāo)

H—實測縱坐標(biāo)

O—圓心處的設(shè)計縱坐標(biāo)

R—設(shè)計半徑

15.11---圓心處的設(shè)計橫坐標(biāo)

2三維坐標(biāo)段落測量法

在隧道施工斷面測量工作中，無論采用隧道斷面儀，還是采用全站儀配隧道斷面測量軟件來完成，一般用測量一個斷面來代表一個段落，用一個斷面代表一個段落，有一定的片面性，在隧道開挖斷面測量工作中，其缺點極為明顯。若采用三維坐標(biāo)段落測量法進(jìn)行隧道測量，可全面反映整個段落任意樁號各個點的超欠挖情況。

2.1數(shù)據(jù)采集

儀器置于任意點(做自由設(shè)站)或?qū)Ь€點上，有針對性的對一個段落的特征點或任意點進(jìn)行測量，記錄x、y、z三維坐標(biāo)。

2.2確定測點對應(yīng)的里程與距路線中線的距離

2.2.1圓曲線

在圓曲線上選任意點B，為起算里程，坐標(biāo)反算分別求得，測站A，起算點B，到圓心O的距離和方位角，兩方位角之差（OA–OB =α）和半徑計算曲線長L，B點里程加L等于C點里程，測站至圓心的距離減半徑等于測站至中線距離。L由公式2—1求得。

L=πrα/180 (2-1)

式中L—弧長

r—半徑

α—圓心夾角

2.2.2緩和曲線

在緩和曲線上求任意點的法線方向十分簡單，但要求測站要對應(yīng)那個樁號法線上的點，相當(dāng)復(fù)雜。采用近似法，完全能滿足測量精度要求。在測站前后的線路上,各選一距離合適的點做為計算點，把兩點當(dāng)作直線看，按直線計算即可。

2.2.3直線

在直線段上選任意點B作為起算點，已知直線段方位角BC，用坐標(biāo)法反算求得BA方位角，通過兩方位角之差α，和BA的距離解直角三角形可得BC距離L和AC的距離b。B點的樁號加L等于測站點對應(yīng)的樁號。 b=AB×Sinα （2-2）

L= AB×Cosα （2-2）

2.3數(shù)據(jù)分析

根據(jù)測點的樁號計算線路的設(shè)計高程，通過線路的設(shè)計高程和隧道圓心的關(guān)系，計算隧道圓心的設(shè)計高程和線路中線到隧道圓心的距離。

經(jīng)計算已知隧道圓心的設(shè)計高程；線路中線到隧道圓心的距離；

經(jīng)測量已知測點的實測高程；測點至線路中線的距離。

按(1--3)式計算即可。無論是那一種線型，在CASIO系列可編程計算器，如FX—4500的幫助下，都可以采用漸進(jìn)法編程(另文專述)解決?？此茝?fù)雜的方法，變得非常簡便。

程序名：SDDM (隧道斷面-2 )

L1 Lbl 0：

L2 {DE}： prog XH ：progLJYD：

L3 {G}：C=((poI(15.11-B-10,G-Z-1.6))-O“R”)×100:Fix1:“Pc=”◢

L4 Goto 0

式中

XH子程序循環(huán) LJYD：子程序路徑引導(dǎo)(子程序另文專述)

D E測點大地坐標(biāo) B+10測點橫坐標(biāo)

G 測點高程 Z+1.6圓心高程

R 隧道半徑 C—實測偏差（輸出用 ‘pc=’表示）

三維坐標(biāo)段落法隧道斷面測量 表--3

隧道名稱		檢查項目	初期支護(hù)	圓心橫坐標(biāo)		隧道半徑
樁 號	大地坐標(biāo)X	大地坐標(biāo)Y	實測高程	圓心高程	實測橫坐標(biāo)		實測偏差

3結(jié)語

極坐標(biāo)斷面測量法在隧道施工斷面測量中，不需要專用的軟件，且更為方便、快捷、準(zhǔn)確、實用。如有可編程全站儀，測量結(jié)果可直接顯示偏差。是隧道斷面測量工作可選用方法之一。比較適用于隧道的初期支護(hù)、二襯的斷面測量，尤其適用于臺車就位調(diào)試工作，能邊測量邊出成果，及時正確的指導(dǎo)施工。更適用于政府、監(jiān)理部門的檢查工作，徹底的杜絕了施工單位弄虛作假的可能。同時測量人員也從繁忙的工作中得到了解放。

三維坐標(biāo)段落法適合于施工中隧道開挖斷面測量，可做到那里需要測后馬上出結(jié)果，一次置鏡能有效的測量全段落的特征點和任意點，可根據(jù)面積與點數(shù)的頻率進(jìn)行測量。人和儀器都不需要到開挖面下去，安全上也得到了保障。該方法也適用于初期支護(hù)、二襯施工的斷面測量。還可用于對大型球體、球面進(jìn)行精確的測量。！