全站儀免棱鏡測距技術在隧道施工測量中的應用

一、工程概況
　　小磨高速公路東洋隧道位于云南省勐臘縣境內，是小磨高速公路土建二十一合同段的咽喉控制工程。設計為雙車道單洞雙向行駛隧道，洞長305米，凈寬11.2米，凈高7.4米。全長275米。該段地質條件復雜，基本上是Ⅱ類圍巖，成為該隧道施工的難點。隧道施工中掘進放樣、開挖后斷面測量及圍巖監測等測量任務重，尤其是超欠挖所帶來的經濟損失更是不容忽視。對此，選擇徠卡TCRA1101型免棱鏡測距全站儀來進行開挖放樣、斷面測量及圍巖凈空位移量測等主要日常測量工作。徠卡TCRA1101型全站儀，測角精度為1.5″,測距精度為2+2ppm，免棱鏡測量標稱距離為250m。
二、免棱鏡測距技術的應用
　　1掘進掌子面斷面放樣
　　放樣前，先將隧道設計參數如洞門點坐標及高程、縱坡參數、開挖斷面形狀等通過有關程序輸入儀器內存。放樣時儀器可置于導線點或利用自由測站、后方交會程序完成設站工作，包括設置測站點三維坐標、儀器高、方位角。為使儀器與掌子面距離不*于太遠，儀器一般不直接安置于導線點上，而通常采用后方交會方式來完成儀器的設站工作。臨時后視點可埋設在邊墻上，但須注意檢查其穩定性。
　　儀器建站后，*先瞄準掌子面（僅用激光點對準—激光與望遠鏡同軸）測出掌子面*儀器站的距離，儀器計算出掌子面的里程，根據里程及有關輸入的參數定位掌子面開挖斷面，而后開始進行開挖輪廓線上點的測設。放樣點可按設置間距從左到右、從中間向兩側等不同順序測設。當紅色激光指向*個點位確定后，點上紅油漆就完成一個點位的放樣工作，按*作鍵儀器在馬達的驅動下轉向下一個點，依此類推放樣完所有的點（見圖1）。

　　                                                                  
　　當掌子面不平時，應增加每個點位的測量次數，一般設為3*6次，并給出點的允許偏差，儀器每測一次得所測點位的三維坐標并計算出激光點離設計輪廓的偏移值，將修正偏移值后重測其坐標值，重算偏移值，若偏移值在允許偏差范圍內，激光點處位置即可認為是開挖輪廓線上的點，否則重測。
　　利用此程序還可以放樣出掌子面每一個炮孔的設計位置。
　　2斷面測量
　　徠卡TCRA1101PLUS型全站儀機內配置有兩個程序可以進行斷面測量。一個是在所測斷面內的任一位置安設儀器，可用后方交會、自由測站或已知站點設站，確定儀器的三維坐標及設置方位角，然后啟動斷面測量程序，設置好有關參數后，儀器在司服馬達的驅動下照準布于隧道軸線法線的豎直平面旋轉一周，同時按設置間隔距離測取儀器到各測點的距離及角度，并存儲于儀器內存或PC卡上，即完成一個斷面的外業測量工作（圖1所示）；另一斷面測量程序是儀器不一定安置在所測斷面垂直面內，建站工作同前，可測取儀器免棱鏡測程內的所有需測的斷面。此方法優點在于不用頻繁搬動儀器，可測取任一需測斷面，但開挖后的斷面表面凹凸不平，斷面每個點位的測取需重復多次。對襯砌后輪廓規則的斷面此法測量速度將大大快于前一種方法。
　　將不同斷面的外業測量記錄輸入裝有相應斷面測量后處理軟件的計算機，計算機經過分析、計算與理論斷面比較等處理過程，*后輸出實測及理論斷面比較圖形、斷面面積、超、欠挖面積等有關參數（見圖2）。
　　
                    
　　3圍巖凈空位移量測
　　隧道采用鉆爆法施工，根據新奧法基本原理，運用圍巖監控量測來掌握施工過程中圍巖變形及支護狀況，及時準確獲取監測信息，并指導施工，以達到*、可靠、經濟的目的。為快速、*、準確完成圍巖凈空位移量測任務，采用三維非接觸量測新技術。其基本原理是利用全站儀自由設站遠距離測定量測點點位不同時段的三維坐標，將測量數據輸入計算機進行后處理，*后輸出監測成果。全站儀內相應配圍巖收斂*模塊，計算機內配圍巖收斂分析處理輸出模塊。
　　自由設站三維非接觸觀測系統由觀測主機全站儀、反射靶標、后視基準點及計算機組成。
　　后視基準點要求穩固，其坐標可根據現場情況自行設置或利用隧道內控制測量的導線點；反射靶標采用3mm厚的薄鋁板制成70×80mm的方板，表面貼上60×60mm的反射膜片，中間鉆直徑為3mm的小孔，用膨脹螺栓錨固在初期支護的表面或點焊在初期支護的鋼筋上，按有關規范要求在隧道內進行點位布置。測量時*小孔為照準點，觀測時反射膜片與儀器光軸的傾斜角度應不大于30度，以減少照準對測距的影響。
　　觀測前，對全站儀進行調校，使儀器處于*佳狀態。觀測時，打開儀器的角度改正及補償器功能，并對儀器進*壓和溫度的氣象改正。觀測采用記錄測量模式，所有觀測數據均存儲在模塊內。
　　全站儀采用自由設站，但為了*膜片傾斜對測距的影響，每次量測時測站位置應大致相同。觀測時采用三次重復設站，每次設站采用雙盤測回結合三次重復照準的冗余觀測方法，即每一測站上分別用兩個盤位連續、重復照準三次目標點，然后取平均值作為一次設站觀測的結果。量測頻率主要根據位移速度和測點距開挖面的距離而定。一般在測點埋設初期測試頻率每天1－3次，隨著圍巖漸趨穩定，量測次數減少，當出現不穩定征兆時，增加量測次數。當圍巖達到基本穩定后，以1次/3日的頻率量測2周，若無*變形，則可結束量測。
　　將每次測量記錄按要求輸入裝有后處理程序的計算機，計算機將自動分析處理量測數據，并相應輸出量測成果，并打印報表。
三、免棱鏡測距技術應用于隧道測量有如下優點:
　�。�1）測量速度快
　　掘進放樣、斷面測量、圍巖凈空位移量測等每一斷面均可在幾分鐘內完成。
　�。�2）準確
　　一是測設定點精度準確。其精度可依工程所需而定，可達幾毫米的精度。二是固定性。程序編制時要求儀器自動尋找斷面上相同的點（即雖掌子面里程不同，但所放樣各點在隧道縱向上相對于隧道中線、軌面的位置固定），且各點在開挖輪廓線上間距一致，這為鉆眼爆破帶來極大便利——測點即是炮眼，炮眼間距固定。每茬炮鉆眼在斷面同一位置，為鉆眼角度提供很好的參考方向，使整個隧道炮眼順直，進一步減少超欠挖，減少*質量隱患。同理，如有必要，也可將需要的爆破設計炮眼位置準確放樣出來，如掏槽眼等，為提高爆破*提供技術援助。
　�。�3）設站靈活
　　因為儀器可用距離后方交會設站，這就給測量帶來很大靈活性，可以在不同的現場條件下選擇*佳位置設站，減少其它工序對測量的干擾，反之也減少了測量對其它工序的干擾。在某些人力設備不能到達的或危險的地方，只要滿足測程與通視兩個條件就可完成測量任務，減少測量對其它機械設備（如腳手架，升降機等）的依賴。因全站儀采用極坐標的方式進行放樣，加上其自動化程度較高，一般即需二人即可完成作業任務。
　�。�4）與其它工序平行作業
　　傳統開挖輪廓線放樣一般在出碴完后進行，往往占用數*鐘的時間，而采用全站儀放樣，尤其是通風*好時，可將儀器安置在邊墻附近，裝碴的同時便可完成碴堆以上開挖輪廓線放樣與坑道斷面掃描，裝碴完成后搶用其它工序準備工作的幾分鐘完成剩余測量工作�；蜓b碴快完成時，邊裝碴邊測量，實現零分鐘測量。
　�。�5）適應性強
　　因全站儀是以極坐標方式來測量坑道上的點的坐標，而設計坑道上*點都有自身的解析坐標，從測量的觀點與隧道解析觀點來看，也就不再存在曲線隧道、曲墻斷面放樣、工作面不規則等種種不便，使各式各樣的線路走向、斷面形狀問題統一化為極坐標與隧道解析的問題。我們關心的是如何去準確測量點的三維坐標，在程序中如何描述線路、斷面設計參數，讓計算機去關心具體一個點位于曲線與直線、直墻與曲墻的問題。
四、結語免棱鏡測距的出現，使傳統隧道工程測量不易、不能解決的問題得到很好的解決。準確、快速、靈活的測量，有望建立隧道表面數字模型，準確快速繪制任意里程斷面圖，為施工決策提供數據基礎，減少浪費，減少返工，為整個工程提供基礎保證。雖然目前此類功能齊全（無棱鏡測距，司服馬達等）的全站儀價格一般偏高，但綜合整個工程來考慮，還是減少了工程造價。隨著長測程無棱鏡測距硬件的進一步完善，入世后硬件價格的下降，計算機技術人員的積極參與其中，開發出完備的軟件系統，這一技術將在隧道施工放樣中得到普及，取代傳統的斷面放樣、斷面測量及圍巖凈空位移量測等，特別是長大隧道更應將其作為*測量工具。