楊志堅(jiān)

(甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

隧道開(kāi)挖是隧道施工的重要工序，超挖過(guò)多，不僅會(huì)因出渣量和襯砌量增多而提高工程造價(jià)，而且局部超挖會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中問(wèn)題，從而影響圍巖穩(wěn)定性；而欠挖則直接影響到襯砌厚度，對(duì)隧道質(zhì)量及后期運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生安全隱患[1-2]。因此，超欠挖控制是隧道施工質(zhì)量評(píng)定的重要內(nèi)容之一，進(jìn)行超欠挖控制的方法是使用測(cè)量?jī)x器觀測(cè)隧道斷面若干個(gè)點(diǎn)，形成實(shí)際的開(kāi)挖輪廓線，并在同一坐標(biāo)系中與設(shè)計(jì)輪廓線進(jìn)行比較，從而獲取斷面的超欠挖量和部位，及時(shí)指導(dǎo)下一步施工[3]。

目前對(duì)隧道進(jìn)行斷面測(cè)量大都使用精密測(cè)量?jī)x器進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，獲取的數(shù)據(jù)精度高；并使用后處理軟件進(jìn)行自動(dòng)處理生成超欠挖報(bào)告。根據(jù)使用儀器類型的不同主要分為斷面儀法、全站儀法及三維激光掃描儀法[4]。

1 斷面儀法

激光斷面儀是建立在無(wú)合作目標(biāo)可見(jiàn)光激光測(cè)距技術(shù)和精密數(shù)字測(cè)角技術(shù)之上，采用極坐標(biāo)測(cè)量法與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密相結(jié)合的光機(jī)電一體化產(chǎn)品；加上專門(mén)設(shè)計(jì)的外業(yè)掌上電腦控制軟件及微機(jī)圖像后處理軟件，能迅速得到隧道斷面實(shí)際測(cè)量曲線圖，并與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行對(duì)比快速給出超欠挖等參數(shù)的檢測(cè)報(bào)告。斷面儀測(cè)量方法以操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確率高、圖像直觀在近年來(lái)的隧道斷面測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用[5]。

利用斷面儀法進(jìn)行隧道斷面測(cè)量時(shí)，首先將激光斷面儀定位于隧道的軸線點(diǎn)上，調(diào)試儀器使得測(cè)量頭處于垂直于隧道軸線處的位置；設(shè)置好隧道斷面的起始、終止測(cè)量角度及所測(cè)點(diǎn)數(shù)后，軟件控制測(cè)頭以某物理方向(如水平方向)為起算方向，按一定間距(角度或距離)依次測(cè)定儀器旋轉(zhuǎn)中心與實(shí)際開(kāi)挖輪廓線的交點(diǎn)之間的矢徑(距離)及該矢徑與水平方向的夾角，將這些矢徑端點(diǎn)依次相連即可獲得實(shí)際開(kāi)挖的輪廓線；通過(guò)洞內(nèi)的施工控制導(dǎo)線可以獲得斷面儀的定點(diǎn)定向數(shù)據(jù)，在計(jì)算軟件的幫助下自動(dòng)完成實(shí)際開(kāi)挖輪廓線與設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線的三維匹配，最后形成超欠挖輸出圖形。

斷面儀法的優(yōu)點(diǎn)是儀器價(jià)格便宜，操作簡(jiǎn)單，對(duì)作業(yè)人員要求低；缺點(diǎn)是架站時(shí)需要放樣出線路中線點(diǎn)，測(cè)量斷面?zhèn)€數(shù)多時(shí)效率低。斷面儀法是目前隧道斷面測(cè)量最常用的方法之一。

2 全站儀法

全站儀法目前主要使用高精度全站儀搭配機(jī)載測(cè)量軟件或PDA測(cè)量軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，然后通過(guò)后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中，全站儀機(jī)載程序法是在測(cè)量機(jī)器人上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)機(jī)載軟件控制儀器自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。該方法對(duì)儀器設(shè)備及操作人員要求較高，但使用的全站儀不僅可用于測(cè)斷面，也可用于其他測(cè)量工作，且采集少量斷面時(shí)速度快、精度高，因此該方法越來(lái)越多地被應(yīng)用于隧道工程中[6-7]。作業(yè)流程如下：

2.1 輸入設(shè)計(jì)要素

在后處理軟件中新建工程，填寫(xiě)工程屬性，輸入設(shè)計(jì)曲線要素，包括平曲線要素、豎曲線要素和設(shè)計(jì)斷面類型及起始里程，保存工程后把文件保存在存儲(chǔ)卡中并裝入全站儀。

2.2 外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

在隧道內(nèi)合適位置設(shè)站定向，運(yùn)行斷面測(cè)量軟件，進(jìn)行相關(guān)配置，如測(cè)量起始角度、斷面類型、步進(jìn)長(zhǎng)度及方式、搜索范圍、測(cè)量限差等，然后輸入待測(cè)斷面里程進(jìn)行測(cè)量。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在后處理軟件中打開(kāi)設(shè)計(jì)文件，并導(dǎo)入外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行超欠挖計(jì)算，并輸出相關(guān)圖形報(bào)表。

3 三維激光掃描儀法

三維激光掃描技術(shù)又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS定位技術(shù)后的又一項(xiàng)技術(shù)革新。三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)測(cè)量中由點(diǎn)到線，再由線到面的單點(diǎn)測(cè)量方法，能獲取掃描物體表面的海量三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)測(cè)量到面測(cè)量的跨越。相較于傳統(tǒng)測(cè)量方法，三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在:①數(shù)據(jù)獲取速率高;②數(shù)據(jù)精度高;③非接觸測(cè)量;④數(shù)據(jù)信息多元化;⑤數(shù)據(jù)獲取全面。目前三維激光掃描技術(shù)已在建筑施工、三維設(shè)計(jì)、古建筑保護(hù)、礦山監(jiān)測(cè)、道路交通、逆向工程、地質(zhì)巖土工程、林業(yè)資源調(diào)查等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并取得了成果[8]。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[9-10]。應(yīng)用三維激光掃描儀進(jìn)行地鐵隧道斷面測(cè)量的過(guò)程如下：

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用天寶SX10全站掃描儀，利用測(cè)站設(shè)立或后方交會(huì)方法進(jìn)行架站。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇合適地點(diǎn)架設(shè)儀器，對(duì)全部范圍掃描獲取隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)。獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有絕對(duì)坐標(biāo)值，點(diǎn)云無(wú)須拼接，減少了拼接誤差。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(平曲線、豎曲線和設(shè)計(jì)斷面)，剔除隧道壁外的噪音數(shù)據(jù)。噪音數(shù)據(jù)主要是盾構(gòu)管片的連接螺栓孔、螺帽、注漿孔及電纜、照明設(shè)備及其他附著在管壁上的設(shè)施，如圖1所示。

3.3 超欠挖報(bào)告

基于隧道中心線及隧道設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線建立超欠挖參考面三維模型，如圖2(a)所示；利用三維激光掃描數(shù)據(jù)，建立隧道開(kāi)挖后現(xiàn)狀三維模型，如圖2(b)所示;將參考面模型和開(kāi)挖后現(xiàn)狀模型進(jìn)行三維立體疊加分析，利用Trimble Business Center軟件可直觀獲得該段里程中任意點(diǎn)位超欠挖的程度，將設(shè)定斷面里程點(diǎn)云掃描為CAD點(diǎn)，通過(guò)CAD點(diǎn)與模型作對(duì)比分析，確定出超欠挖量，如圖2(c)所示。

3.4 斷面分析及成果輸出

根據(jù)設(shè)定的斷面間隔提取斷面，軟件自動(dòng)形成斷面超欠挖分析圖及報(bào)告，包括隧道竣工報(bào)告、隧道面積和體積報(bào)告、隧道縱斷面報(bào)告，如圖3所示。

4 方法比較

綜合對(duì)比分析3種常見(jiàn)隧道斷面測(cè)量方法，并結(jié)合實(shí)際及各個(gè)施工單位在實(shí)際應(yīng)用中得出的總結(jié)，得出各方法的特點(diǎn)見(jiàn)表1。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前三維激光掃描儀方法得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，斷面儀法和全站儀法將逐漸被取替。研究過(guò)程及對(duì)比分析結(jié)果表明，三維激光掃描技術(shù)不僅具有與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相當(dāng)?shù)臏y(cè)量精度，更具有數(shù)據(jù)采集效率高、數(shù)據(jù)全面性強(qiáng)、結(jié)果可三維立體化展示等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于隧道超欠挖分析，為其提供更精準(zhǔn)、更完備的數(shù)據(jù)支撐。

表1 3種隧道斷面測(cè)量方法特點(diǎn)