隧道斷面儀的三維測量與分析

龍頭山隧道是廣州珠江黃埔大橋的主要工程之一。這是中國最長的雙孔隧道，具有8個車道。隧道平面布置根據線路總體走向,按上下行分離式布置,設計行車速度100Km/h。左線長1010m,右線長1002m,單洞凈寬18m,凈高8.95m,扁平率0.49,內輪廓采用三心圓斷面。最大開挖寬度21.6m,最大開挖深度13.58m,最大埋深98m;左右線進口最小凈距23m,洞身最大凈距51m,出口凈距20.8m。隧道設兩處人行橫洞,凈寬2.2m,限高2.5m,采用單心圓直墻斷面,如圖1所示。該隧道跨度大、進口段埋深淺且偏壓、洞內多孤石、技術含量高,施工難度大,是國內第一座分離式雙向八車道長大隧道。隧道施工中各種工序銜接緊湊,平行作業、交叉施工的工程很多,且洞內導洞作業面狹小,如排風不暢,空氣質量差,往往無法進行測量工作。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,關系到隧道的貫通。為滿足測量工作需要,需選擇關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,將直接影響工程進度和經濟效益。如何及時、準確的提供測量成果,使用的儀器和方法便成了重要因素。花幾十萬買一臺隧道斷面儀,僅能用于隧道斷面測量,投資太大,為節省投資可采用全站儀配隧道斷面測量軟件來完成。用全站儀進行外業數據采集后,再對采集的數據進行分析。數據分析可用臺式、便攜電腦,也可用可編程計算器進行。現將三數據分析方法列于表1,從表1可以看出,采用可編程計算器進行分析,內外業用時最少,測量工作對工程作業時間影響最小。本文將對這種方便、快捷的測量和計算方法進行分析與介紹。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。若采用三維坐標段落測量法進行隧道測量,可全面反映整個段落任意樁號各個點的超欠挖情況。一、數據收集儀器置于任意點(做自由設站)或導線點上,有針對性的對一個段落的特征點或任意點進行測量,記錄x、y、z三維坐標。1.距離減半徑測量及測量參數(1)圓曲線在圓曲線上選任意點B,為起算里程,坐標反算分別求得,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。測量參數見圖2(a)所示。L由公式(1)求得。式中:L—弧長,R—半徑,α-測點的法線與圓曲線上已知點法線的夾角。(2)緩和曲線在緩和曲線上求任意點的法線方向十分簡單,但要求測站要對應那個樁號法線上的點,相當復雜。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,把兩點當作直線看,按直線計算即可。測點見圖2(b)所示。(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等于測站點對應的樁號。測量參數如圖2(c)。二、計算初支隧道心功能的測量根據測點的樁號計算線路的設計高程,通過線路的設計高程和隧道圓心的關系,計算隧道圓心的設計高程和線路中線到隧道圓心的距離。經計算已知隧道圓心的設計高程;線路中線到隧道圓心的距離;經測量已知測點的實測高程;測點至線路中線的距離。1.減設計半徑法實測偏差等于斷面各點的高程與圓心處的設計高程,求得測點至圓心的高差,然后測點至圓心的高差的平方加上測點離隧道中線的距離的平方再開方--實際半徑減設計半徑。(設計半徑按不同工序分別計算,如開挖、初期支護、臺車、二襯等。并考慮預留量)式中:C—實測偏差(‘+’表示超,‘-’表示欠);D—測點離隧道中線的距離;H—測點高程;O—圓心處的設計高程;R—設計半徑;按(4)式計算即可。2.圓曲線文化線以上程序中:AB為測點大地坐標;D為測點距隧道中線距離;L為測點里程;H為測點與隧道圓心;O1的高差;Z為測點高;C為實測偏差;XY為圓曲線圓心大地坐標;E為圓曲線起點里程;R為圓曲線半徑;α為測點的法線與圓曲線起點法線的夾角;i﹪為隧道縱坡;O1O2為圓曲線起點里程隧道圓心的高程;D1為圓心O2距隧道中線距離;R1R2為多心圓隧道的半徑。無論是那一種線型,在CASIO系列可編程計算器,如FX-4800的幫助下,都可以采用漸進法編程解決,看似復雜的方法,變得非常簡便。三、全片段測量的特點三維坐標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,可根據面積與點