浅谈隧道测量软件开发及在施工测量中的应用

浅谈隧道测量软件开发及在施工测量中的应用

周康成

中交四航局珠海工程有限公司广东珠海519085

摘要：隧道施工测量是在隧道工程施工建造阶段进行的测量。为保证隧道能按规定的精度正确贯通及相关的建筑物与构筑物位置正确，要求：根据隧道施工要求的精度和施工顺序进行相应的施工测量，指导并保证工作面以预定的精度贯通。

关键词：隧道测量开发应用

1前言

隧道测量涉及到开挖断面、炮眼、初期支付、二次衬砌以及断面检测，隧道衬砌类型复杂多样，寻求一种方便快捷高效的方法来提高工作效率，减少人为误差，解决现场测量繁多计算以及内业数据处理绘图是急需解决的问题。本文以新建铁路珠海市区至珠海机场城际轨道交通项目现场施工为导向，介绍了隧道施工中的计算方法、断面检测断面图绘制以及测量程序编程实现与应用进行了探讨，可供实际参考。

2工程概况

新建铁路珠海市区至珠海机场城际轨道交通项目（以下简称“珠机城轨”）贯穿珠海市东西部地区，连接珠海市区和三灶机场；在珠海站、机场站与珠三角城际网的广珠城际、珠深城际、广佛江珠城际相连，本项目为珠机城轨一期工程，起点为珠海站，途径湾仔北、湾仔、十字门、金融岛、横琴口岸站，终于横琴长隆站。区间工程依地质条件、隧道埋深等条件的不同选用明挖法、盾构法、矿山法三种不同方法施工，我部承担的施工范围为4#井至横琴长隆站。其中包含明挖法213延米、矿山法隧道3523延米；衬砌类型有II、II加强、III、IV、IVa、V，施工方法有全断面法和台阶法。

左右线均为单线隧道，且洞内作业面狭小，轨面设计高程二衬内位置水平空间只有5.5米。隧道施工中各种工序衔接紧凑，平行作业、交叉施工多。测量工作在隧道开挖施工中非常重要，它控制着隧道开挖的平面、高程和断面几何尺寸，关系到隧道的贯通。若测量工作占用时间过长，将直接影响工程进度和经济效益。如何及时、准确的提供测量成果满足测量工作需要，使用的方法便成了重要因素。花费大笔钱一台隧道断面仪，仅能用于隧道断面测量，投资太大，且断面仪测量工序繁琐。需要在测量的每个隧道断面位置测设出中线位置和高程，并将仪器假设至中线点后视前后断面的中线点定向，再旋转90度按从左至右的顺序观测，断面位于小半径曲线上时还得加上因曲线引起的附加偏角。为节省投资、方便快捷的完成隧道测设与检测工作。为此我们提出了采用全站仪任意设站采集断面点三维坐标，利用计算机VB语言编制配套的程序对采集的数据进行分析处理。内外业用时少，测量工作对工程作业时间影响小。本文将对这种方便、快捷的测量和计算方法进行分析与介绍。

3隧道施工测量与数据处理

3.1现场施工测量内容

围岩为II～V级围岩，采用爆破法掘进，IV级与V级围岩采用台阶法开挖，II级与III级围岩采用全断面开挖，不论那种方法，在开挖前都需要测设炮眼位置；对掌子面开挖断面进行断面测量，对有欠挖的情况应补开挖到符合设计和规范要求，拱架的安装测量放样，控制拱脚的位置和高程、拱顶中线的位置和高程以及拱架拼装节点的位置和高程；初支完成后同样需要检测断面，以保证二衬厚度；本工程隧道二衬混凝土施工采用定制的模板台车，二衬混凝土施工尺寸的控制主要是二衬台车的定位控制；二衬浇筑完成后再一次检测断面是否满足设计图纸要求。

3.2数据处理分析

综合上所述现场测量内容，数据处理必须具备线路坐标正反算、各种衬砌结构层超欠挖值计算以及绘制检测断面图的功能。目前应用于工程的隧道断面形式复杂多样，有2圆心，3圆心，多圆心，两侧直墙形式，圆形、矩形等，不同的结构形式，断面检测计算方法大同小异，不论是初支轮廓还是二衬轮廓线基本上是由直线、圆曲线或缓和曲线组成，为此我们寻求一种能够通用的计算方法。

3.3隧道断面数据处理方法的建立

假设以隧道断面线路中心线的设计标高位置与线路中心线的交点作为坐标零点建立断面独立直角坐标系，把隧道的轮廓线当做一条平曲线，以轮廓线任意一段起点作为线路的起点（这里选择断面左下角位置），轮廓线的各段起点、终点坐标可以在独立坐标系中求得，将隧道的轮廓线建立一个断面曲线要素，相对于线路平曲线的坐标系而言，将实测三维坐标经过线路反算得到的偏距即为这里断面坐标系中的Y值，实测高程减去设计高程（即坐标零点处）得到的结果即为这里独立坐标系中的X值。将求得的X，Y值带入隧道断面曲线要素中进行线路反算，如果偏距为正，表示点位落在轮廓线以内，即欠挖；如果偏距为负，表示点位落在轮廓线以外，即超挖。实际施工时为了防止成型后的断面侵限，通常需要考虑外放量。此时只需要将计算得出的偏距值加上外放量与实际对比即可得出超欠值。

3.4程序的编制与实现

采用VB编程语言、JAVA语言与AUTOCAD二次开发技术相结合，分别将上述数据计算处理流程编制成计算机版和安卓版本。安卓版本运用于现场测量计算，计算机版本运用于内业数据计算以及断面图绘制。程序各模块功能分布如下图所示。

1、线路管理模块中包含了线路平曲线、竖曲线、断链、超高加宽等参数

2、断面管理模块中包含隧道断面线形参数，将不同衬砌类型的结构层（开挖、初支、二衬等）分别建立线形参数导入程序中。

3、断面绘图参数中包含所有衬砌类型设计断面图以及衬砌类型所对应的里程区段。在断面图绘制时自动判断测量断面所处的里程并调用相应的设计断面，实测断面和设计断面合并在一起，并将偏差值标注于断面图上。

4、线路正反算模块依据线路平纵曲线参数计算特定里程桩号的设计坐标和设计高程或以实测坐标反算线路里程桩号和偏距，为断面计算提供基础数据。

5、炮眼、断面放样数据计算模块

在钢拱架安装、开挖断面放样时需要将设计坐标计算并测放于实地。

3.5实际运用与数据分析与处理：

下面以现场放样计算和断面检测为例阐述实际运用

1、断面放样

以V级围堰开挖为例，V级围堰二衬厚度45cm，初期支护25cm，设计考虑沉降变形等外放值8cm。DK16+415初支断面参数计算上台阶开挖面放样坐标。由初支断面轮廓分段里程图可知上台阶里程从4.7055~14.9471，以1.5米间距计算放样坐标。

DK16+415上台阶开挖断面放样点计算坐标表

2、断面检测

当开挖、初支、二衬断面成型时均需进行断面检测，这里使用的是徕卡TS02型全站仪，带1000米免凌镜。将仪器架设在已知点或任意设站均可。现场采集点时为了保证断面数据的完整性尽量一个断面观测完再进行另一个断面观测，观测顺序不受限制，可以任意采集。但尽量保证同一个断面的数据在法线方向上偏差不能太大。对于二衬检测由于台车模板接缝有明显痕迹法线方向比较好判断；对于掌子面检测如果距离稍远时测站不好判断法线方向，可以辅与人工指挥。

左线DK16+493.4~DK16+495.4初期支护断面检测计算实例

对于欠挖的情况应采取相应措施整改，保证结构不侵限。

3、断面图绘制

对现场采集的点通常需要绘制断面图，以更直观的反映断面超欠情况。由于现场采集的点是任意观测顺序采集的，程序具备将离散点自动按线路里程从小到大、从左侧至右侧排序。然后再逐个分断面，分断面的原则是按里程误差来判断，我们这里默认里程误差在1米范围内的观测点算同一个断面。也就是说我们在断面测量时边距最大点的在法线方向可以偏差到1米的范围。当然实际断面测量时不会偏差这么大，通常偏差在30cm左右的范围。如果想把里程相差很大的点归拢到一个断面上，可以将此数设置得较大些；同理如果想将里程相差很小的点分成两个断面来处理的话可以将此数设置小一些。

3.5常见问题和不足：

1、由于隧道范围很小，外轮廓线是围成一个包围圈，在进行反算时，同一个点位可能同时满足隧道左侧或者隧道右测某个里程点的切线方向，此处处理的方法是限制边距，如果反算得到的边距大于设定值，虽然满足某里程点的切线方位，但不予采纳，继续往下计算，直到满足要求为止，由于隧道超欠挖通常不会偏差太大，将这个值设定在隧道水平净空的一半很好的解决了这个问题。

2、观测断面离测站较远时，在无施工缝的位置难以判断法线方向，可用辅助人员指挥的形式测量解决该问题，同时也建议一个测站不宜观测太远的范围以减少观测点在断面法线上的偏移量。

4结语

综上所述，程序满足了现场施工放样数据计算以及内业数据处理。断面绘图等。计算成果满足各项精度要求，绘制的CAD断面图比较直观形象；在断面检测时可以任意设站，测量高效快捷；数据采集顺序自由，不需按顺序观测，增加了灵活性和应用性；克服了普通断面仪的测量方式，提高了工作效率，测站检测范围广，不局限于普通断面仪只能观测前后断面，同时也节省了投资；适用于任意结构形式的隧道断面。目前在珠机城轨三工区长隆隧道项目中得到了较好的应用。

参考文献：

[1]张坤宜交通土木工程测量人民交通出版社

[2]张帆AutoCAD二次开发教程清华大学出版社

[3]郭圣路、张荣圣VisualBasic6.0中文版从入门到精通电子工业出版社

[4]译者：陈昊鹏Java编程思想第4版机械工业出版社

[5]新建铁路珠海市区至珠海机场城际轨道交通工程拱北至横琴段施工图珠机城际拱横施图（隧）-07中铁第四勘察设计院集团有限公司

作者简介：周康成（1982-08）男，湖南永州人，测绘工程师、测量技师，主要从事测绘及管理工作。