邵奎興 劉 杰 高志飛 屈 儒

2008年水利部 “948”項(xiàng)目(200811)引進(jìn)了TMS隧道綜合測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)在某引水發(fā)電工程中得到了實(shí)踐應(yīng)用,完全實(shí)現(xiàn)了隧洞施工測(cè)量的自動(dòng)化。本文只是針對(duì)斷面測(cè)量加以論述,隧洞施工斷面測(cè)量一般分為開挖斷面和竣工斷面,是通過大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算隧洞開挖的實(shí)際輪廓線,并將其與設(shè)計(jì)斷面輪廓線納入同一坐標(biāo)系中比較,清楚地獲悉超欠挖的大小和所在部位,進(jìn)而及時(shí)指導(dǎo)下一步施工和竣工驗(yàn)收。TMS隧道綜合測(cè)量系統(tǒng)能夠自動(dòng)完成對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的及時(shí)觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集,并可以完成斷面測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估。

1 TMS隧道測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

TMS是由英文Tunnel Measure System即隧道測(cè)量系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱,該系統(tǒng)主要包括TMS Setout隧道放樣和TMS Profile隧道斷面測(cè)量2個(gè)全站儀機(jī)載軟件包,二者有1個(gè)共同的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)TMS Office。TMS Office用于定義工程數(shù)據(jù)、管理測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)的后處理。系統(tǒng)的組成見圖1。

TMS隧道測(cè)量系統(tǒng)所依托的自動(dòng)全站儀TCRP1201+R1000測(cè)角精度為±1″,免棱鏡測(cè)距精度為±2+2×10-6×D(D 為距離,以千米為單位),免棱鏡測(cè)距測(cè)程1 000 m。從硬件設(shè)備上完全保證了測(cè)量精度。

2 現(xiàn)階段常規(guī)測(cè)量儀器在引水隧洞測(cè)量的應(yīng)用情況

目前水工隧洞施工中有條件的施工單位采用具有免棱鏡測(cè)距功能的全站儀配合簡(jiǎn)便可編程的計(jì)算器在現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)合測(cè)量,內(nèi)業(yè)采用計(jì)算機(jī)整理資料。

圖1 系統(tǒng)的組成示意圖

在具體施工中各施工單位普遍引入 “洞內(nèi)小坐標(biāo)”來方便現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放樣,具體建立如圖2所示。

圖2 洞內(nèi)小坐標(biāo)示意圖

一般將隧洞的起點(diǎn)定義為x軸的O點(diǎn),隧洞的里程增加方向?yàn)檎＿@樣實(shí)際測(cè)量時(shí)在近水平直線洞段的x值就是隧洞的里程值。與x軸垂直的方向定為y軸,與x軸相交的y坐標(biāo)定義為O點(diǎn),前進(jìn)方向左邊的y坐標(biāo)值為負(fù),前進(jìn)方向右邊的y坐標(biāo)值為正。y值的絕對(duì)值就是該點(diǎn)偏離中軸線的值,正負(fù)號(hào)用于判斷左右。

“洞內(nèi)小坐標(biāo)”的引入使得應(yīng)用常規(guī)測(cè)量儀器在斷面形態(tài)單一且為直線洞段時(shí),測(cè)量起來比較容易,但是其局限性還是很大的。比如在線路的各種類型曲線段、坡度很大的泄水洞段、開挖斷面不同(比如由圓形過渡到矩形)的漸變連接段等復(fù)雜地段,常規(guī)的儀器測(cè)量使用起來就會(huì)增加工時(shí)。而且“洞內(nèi)小坐標(biāo)”使用的是局部獨(dú)立坐標(biāo),與隧洞設(shè)計(jì)坐標(biāo)經(jīng)過換算才能對(duì)應(yīng),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí),測(cè)量人員要反復(fù)校核計(jì)算,以免產(chǎn)生錯(cuò)誤。隧洞內(nèi)空間狹小,施工環(huán)境較差,測(cè)量過程干擾因素多,直接影響現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量效率。而TMS隧道測(cè)量系統(tǒng)能很好地解決這些問題。

由于TMS隧道測(cè)量系統(tǒng)在定義工程和測(cè)量過程中全部使用與工程設(shè)計(jì)相一致的坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng),使得施測(cè)的每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)都具有準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)。在專業(yè)的軟件支持下,極大地方便了各種數(shù)據(jù)共享和計(jì)算處理,使得TMS在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和內(nèi)業(yè)整理都變得輕松自如。無論儀器身處直線段、曲線段、斷面形態(tài)過渡的漸變段,還是坡道很大陡坡段,TMS都可以做到按照嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

3 TMS隧道測(cè)量系統(tǒng)在引水隧洞測(cè)量的應(yīng)用情況

引水隧洞在施工期間主要任務(wù)是要及時(shí)進(jìn)行開挖輪廓線放樣,施測(cè)開挖斷面以用于檢測(cè)超欠挖情況,在竣工后要施測(cè)一定間距的竣工斷面檢查澆筑回填情況。

使用TMS隧道測(cè)量系統(tǒng)在進(jìn)行上述測(cè)量工作時(shí),只需要一次工程定義就可完成全線的各項(xiàng)測(cè)量準(zhǔn)備工作。

3.1 工程定義

3.1.1 工程元素

使用TMS Office進(jìn)行工程定義,將隧洞工程的設(shè)計(jì)元素分為中線、縱線、橫坡(通常在鐵路、公路曲線有此項(xiàng))、理論斷面、理論區(qū)間等項(xiàng),具體內(nèi)容見表1。

由于使用了TMS Office軟件的數(shù)據(jù)定義,使得將全線設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)機(jī)載于全站儀成為可能,極大地減輕了測(cè)量人員的內(nèi)業(yè)工作量并避免了測(cè)量的許多中間環(huán)節(jié),有效地防止了錯(cuò)誤的發(fā)生。

表1 工程設(shè)計(jì)元素簡(jiǎn)介表

3.1.2 水工隧洞的特點(diǎn)

本文以TMS隧道測(cè)量系統(tǒng)在某水電站引水隧洞示范測(cè)量研究為例加以說明。該隧洞全線長約12 km,其中直線段、曲線段、陡坡段和漸變段全部涉及。對(duì)于水工隧洞而言,最大的特點(diǎn)是在相對(duì)較長一段區(qū)間內(nèi)無論中線和開挖斷面怎樣變化,隧洞中心線高程會(huì)保持固定坡降不變。這是與其他隧道最為顯著的區(qū)別。

該引水隧洞的中線自0+000至11+612.991就由8個(gè)長度不同的直線段和4個(gè)曲線段組成。并由于圍巖類別的變化開挖斷面也是多變?？v線自0+000至11+612.991始終保持i=1/380的坡降,當(dāng)使用TMS Office進(jìn)行工程定義時(shí)就大大簡(jiǎn)化了縱線的定義。具體斷面形態(tài)變化情況見表2。

表2 引水隧洞斷面形態(tài)變化表

TMS課題組熟悉檢核完設(shè)計(jì)資料后,用近一個(gè)工作日將整個(gè)工程的數(shù)學(xué)模型通過TMS Office完成機(jī)載,這樣,在長達(dá)幾年的施工期間,只要不更改設(shè)計(jì)方案,系統(tǒng)能夠做到不需進(jìn)行作業(yè)前資料準(zhǔn)備,無論哪個(gè)工作面需要隨叫隨測(cè),24 h值守。

3.2 斷面測(cè)量

3.2.1 儀器設(shè)站

使用TMS隧道測(cè)量系統(tǒng)無論是進(jìn)行斷面測(cè)量還是進(jìn)行掌子面輪廓線放樣,測(cè)量人員只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作,就可以使機(jī)載程序驅(qū)動(dòng)全站儀進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量,自動(dòng)判斷將滿足條件的目標(biāo)點(diǎn)保存到全站儀的CF卡上。

精度估算公式:

式中 Mp——測(cè)量點(diǎn)點(diǎn)位中誤差；

ms——測(cè)邊中誤差；

S——邊長；

γ——水平夾角。

mβ——測(cè)角中誤差；

ρ——206 265″。

既然你作死，老夫成全你。就這樣，張萬邦、花五奇這兩枚棋子，被德公公丟到秦鐵崖面前，一個(gè)被打殘，一個(gè)被打死。秦鐵崖贏得名聲，德公公去了心病。

對(duì)圖3和公式(1)對(duì)邊角交會(huì)測(cè)站點(diǎn)點(diǎn)位精度進(jìn)行定量分析:

圖3 邊角交會(huì)示意圖

根據(jù)洞內(nèi)測(cè)量環(huán)境視S1和S2相等同為30 m,根據(jù)儀器免棱鏡測(cè)距精度±2+2×10-6×D將測(cè)邊中誤差定為±2 mm,式中mβ=m1方=×1″(m1方為儀器測(cè)角標(biāo),稱精度,即一測(cè)回的方向中誤差,該儀器為±1″),交會(huì)角度從 10°～180°分別計(jì)算,點(diǎn)位精度中誤差取絕對(duì)值,其結(jié)果見圖4。從圖4中可以看出,在交會(huì)角為 90°時(shí),測(cè)點(diǎn)中誤差最小為 2.83 mm,在30°～ 150°時(shí),測(cè)點(diǎn)中誤差在5 mm 左右 。要想獲得較為精確的儀器設(shè)站坐標(biāo),應(yīng)將交會(huì)角度控制在30°～150°之間較為適宜。

3.2.2 施測(cè)斷面點(diǎn)及精度評(píng)定

圖4 邊角交會(huì)精度統(tǒng)計(jì)圖

架設(shè)好儀器后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出儀器中心的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)和儀器所在位置的里程。并首先自動(dòng)完成儀器所在里程的基礎(chǔ)斷面測(cè)量,隨后操作人員只需輸入所要測(cè)量斷面的里程區(qū)間、斷面帶寬(范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄)、斷面間隔和測(cè)點(diǎn)步長(有角度和距離兩種模式)。儀器就會(huì)在機(jī)載程序的驅(qū)動(dòng)下完成區(qū)間內(nèi)所有斷面測(cè)量。受洞壁凹凸不平的影響,當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)距儀器較遠(yuǎn),在采集斷面上的有效點(diǎn)時(shí),會(huì)因視線阻擋而增加單點(diǎn)采點(diǎn)的判斷次數(shù),這樣會(huì)影響自動(dòng)測(cè)量的效率。一般將架設(shè)一站所測(cè)區(qū)間最好控制在洞徑的1.5～2倍(儀器的單側(cè)),實(shí)踐證明及時(shí)搬站會(huì)使自動(dòng)測(cè)量完成的更好。

完成斷面測(cè)量數(shù)據(jù)采集后,系統(tǒng)還可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行開挖斷面的評(píng)估。儀器在評(píng)估界面下用簡(jiǎn)便的圖形展示所需評(píng)估斷面的超欠挖情況,可現(xiàn)場(chǎng)指示超欠挖的位置,并會(huì)自動(dòng)在超欠挖區(qū)間起始端使用紅色激光反復(fù)閃爍進(jìn)行指示。

免棱鏡測(cè)量斷面點(diǎn)的精度估算:

式中 S——斜邊長；

α——垂直角；

ms——測(cè)距中誤差；

mβ——測(cè)角中誤差；

mi、mv——儀器高和覘標(biāo)高測(cè)定誤差；

D——平距。

在TCRP1201+全站儀測(cè)距和測(cè)角精度下,當(dāng)垂直角不做限制,邊長在30 m時(shí),根據(jù)公式(2)和公式(3)計(jì)算極坐標(biāo)測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的點(diǎn)位誤差和光電測(cè)距三角高程(單向觀測(cè))誤差均小于4 mm,高于施工測(cè)量規(guī)范要求的斷面測(cè)點(diǎn)相對(duì)于洞軸線的點(diǎn)位中誤差允許偏差開挖竣工斷面±50 mm,混凝土竣工斷面±20 mm的規(guī)定。

3.3 內(nèi)業(yè)處理

將外業(yè)施測(cè)的數(shù)據(jù)由CF卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后,使用TMS Office進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,界面友好、操作方便、性能穩(wěn)定。斷面報(bào)告輸出極為簡(jiǎn)便,根據(jù)用戶需要可以選擇PDF、EXCL、TEXT、CAD 等多種輸出格式。測(cè)量報(bào)表所包含斷面列、斷面點(diǎn)列、超欠挖面積列及斷面樁號(hào)、施測(cè)儀器、日期、人員等測(cè)量信息。還可以進(jìn)行地質(zhì)超挖面積計(jì)算、采用最小二乘法進(jìn)行擬合斷面中心等復(fù)雜計(jì)算。由于篇幅有限,在這里不再使用示例說明。

同時(shí),本次TMS課題組還專門針對(duì)水工隧洞的測(cè)量斷面成果表進(jìn)行了漢化處理,更加適合國內(nèi)作業(yè)習(xí)慣。

TMS隧道測(cè)量系統(tǒng)在示范應(yīng)用期間共施測(cè)了61條斷面(其中包擴(kuò)6條竣工斷面),分布在6個(gè)里程區(qū)間(見表3),包含有兩個(gè)曲線段,每次外業(yè)測(cè)量完成后內(nèi)業(yè)依托TMS Office數(shù)據(jù)處理平臺(tái)僅需十幾分鐘就可以完成斷面測(cè)量的表格和圖件處理,準(zhǔn)確快速。

表3 TMS隧道測(cè)量系統(tǒng)在該工程施測(cè)斷面統(tǒng)計(jì)表

通過表3可以看出,使用TMS隧道測(cè)量系統(tǒng)在曲線段進(jìn)行斷面測(cè)量有著和直線段同樣的效率。

斷面成果表格數(shù)據(jù)較多本文略去,圖5為其中1條斷面成果圖。

4 結(jié) 語

圖5 課題組漢化整合后的開挖斷面成果圖

使用TMS隧道測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行水工隧洞斷面測(cè)量是非接觸斷面測(cè)量中最優(yōu)秀的系統(tǒng),可以做到準(zhǔn)確及時(shí)。并且可以一機(jī)多用,完成隧洞施工中測(cè)量放樣和測(cè)量導(dǎo)線等測(cè)量任務(wù)。在國外的許多大型隧道工程和地下工程得到了實(shí)踐應(yīng)用,在國內(nèi)高速公路等行業(yè)也得到了應(yīng)用。實(shí)踐證明該系統(tǒng)是一個(gè)高智能、高精度和高效率的測(cè)量系統(tǒng)。

1 楊松林,劉維寧.自動(dòng)全站儀隧道圍巖變形非接觸監(jiān)測(cè)及分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究 [J].鐵道學(xué)報(bào)2004(6):93—97.

2 SL52—93,水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范 [S].

3 陸國勝.測(cè)量學(xué)[M].北京:測(cè)繪出版社,1989.