殷文彥

(北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司工程測(cè)量所，北京100038)

一、應(yīng)用背景

按照相關(guān)規(guī)范要求［1－2］，在地鐵工程測(cè)量中地鐵隧道應(yīng)直線段每6 m、曲線段每5 m測(cè)量一個(gè)斷面，結(jié)構(gòu)橫斷面變化處和施工偏差較大段應(yīng)加測(cè)斷面，所以隧道斷面測(cè)量是一項(xiàng)工作量很大的測(cè)量工作。同時(shí)斷面測(cè)量要求測(cè)出的成果能夠反映隧道在三維方向的偏差量，是一項(xiàng)三維測(cè)量，難度較大。該斷面測(cè)量是在施工階段隧道內(nèi)進(jìn)行的測(cè)量工作，受隧道惡劣的環(huán)境干擾較大。

結(jié)合以上幾個(gè)方面，研制出一套簡(jiǎn)單、易行、方便、好用的斷面測(cè)量裝置，既能準(zhǔn)確測(cè)量隧道三維位置，又能提高效率、減少外部干擾，在斷面測(cè)量中顯得尤為必要。下文介紹的筆者所在單位研制的隧道斷面測(cè)量尺裝置基本滿足了上述要求。

二、使用原理

地鐵隧道斷面形式中基本有3種形式:圓形、馬蹄形、矩形。尤其是近幾年盾構(gòu)施工的大量普及，圓形隧道逐漸占據(jù)斷面形式的絕大多數(shù)。在北京地鐵圓形隧道基本上都是內(nèi)徑為5．4 m、外徑6 m圓形斷面形式(圖1)，在理想情況下，施工完畢的圓形隧道內(nèi)部斷面是個(gè)直徑為5．4 m的標(biāo)準(zhǔn)圓，所以該圓形隧道的斷面測(cè)量的關(guān)鍵是精確測(cè)出隧道中心線對(duì)應(yīng)平面位置及隧道中心線對(duì)應(yīng)拱頂或拱底標(biāo)高。可以根據(jù)圓形隧道的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，利用某一裝置在成型的隧道中精確標(biāo)定出隧道中線的位置，采用測(cè)量?jī)x器采集其對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)即可滿足斷面測(cè)量數(shù)據(jù)采集的基本要求。

如圖1所示，隧道測(cè)量尺裝置主體為3 m長(zhǎng)度的鋁合金方形管材，隧道尺中心位置安裝一反射片，反射片中心對(duì)應(yīng)鋁合金管材的中心位置，在隧道尺的兩端分別安裝一水準(zhǔn)管，且保證水準(zhǔn)管的橫軸和隧道尺的橫軸平行。

圖1 隧道斷面測(cè)量尺用于隧道斷面測(cè)量

在斷面施測(cè)過程中，把隧道斷面尺放在隧道壁上，隧道壁干凈、光潔，根據(jù)水準(zhǔn)管來調(diào)平斷面測(cè)量尺，反射片中心既為隧道中心。在隧道內(nèi)控制點(diǎn)架設(shè)全站儀測(cè)量反射片的三維坐標(biāo)，平面坐標(biāo)既為隧道中心線坐標(biāo)，高程坐標(biāo)減去反射片中心到拱底的距離既為隧道中心線對(duì)應(yīng)拱底標(biāo)高。該三維標(biāo)高對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)值可以算出隧道斷面在三維方向的偏差量。

具體實(shí)施步驟:

1)把隧道斷面尺打開，平放在隧道壁上，并保證隧道壁干凈、光潔，根據(jù)水準(zhǔn)管來調(diào)平斷面測(cè)量尺，測(cè)量專用反射片朝向測(cè)量?jī)x器;

2)在隧道內(nèi)控制點(diǎn)架設(shè)全站儀測(cè)量反射片中心三維坐標(biāo);

3)反射片平面坐標(biāo)既為隧道中心線坐標(biāo)，高程坐標(biāo)減去反射片中心到拱底的距離既為隧道中心線對(duì)應(yīng)拱底標(biāo)高;

4)根據(jù)隧道實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)可以算出隧道斷面在三維方向的偏差量。

三、自制隧道斷面尺裝置構(gòu)造介紹

通過筆者所在單位地鐵7號(hào)線、6號(hào)線二期斷面測(cè)量中大量實(shí)踐摸索，試制了若干把不同構(gòu)造的斷面測(cè)量尺，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用過程中反饋信息進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最終定型為下圖形制，圖2—圖4為隧道斷面測(cè)量尺設(shè)計(jì)圖，圖5為自制隧道斷面測(cè)量尺照片。

圖2 隧道斷面測(cè)量尺正面圖

圖2中1為第一反光條，2為測(cè)量專用反射片，3為第二反光條。

圖3 隧道斷面測(cè)量尺俯視圖

圖3中1為第一反光條，3為第二反光條，4為第一水準(zhǔn)管，5為第二水準(zhǔn)管，6為門軸式對(duì)折裝置。

圖4 隧道斷面測(cè)量尺俯視圖(折疊后)

圖4中1為第一反光條，3為第二反光條，4為第一水準(zhǔn)管，5為第二水準(zhǔn)管，6為門軸式對(duì)折裝置

圖5 自制隧道斷面測(cè)量尺照片(半折疊)

本隧道斷面測(cè)量尺主要有以下幾個(gè)部分組成:

1)測(cè)量尺主體，為中空的方形鋁合金材質(zhì)，重量約3 kg，規(guī)格為3000 mm×60 mm×30 mm(長(zhǎng)、寬、厚)，長(zhǎng)度可根據(jù)隧道直徑進(jìn)行調(diào)整，長(zhǎng)度宜大于隧道半徑小于隧道直徑。

2)測(cè)量專用反射片，斷面尺中心和反射片中心必須精確重合。在全站儀激光測(cè)距時(shí)，測(cè)量專用反射片用于反射激光，測(cè)距時(shí)全站儀須精確瞄準(zhǔn)反射片中心進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)量專用反射片為常見的測(cè)量專用設(shè)備，市場(chǎng)上較易買到。

3)水準(zhǔn)管，兩個(gè)水準(zhǔn)管分別對(duì)稱設(shè)計(jì)在測(cè)量尺兩端，用于測(cè)量過程中的整平。水準(zhǔn)管帶有微調(diào)裝置，保證水準(zhǔn)管和測(cè)量尺主體軸線平行。

4)門軸式對(duì)折裝置，采用中部對(duì)折設(shè)計(jì)，對(duì)折后長(zhǎng)度1．5 m，便于運(yùn)輸和攜帶。門軸式對(duì)折裝置用螺絲固定在兩半截測(cè)量尺主體上，加工時(shí)確保兩半截測(cè)量尺左右對(duì)稱。該門軸式對(duì)折裝置相對(duì)于其他裝置(如抽拉式)可更方便保證測(cè)量尺主體的左右對(duì)稱性。

5)反光條，位于測(cè)量尺兩端頭，在昏暗的隧道內(nèi)起到警示作用，便于找尋目標(biāo)及規(guī)避損壞。

四、若干問題解決方案

1．?dāng)嗝胬锍檀_定

使用斷面測(cè)量尺進(jìn)行斷面測(cè)量時(shí)，被測(cè)隧道位置的里程在現(xiàn)場(chǎng)是無(wú)法確定的，但是只有知道了隧道里程才能確定隧道斷面設(shè)計(jì)要素，這些設(shè)計(jì)要素是用來判斷隧道限界的必要條件，所以測(cè)量人員必須準(zhǔn)確確定被測(cè)位置里程［2］。在外業(yè)施測(cè)過程中，測(cè)量人員根據(jù)管片環(huán)數(shù)估計(jì)出被測(cè)位置的初略里程，在內(nèi)業(yè)過程中，把實(shí)測(cè)出的斷面尺的中心平面坐標(biāo)(y，x)點(diǎn)位展在地鐵隧道線路設(shè)計(jì)圖(后綴為．dwg電子版圖)上，再?gòu)脑擖c(diǎn)向線路中心線做垂線，垂足即為里程位置，從最近的圖上百米里程樁量距的方法可得到該點(diǎn)位的準(zhǔn)確里程。

2．?dāng)嗝鏅M向偏差確定

上文提到的斷面尺的中心平面坐標(biāo)點(diǎn)位展示在地鐵隧道線路設(shè)計(jì)圖上，如果點(diǎn)位剛好落在隧道中心線上表示隧道開挖沒有橫向偏差;如果點(diǎn)位落在隧道中心線左側(cè)或右側(cè)表示隧道沿橫向向左或向右發(fā)生了偏差;從該點(diǎn)位向線路中心線做垂線，垂距即為斷面橫向偏差量。但是要注意非直線隧道的隧道中心線和線路中心線是有一定偏差的，在非直線隧道斷面測(cè)量計(jì)算中，垂距減去該兩中心線偏差既為斷面橫向偏差。

3．?dāng)嗝婵v向偏差確定

隧道偏差除了橫向偏差還有沿高程方向的縱向偏差，縱向偏差的控制也是隧道質(zhì)量判斷的重要依據(jù)。在確定被測(cè)點(diǎn)位準(zhǔn)確里程的基礎(chǔ)上，根據(jù)隧道設(shè)計(jì)縱剖面圖計(jì)算出該里程對(duì)應(yīng)的軌面高程，再根據(jù)隧道斷面設(shè)計(jì)圖計(jì)算隧道面到隧道底部或拱頂?shù)脑O(shè)計(jì)標(biāo)高。設(shè)計(jì)標(biāo)高和隧道斷面測(cè)量尺測(cè)出的隧道底部或拱頂?shù)膶?shí)際標(biāo)高進(jìn)行比對(duì)，可計(jì)算出隧道斷面縱向偏差方向及偏差量。

4．隧道的橢化變形

使用該隧道斷面測(cè)量尺進(jìn)行圓形隧道斷面測(cè)量，是假設(shè)該隧道斷面為一個(gè)理論的標(biāo)準(zhǔn)圓形，但是在實(shí)際工程中，由于受土壓影響、水壓影響、管片拼裝等因素影響，隧道斷面不可能完全是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓形。根據(jù)筆者所在單位測(cè)量的大量圓形隧道斷面圖來分析，由于圓形隧道變形主要因素來自于隧道拱頂土壓影響，圓形隧道斷面基本有一上下略扁1～5 cm的橢化變形。該橢化變形是沿縱向方向發(fā)生的，基本不會(huì)對(duì)隧道橫向偏差造成影響，但是可能會(huì)對(duì)隧道的縱向偏差的判定造成一定影響。解決該問題辦法:筆者所在單位采用在隧道斷面測(cè)量尺中心、中心兩側(cè)各0．5 m、中心兩側(cè)各1 m等位置分別測(cè)量出對(duì)應(yīng)該位置隧道頂和隧道底部的實(shí)測(cè)值，該測(cè)量值可以和設(shè)計(jì)值進(jìn)行比對(duì)，既可以計(jì)算出斷面縱向偏差量也可以計(jì)算出圓形隧道的橢化變形值，用于隧道限界判斷。

五、結(jié) 論

該隧道斷面測(cè)量尺裝置經(jīng)過使用過程中的多次改良基本定型為本文所介紹形制，且經(jīng)過大量的隧道斷面測(cè)量實(shí)踐，該裝置有以下優(yōu)點(diǎn):

1)該形制隧道斷面測(cè)量尺裝置基本能夠滿足所有圓形隧道斷面測(cè)量，根據(jù)隧道直徑大小可以調(diào)節(jié)隧道測(cè)量尺長(zhǎng)度;

2)該裝置在使用過程中受外部施工干擾較小，無(wú)論在盾構(gòu)推進(jìn)階段還是在隧道運(yùn)營(yíng)階段，外部障礙物相對(duì)其他測(cè)量方法影響較小;

3)操作簡(jiǎn)單易行，減少外業(yè)工作強(qiáng)度，外業(yè)效率得到極大提高，便于大規(guī)模開展斷面測(cè)量;

4)攜帶和運(yùn)輸方便，一把尺子可以在不同工地上使用;

5)且筆者所在公司在使用過程中遇到的一系列問題，摸索出一整套解決方案，為大批量的內(nèi)業(yè)處理及保證最終數(shù)據(jù)精度奠定基礎(chǔ)。

［1］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部．GB 50308—2008城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．

［2］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部．GB 50026—2007工程測(cè)量規(guī)范［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2007．