祝全兵，何勇君

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

0 引言

珠江三角洲水資源配置工程土建施工A7標承擔3個區(qū)間內(nèi)徑為5.4 m的圓形盾構隧道及二襯施工，根據(jù)《盾構法隧道施工與驗收規(guī)范（GB50446—2008）》和設計單位出具的斷面測量要求文件，水資源配置工程圓形盾構隧道按照直線段每7.5 m（5環(huán)）、曲線段每4.5 m（3環(huán)）測量一個斷面，A7標盾構隧道雙線全長約15 km，斷面測量數(shù)據(jù)成果要求反映平面和高程偏差量，每一個斷面需測量8個斷面點位。竣工斷面測量工作量大、難度大、時間緊。由于與隧道竣工驗收前的洞內(nèi)消缺工作同步進行，交叉施工和隧道惡劣環(huán)境對斷面測量工作的干擾也非常大[1]。

為了提高斷面測量工作效率與測量成果的精度，通過對各種相關規(guī)范和斷面測量設計要求文件的仔細閱讀研究。設計制作了適用此內(nèi)徑為5.4 m的圓形盾構隧道竣工斷面測量尺，它的應用減少了外部環(huán)境和施工干擾，且能準確測量計算出隧道斷面設計點位的三維坐標，大大提高了測量工作效率和精度。下文將詳細介紹此斷面測量尺的構造和實際應用。

1 技術原理及斷面測量尺構造介紹

珠江三角洲水資源配置工程的隧道為圓形盾構隧道，土建施工A7標承擔施工的盾構隧道為內(nèi)徑為5.4 m、外徑為6 m的圓形隧道，設計單位出具的斷面測量設計點位如圖1所示。

圖1 斷面測點布置圖

在理想情況下，通過管片拼裝后的隧道內(nèi)側斷面是內(nèi)徑為5.4m的標準圓[2]，按照設計要求，該隧道的斷面測量的關鍵是測出設計斷面點位的三維坐標。根據(jù)設計要求的45°一個點位的特點，利用特殊裝置在成型的隧道中精確標定出設計斷面點位的位置，通過全站儀測量出其對應的三維坐標就可完成斷面原始數(shù)據(jù)的采集工作。

如圖2所示，斷面測量尺整體為十字形不銹鋼結構，包括十字形不銹鋼框架尺、水準尺（水準管）和徠卡圓棱鏡，其特征是在不銹鋼框架上按特點參數(shù)安裝了3個徠卡圓棱鏡。水準尺（水準管）、徠卡圓棱鏡同十字形不銹鋼框架成為特定整體。

圖2 隧道斷面測量尺

本斷面測量尺主要由以下幾個部分組成。

（1）斷面測量尺主體，為3 cm×4 cm輕型不銹鋼“十”字形結構，重量約3 kg，根據(jù)本工程內(nèi)徑為5.4 m的隧道特制，整體結構為分別在長度為3.82 m的不銹鋼中心左右側分別焊接一個0.942m和一個0.79m同材質(zhì)的型材且保持相互垂直，在長為3.82 m型材兩端頭的同側和0.942 m型材端頭處垂直加焊長度為0.15 m的型材，類似于倒“L”形結構。

（2）水準尺（水準管），在十字形結構中長為3.82m的型材1/4處分別安裝水準尺（水準管）?？梢允琴徺I的水平尺成品，但應保證橫向和豎向方向都有水準管，確?？梢哉{(diào)整斷面測量尺在水平和垂直方向的精準安放；也可以是水準管自行安裝。水準尺（水準管）應保證在斷面測量過程中斷面測量尺的安放精度達到設計要求。

（3）徠卡圓棱鏡，圓棱鏡為徠卡GPH1全站儀GPR1棱鏡，常數(shù)為0mm，精度5s，能360°轉(zhuǎn)動。

（4）反光條，張貼于斷面測量尺尺身，目的是在昏暗的隧道內(nèi)起到警示作用，也方便于找尋目標。

2 使用步驟及方法

在竣工斷面測量工作時，斷面測量尺擺放位置為環(huán)縫交界處且沿設計里程方向的大里程一端。通過水準管調(diào)整斷面測量尺位置以確保斷面測量尺處于水平或豎直狀態(tài)的，測量過程中每一個斷面都應按照同樣的斷面設計點位順序進行測量（左上→左中→左下→底點（中線）→右下→右中→右上→頂點），這樣能保證采集到的數(shù)據(jù)的整體性、完整性及后期數(shù)據(jù)處理的方便簡潔。在隧道內(nèi)貫通控制點上架設全站儀測量每一個徠卡圓棱鏡的三維坐標，后期對三維坐標數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理后通過常數(shù)修正后得到的數(shù)據(jù)即為設計斷面點位實測數(shù)據(jù)值，通過與設計斷面數(shù)據(jù)的比較就可以得出實測斷面點位的偏差量，偏差量反映實際斷面與設計斷面的偏差限界情況[3]。

具體實施步驟如下。

（1）在隧洞內(nèi)的貫通控制點上架設好全站儀并進行設站和校核，把斷面測量尺安放在斷面所在環(huán)號的環(huán)縫交界處，根據(jù)水準管來調(diào)整并保證斷面測量尺的豎直，確保斷面測量尺完美卡住所測斷面的設計要求位置上，使用全站儀按照左上→左中→左下的測量順序測量出圓棱鏡的三維坐標，如圖3所示。

圖3 斷面測量尺安放順序1

（2）調(diào)整斷面測量尺的位置并整平，保證斷面測量尺的水平。如圖4所示，測量隧道的底點（中線）處的圓棱鏡坐標。

圖4 斷面測量尺安放順序2

（3）再次調(diào)整斷面測量尺的位置到隧道右側，使用全站儀按照右下→右中→右上的順序測量圓棱鏡的三維坐標（如圖5所示）。

圖5 斷面測量尺安放順序3

（4）由于頂部點位測不到，在此處采用全站儀的免棱鏡模式測量此點位的三維坐標，重復1、2、3的步驟測量出整個隧道的所有斷面數(shù)據(jù)。最后導出所有斷面原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理就可以得出整個隧道斷面的實測原始數(shù)據(jù)。

3 若干問題探討

3.1 斷面測量尺修正參數(shù)的確定

斷面測量尺在使用過程中，通過全站儀所測的三維坐標僅為圓棱鏡所在位置的三維坐標，不是斷面實際位置對應該設計點位的三維坐標數(shù)據(jù)，兩者之前有一個常數(shù)[4]。因此，斷面測量尺在設計時就要根據(jù)隧道內(nèi)徑和斷面測量尺的設計參數(shù)確定后期數(shù)據(jù)處理的修正常數(shù)，以確保經(jīng)過修正常數(shù)的修正之后的數(shù)據(jù)為斷面測量設計點位所對應位置的實際點位的實測數(shù)據(jù)[5]。此常數(shù)修正需在數(shù)據(jù)處理后，先計算出實測棱鏡數(shù)據(jù)相對設計中線的結果后再進行常數(shù)的修正，這樣得出來的數(shù)據(jù)即為斷面實際點位的實測數(shù)據(jù)，最后斷面數(shù)據(jù)成果見表1。

表1 竣工斷面數(shù)據(jù)

3.2 斷面數(shù)量及位置的確定

根據(jù)《盾構法隧道施工與驗收規(guī)范》（GB 50446—2008）和設計單位出具的斷面測量要求，水資源配置工程圓形盾構隧道按照直線段每7.5 m（5環(huán)）、曲線段每4.5 m（3環(huán)）測量一個斷面，先根據(jù)線路曲線要數(shù)表和逐樁坐標表計算出整個隧道需要測量的總斷面數(shù)量，同時結合里程和管片環(huán)號計算出每一個斷面所在的環(huán)號位置，最后對斷面數(shù)量和位置進行精確調(diào)整和設計。在外業(yè)測量開始前整理打印好斷面里程位置和環(huán)號數(shù)據(jù)，方便現(xiàn)場實測的時候能夠快速準確找到斷面所在位置。

3.3 隧道的橢化變形及橢圓度的計算

使用斷面測量尺進行盾構圓形隧道斷面測量工作時，實際上是假設該成型斷面為理想的標準圓，但實際施工中，應為管片外壁受到水壓、土壓影響以及管片拼裝質(zhì)量等外在因素影響，成型隧道斷面不可能是一個理想的標準圓[6]。根據(jù)對實際測量的原始數(shù)據(jù)進行分析，圓形盾構隧道產(chǎn)生變形的主要原因是受到隧道拱頂土壓的影響，因此竣工斷面大體上都會有上下略扁1～5 cm的橢化變形，這樣的橢化變形是沿著縱向方向發(fā)生的。在全站儀對斷面點位數(shù)據(jù)采集后，通過軟件對斷面所測點位進行橢圓擬合處理，橢圓采用二次曲線方程表示如下：

則式（1）可表示如下：

通常使用基于代數(shù)距離最小二乘法來對采集的斷面數(shù)據(jù)進行橢圓度擬合計算，公式（2）中v（m，ni，l）為斷面測點（xi，y）i至橢圓曲線v（m，n，l）=0的代數(shù)距離。以斷面上各點代數(shù)距離平方和最小值作為條件進行平差計算，解析出橢圓的各項參數(shù)如下式所示：

采用取極值對以上參數(shù)進行求導，得出以下計算式：

再由投影變換計算式解算出橢圓的幾何參數(shù)，例如橢圓中心坐標、長半軸（a）、短半軸（b）和旋轉(zhuǎn)角等參數(shù)。一般的橢圓度的計算公式為：橢圓度=（最大外徑-最小外徑）/標稱外徑*100%?？梢院喕癁闄E圓度=[長半軸（a） -短半軸（b）]/標稱外徑*100%?？紤]盾構成型隧道是管片拼裝而成，主要是拱頂?shù)纳喜繅毫τ绊?，因此在此處默認隧道在的變形主要在縱向方向。因此根據(jù)設計斷面點位要求，長半軸即為設計點位左中與右中的代數(shù)距離S1，短半軸為設計點位上與下的代數(shù)距離S2，因此橢圓度的計算再次簡化為：橢圓度=（S1-S2） /標稱外徑×100%。

4 結語

此圓形盾構隧道斷面測量尺經(jīng)過珠三角水資源配置工程A7標6個盾構隧道約15km的實際使用，在使用過程中不斷優(yōu)化改進，大大提高了斷面測量的工作效率和數(shù)據(jù)的精度。該斷面測量尺有以下優(yōu)點：

（1）該“十”字形斷面測量尺能夠滿足所有圓形隧道的竣工斷面測量工作，但是需要根據(jù)隧道內(nèi)徑大小和設計斷面測量要求制作主尺長度和確定對應的數(shù)據(jù)處理修正參數(shù)。

（2）該“十”字形斷面測量尺在現(xiàn)場實際使用中受外部施工環(huán)境的干擾較小，且測量距離長，穩(wěn)定性好，精度高。

（3）該“十”字形斷面測量尺操作簡單方便，大大減少了斷面測量外業(yè)工作的強度，斷面測量的工作效率極大提高，對大規(guī)模時間緊的竣工斷面測量工作十分有利。

（4）該“十”字形斷面測量尺所測數(shù)據(jù)精度高，后期數(shù)據(jù)處理簡單、方便、快捷，只需通過對計算軟件計算后的數(shù)據(jù)進行特定修正參數(shù)的修正。便于數(shù)據(jù)的整體大規(guī)模處理，簡化了數(shù)據(jù)處理的復雜程度和減少了數(shù)據(jù)處理的時間。

目前，隧道斷面測量使用的方法主要是斷面儀法和全站儀法，全站儀法主要缺點就是工作效率低、數(shù)據(jù)處理煩瑣、精度低的缺點。現(xiàn)使用自制的圓形隧道斷面測量尺配合全站儀進行斷面測量，完美地克服了以上缺點，挺高了經(jīng)濟效益。