大断面隧道快速测量方法.doc

轮廓线，使用的仪器和方法便成了重要因素。显然用一般的传统手工画断面轮廓线的方法不仅难度大而且误差也会超限，不能满足规范要求，超欠挖难以得到控制。用带有红外线的TCR402全站仪和CASIO FX-4800P计算器配合使用，便能克服以上困难，画出的轮廓线既快又准。一般在掌子面台车上有适当人数配合的情况下，只需十五分钟便可完成整个断面的测量和画轮廓线工作，准确无误，在作打风枪准备时便可完成，对循环时间毫无影响。本文将对本人在武广客运专线大断面隧道的测量计算方法作以分析和介绍。
二、工程概况
牛岭隧道为新建铁路武汉至广州客运专线重点隧道工程，设计时速为350km/小时及以上，位于广东省韶关市及清远市境内。隧道全长7588m，设计为单洞双线大断面隧道，最大开挖断面为14.86m×12.74m。
整条隧道在两条综合曲线上。我单位承建隧道在其中一条综合曲线上，交点里程为DIK2025+092.5，交点坐标为：X=2703291.1336米，Y=549355.4298米，曲线半径R=9005米，缓和曲线长L0=490米，切线长度T=3292.59米，曲线长度L=6366.6米，其为右偏曲线，转向角为37°23′27″，直缓点里程为：DIK2021+799.91，缓直点里程为：DIK2028+166.51，此段线路纵坡为-4.5‰，变坡点里程为：DK2020+400，变坡点高程为116.667米，竖曲线半径为30000米
          隧道全断面测量耗时、精度比较表                   表-1
仪器型号及配套设备
序号
画轮廓线方法
平均用时（min）
误差（cm）
TCR402（带有红外线），CASIO FX-4800计算器
1
圆心法
15
3-10
2
五寸台阶法
20
5-15
3
三维坐标法
15
0-1
普通不带红外线的全站仪，CASIO FX-4800计算器
4

三维坐标法
35
1-3

三、坐标系的建立
图-1是武广客运专线二级围岩开挖的隧道断面，垂直方向（高程）为纵轴，用P表示；水平方向（距隧道中线的距离）为横轴，用L表示，圆心高程用O表示，超欠挖值用S表示。
图-1
四、 数据采集
把全站仪置于测站点，对中、整平、后视后有针对性的对掌子面的特征点或者任意点进行测量，记录X、Y、Z三坐标。测站点应选在不被钻孔台车挡住视线的适当位置。可用有棱镜模式也可选用免棱镜模式测量。
五、 数据分析
根据测点的桩号计算线路的内轨顶面设计高程，通过线路的内轨顶面设计高程和隧道圆心的关系，计算隧道圆心的设计高程。测出开挖轮廓线上各个待测点坐标和高程并算出其到隧道中线的实测距离，根据所测高程算出理论断面在此高程时距隧道中线的距离，把实测值和理论值加以比较从而算出此点的水平超欠挖值。
六、数据处理
无论是哪一种线型均可用CASIO系列可编程计算器编一套由X、Y坐标反算出线路里程桩号、距中心线宽度，再由所测高程、距中心线宽度与理论轮廓线上点作比较算出超欠挖值的程序，使看似复杂的方法，变的非常简便。下面介绍一个适用于直线       隧道用FX-4800P编制的一套程序：
程序名：NLSD
      Lb1 0
      {E F P}：Prog“SJ”
      E“CDX”:F“CDY”:P“GAOCHENG”:
      D=√（(E-A)2+(F-B)2):
J=2tan-1((F-B)÷(D+E-A)):
J<0＝＞J=J+360:≠＞J=J:△
K=J-T:H=G+D*cosK:H“ZXZH=”▲
L=D*sink:L“JL=” ▲
C=116.667-（H-2020400）*4.5/1000：C“GUIMIAN=”▲
O=C+2.43▲
      P<O-0.43＝＞S=AbsL-（6.9+（P-（O-3.4））*0.06734: ≠＞S= AbsL-√((R2-(P-O) 2)) △  S“CQWZ=” ▲
      M=O-3.4：M“SUIDI=” ▲
      Q=O+7.1：Q“GONGDING=” ▲
      Goto 0
子程序名：SJ
A=2707480.606：B=549196.059：T=177°51′20″：G=2020900
  另外，在计算拱顶部位超欠挖时，在水平方向上量超欠挖值，误差较大，可在垂直方向上计算量取，只需在程序末语句Goto 0前加一条语句：
       M=√（R2-L2）-（P-O）▲  即可。
E—实测X坐标
F—实测Y坐标
P—实测点高程
R—圆半径，如图-1示这里值应为7.1米
O—所测里程的圆心设计高程
A—直线起点X坐标
B—直线起点Y坐标
T—路线前进方向方位角
G—直线起点里程
ZXZH—所测点桩号
JL—所测点到线路中心线距离，负值为线路左侧，正值为线路右侧
CQWZ—水平方向上超欠挖值，值为“+”时为超挖，为“-”时为欠挖
M—竖直方向超欠挖值，M为正值时表示欠挖，应往上量取；为负值是表示超挖应往下量取。
程序里的0.43是如图-1示的圆心至起拱线距离，7.1为圆心半径，3.4为圆心至隧底高度，6.9为隧底边墙至隧道中心线距离，116.667为变坡点高程，2020400为变坡点桩号，即2020+400
例：
 所测掌子面任意一点数据为：X=2706591.4，Y=549232.00，高程P=119.4
运行计算器所得结果依次显示为：

ZXZH=2021789.928
 JL=-2.643
 GUIMIAN=110.412
 O=112.842
 SUIDI=109.442
 GONGDING=119.942
 CQWZ=-0.079

若点在圆曲线上只需更改反算桩号和距中线距离的程序即可。这里只做简单分析，在圆曲线上选任意点B，为起算里程，坐标反算分别求得，测站A，起算点B，到圆心的距离和方位角，两方位角之差（OA-OB=a）和半径计算曲线长L,B点里程加L等于C点里程,测站至圆心的距离减半径等于测站至中线距离.测量参数见图-2.L由下列公式求得.
L=∏Ra/180
式中L-弧长
    R-半径
    a-圆心角
   若点在缓和曲线上时可采用近似法,也可完全满足测量精度要求.在测站前后的线路上,各选一距离合适的点做为计算点,把两点当作直线看,按直线计算即可。测点见图-3所示。若精度要求较高可用缓和曲线上由坐标算出里程和偏距的程序，因程序内容较复杂这里不再叙述。
经常用此程序时可以把已知数据列入一个数据库，每次运行程序时即会自动调用数据库，不需每次输入已知数据。这样只需输入X坐标Y坐标和高程三个值便可算出所需要的超欠挖值，从而画出轮廓线，方便、快捷、准确。同时还可以得出同一里程的理论拱顶高程、圆心高程、轨面高程、隧底高程。
七、结语
这种三维坐标断面测量法在隧道施工测量中，不需要专用的软件，且更为方便、快捷、准确、实用。如有可编程全站仪，测量结果可直接显示超欠挖值。是隧道掌子面画轮廓线测量工作可选用方法之一。也适用于检查隧道的初期支护、二衬的断面超欠挖，能边测量边出成果，一次置镜能有效的测量全部特征点和任意点，可根据面积与点数的频率进行测量。及时正确的指导施工。为隧道的提前贯通和节约成本提供了有力的保障。更适用于业主监理部门的检查工作。同时测量人员也从繁忙的工作中得到了解放。