全站仪在思林水电站隧洞施工测量中的应用

2010-12-08李勤刚

黄河水利职业技术学院学报 2010年4期

纪勇，李勤刚

（1.黄河水利职业技术学院，河南开封 475004；2.中国水利水电第九工程局，贵州贵阳 565100）

0 引言

思林水电站位于贵州省思南县城上游25 km 的乌江干流上，是以发电为主，兼顾航运、防洪、灌溉等的水利工程。该电站由碾压混凝土重力坝、左岸通航建筑物、右岸引水发电系统等组成。水电站地下厂房布置在右岸山体内，外形轮廓尺寸为189.8 m×27 m×74.76 m。进厂交通洞总长627.830 m，坡度为-6.1%。施工期间，布置2#和3#两条施工支洞。2#施工支洞总长515.160 m，坡度为-9.150%；3#施工支洞总长408.881 m，坡度为-9.70%。隧洞施工是思林水电站地下开挖工程的重要内容，其施工放样的速度和质量将直接影响工程的进度和质量。为了保证正常施工，在隧洞施工测量中应用了全站仪测量技术。

1 洞内外施工控制测量

1.1 洞外施工控制网测量

施工区左右两岸有贵阳勘测设计院布测的首级控制网。该网建于2004 年6 月至2004 年9 月，主要分为二等平面控制网和光电测距代替三等水准网。其中，二等平面控制网共有14 个点（观测墩），由72 个观测方向组成24 个三角形。为提高精度，还施测了19 条测距边。光电测距代替三等水准网共有21 个点、27 个测段，采用6 个结点，组成5 个闭合环和一条复合线路。施测所有点位的边长、角度、高差按《水电水利工程施工测量规范》、《国家三角测量和精密导线测量规范》、《中、短程光电测距规范》GB/T16818-1997 实施。

原有的控制网布设在左右两岸的山上，离施工现场比较远，不能满足施工测量的需要。根据右岸水电站平面布置及施工方案，选择有利的控制点作为思林水电站二级施工加密控制网已知点，布设成导线网形式。施测前，采用全站仪“差值法”对棱镜常数进行检测。在观测时，仪器要输入温度、气压和棱镜常数，并采用遮阳伞遮挡阳光，避免阳光直接照射仪器。

1.2 洞内施工控制测量

洞内施工控制测量主要有以下两个特点：（1）最初布设成支导线的形式，随着隧洞的开挖而逐渐向前延伸。为确保隧洞开挖的精度和准确性，定期与洞外控制点组成闭合导线来复核点位。（2）导线的形状取决于隧洞的形状、分级布设施工导线和基本导线。

思林水电站地下洞室由主洞、交通洞、排风洞、尾水洞等组成，且各洞室纵横交错。因此，洞内控制精度的高低直接影响到地下洞室群相互之间的贯通。要满足各地下洞室之间的相互关系，必须做好洞内的基本控制。根据现场情况，水电站地下工程布设成3 条支导线，第一条布置在厂房排风洞内，主要用于厂房一、二层开挖和主变排风洞开挖；第二条布置在进厂交通洞内，主要用于厂房第三层、主变运输通道、主变交通洞、绝缘油库和主变室开挖；第三条布置在尾水洞施工支洞内。由于隧洞内各施工作业相互干扰，粉尘较大、灯光照明较弱，影响了目标的照准精度。测量施测应选择在空气状况良好、施工干扰小的时间进行，以保证观测成像清晰及测量结果的精度和可靠性。导线点布设在沿洞壁两侧受施工干扰小的墙壁上，离地面1.2～1.5 m，基点应建成宽20 cm、长40 cm 的混凝土强制归心观测墩（如图1 所示）。

强制对中控制点基本消除了对中误差，观测采用徕卡TCR-702 型全站仪，测角精度为2"，测距精度为±2+2×10-6×D mm。施测前，测站及镜站要严格整平仪器，并测量记录仪器高及镜站高。每站观测完毕后，再次量取仪器高及镜站高，作为检查。平面控制按四等导线要求施测，在短边和长边变化处，增加左、右角的观测次数，以减小角度观测对横向误差的影响。高程控制按全站仪三角高程要求施测，等级为四等水准精度。

厂房一、二层开挖结束后，进厂交通洞、风机室、厂房、排风洞就贯通了。这时，通过在厂房加的两个过渡点把原来两条支导线连起来，组成了一条闭合导线环。该条闭合导线按照四等导线要求施测，主要技术要求为：测角中误差mβ=±2.5″，全长相对闭合差为1：45 000，方位角闭合差为经计算，测角中误差为mβ=1.33″，全长相对闭合差为1∶116 017，方位角闭合差-5.1″（限差±5=±20.6″），高差闭合差为-15.9 mm（限差值±20=±20=±30.46 mm）。计算成果合格，进入严密平差计算。平差后，直接显示各控制点的最终坐标和高程。

2 施工放样

思林水电站地下洞室开挖工作面较多，施工放样频率高、难度大，因此，放样的速度和质量直接影响到地下洞室的开挖进度。采用施工坐标系，可直接反映超欠挖情况，从而提高放样速度。

2.1 施工导线的测设

由于洞内爆破粉尘及施工机械的干扰，有时无法直接利用基本导线进行放样，这就需要布置施工导线点，进行传递施工。采用边角后方交会法进行导线延伸，基本解决了控制点破坏严重及已知点不通等实际困难。

边角后方交会控制点的测设过程为：（1）在基本导线点及掘进掌子面间的洞壁上布置施工导线点，并测量这些点的坐标。（2）在已知的基本导线点上架设免棱镜全站仪，采用一测回分别测出洞壁点的坐标和高程，然后各取平均值，以此作为该点的最终三维坐标。如图2 所示，A、B、C 点为已知施工导线点，P 点为设站未知点。以A、B 点为起算数据，采用全站仪后方交会法测定P 点三维坐标（取两次测定P 点坐标的平均值，以保证设站点的正确性），同时，利用C 点作为检查点。

图2 边角后方交会示意图Fig.2 Corner back intersection sketch

在实际施测中，开挖掘进掌子面需要随时放样，早期布设的洞壁点不可能一直作为放样时的已知点。这时，可以以洞壁上的控制点为基准点，采用边角后方交会的方法，得出测站点的仪器中心坐标，并以距离仪器较远的洞壁点为后视，继续在洞壁上布设新的洞壁施工导线点。需要说明的是，采用本法布设洞壁点一般仅可向前连续作2 次。限制的目的是为了防止后面延伸的洞壁点的精度过低，影响施工放样的精度。

2.2 厂房岩锚梁部位施工放样

2.2.1 岩台开挖放样

岩锚梁岩台开挖放样的重点是岩台以上的垂直孔（开挖边线）放样和岩台斜孔放样（如图3 所示）。垂直孔测量点间距为2～3 m，为防止欠挖，放样时比设计半径大5 cm。点位放完后，在边墙上标出统一的高程线，以便开挖时能严格控制钻孔深度。斜孔放样点间距控制在40～55 cm，放样时，用全站仪激光点直接打在岩面上，快速测出隧洞轮廓点的三维坐标，然后用卡西欧fx-4800P 编程计算器计算出的超欠值，再根据超欠值移动激光点，逐步放样到设计轮廓线上。根据经验，为了避免欠挖，所放点位的实际高程都比设计减低10 cm。装药前，还要对钻好的孔位一一复查。复查内容包括孔深、孔位。如孔位偏差超过5cm，该孔作废，孔深过长，要求在底部堵孔。

图3 垂直孔区、斜孔区横断面方向示意图Fig.3 Cross section direction sketch of vertical hole area and oblique hole area

2.2.2 锚杆放样

厂房岩锚梁锚杆共分3 排放样，每排角度都不相同。放样之前，对每排锚杆事先都编好了放样程序。放样时，先建立厂房施工坐标系（X 坐标为桩号，Y 坐标为半宽），然后用全站仪免棱镜测量方式直接测出X 坐标、Y 坐标和高程。把测出的Y 值和高程输入计算器，就会立即显示测点高程与设计高程的偏差值。根据高程偏差值和X 坐标与设计桩号的差值，移动激光点后再次测量，直到偏差值小于2cm时标出点位。安装锚杆之前，还应对锚杆外露长度进行放点（5 m 放一个点），其目的是放出统一的半径值。一般放样的都是距锚杆外露端头50 cm 的半径线，这样施工人员拉上线绳，安装锚杆时就可以很方便地控制外露长度。

2.2.3 混凝土模板放样与模板验收

由于预埋螺栓要求精度高，应施工前先选两个视野开阔的控制点，用于每次的放样或验收。测量时，应尽量做到架站在同一个点，后视另一个点，这样整个岩锚梁混凝土及预埋件相对位置就有了保障。放样及验收时，用徕卡小棱镜，并且小棱镜高度应尽可能降到最低，因为高度越低，晃动越小，测量精度越高。每次测距前，还要求观测人员把仪器内的棱镜常数改为17.5 mm。为了提高照准精度，要求观测人员照准时做到精益求精，即将十字丝竖丝照准小棱镜杆底端中心，然后微动竖直螺旋，当十字横丝精确照准小棱镜左右两边的占牌中心时，立即测量。一般放样岩锚梁模板偏差应控制在±10 mm，预埋螺栓距轨道中心和高程偏差应控制在±5 mm。验收时，若各偏差超过限差，要进行调整。

2.3 掌子面放样

由于测量仪器设备的改进更新，免棱镜全站仪在思林水电站施工放样中得到了广泛的应用，使采用后方交会设站进行掌子面放样成为可能。采用后方交会设站，仪器架站位置可根据现场的情况自由选择，架站灵活、速度快，受施工干扰小。用免棱镜功能直接测定掌子面放样点的三维坐标，并利用卡西欧fx-4800P 可编程计算器直接计算放样点与设计线的偏差移动点位（不管是圆洞、方洞、城门洞、渐变洞等，都提前按照设计参数编好放样程序），继续测定放样点的坐标，直到符合设计边线放样精度，再标定放样点。对于起拱点、拱顶点等特殊点，一定要明显标出。开挖轮廓线标出后，还要在洞顶画出开挖方向线，在掌子面画出设计底板的高程线。对于放样点间距，直边墙控制在60～100 cm 之间，圆弧部分控制在45～60 cm 之间，点位误差不大于3 cm。免棱镜功能的应用，大大提高了开挖轮廓点放样的工作效率，使施工放样基本不影响下一循环掘进作业。

2.4 导向线放样

曲线导向线定向是否准确，将直接影响隧洞的开挖方向和开挖工程量。常规的导向线放样采用中线法，该方法简单易行，但误差大。思林水电站地下洞室开挖采用了一种新的导向线放样方法，其具体放样如图4 所示。图中左边线的导向线假定是CA方向，开挖后终点在B 点，因BA 是弧上的一段弦长，因此左边导向线放样方法称为“弦线法”。开挖面轮廓线放完后，用全站仪测出左边线上A 点坐标，圆心点O 点坐标已知，用坐标反算，算出AO 方位角FAO，过A 点做圆弧的切线AG，那么FAG=FAO+90°，弧长AB 也就是钻孔深度，定位2.5 m，因此，FAB=FAGθ÷2。放样C 点时，在距开挖面1～2 m 的地方测点。假定测得的点为D 点，根据坐标反算，求得FAD和AD 长度，于是∠BAD=FAD-FAB。根据AD 的长度和∠BAD，用计算器中的“极坐标转化直角坐标”功能算出Δy（D 点与C 点的偏差值），这样，就可方便地找到C 点。右边线导向线EF 称为“切线法”，放样方法基本同弦线法。中心线导向线应采用弦线法。

图4 导向线测量新方法Fig.4 New method of directional line measuring

3 横断面图测绘

横断面图测绘系统由全站仪、计算机及其软件组成。在进行横断面测量前，先建立洞库坐标系统，并将各种所测数据传输到计算机，建立数据库。

3.1 测量原理

全站仪架在隧洞的中线上，测出断面上各点的水平角B、竖直角A 及斜距S，并换算出测点的高程和横、纵坐标。计算机根据此参数绘图，如图5 所示。

图5 全站仪架设定位图Fig.5 Total station erection positioning

图5中，测量点相对仪器水平线的高差h1=SsinA；测点自定义高差H=h1+I，I 为仪器高；测点自定义纵坐标Y=SsinB。

在测量过程中，因仪器架在中线上，故测点自定义横坐标X=0。计算机记录的数据有：方位角（控制与识别方向，测量的前进方向的方位角始终为180°）、水平角、竖直角和距离(斜距)S。

3.2 断面测量系统的应用

在进行断面测量时，全站仪架在测站上，瞄准后视点，输入方位角。启动全站仪免棱镜测量方式，照准目标，用白油漆（白油漆的光反射率较高）在待测断面上标出各测点。全站仪照准白油漆点直接测出各点的水平角、竖直角、斜距和高程，并将数据传入计算机处理。测点间距要求为：直墙段50～70 cm一个点，弧形段35～45 cm 一个点，拱角上下1 m 范围内15～25 cm 一个点。

横断面测量一般要求直线洞室每5 m 测量一个断面，曲线洞室每3 m 测一个断面。由于施工现场条件的限制，一个测站所测断面的数据是有限的，当无法进行下一个断面测量时，就要迁站。在此之前，依次测出后面要用到的测站坐标，然后搬到下一个测站，重复进行前面的工作。在施工现场完成测量之后，将各测量数据存入计算机，通过编辑、整理，及时将实测断面数据反馈给施工人员。作业人员应根据计算的超欠挖情况，及时调整开挖参数，以达到更好的开挖效果。

3.3 断面图绘制及竣工断面验收

断面测量数据采用全站仪自动记录，数据通过Leica survey office 软件及时下载至计算机，建立原始记录数据库。利用实测数据进行内业编辑处理，打开CAD 制图软件标定设计底板中心点高程，并将数据格式转换为CASS6.0 绘图识别的形式，然后采用CASS6.0 数字化成图系统，完成相应断面图的绘制。

断面测量系统的使用大大提高了绘制断面图的自动化程度。只要将整条隧洞设计纵坡参数及开挖设计断面类型录入系统，原始断面测量数据导入后，即可自动绘制断面图，并标定断面各点的超欠挖、理论断面面积、施测断面面积、超欠挖点平均值等，从而直观地反映隧洞开挖过程中的情况。

竣工断面验收资料是检查开挖质量的重要依据。验收时，直线段上采用免棱镜全站仪任意设站，一个测站可以施测多条断面；斜井段可用测地形图的形式测量，用Excel 电子计算表格编写断面计算程序对每一个地形点进行计算，然后将点组合起来，就构成一个完整的断面图。