隧道断面测量方法对比分析

滕 华

(上海市测绘院，上海 200063)

0 引言

隧道开挖是隧道施工的重要工序，控制断面开挖质量是缩短工期和降低造价的关键工序。超挖过多，不仅因出渣量和衬砌量增多而提高工程造价，而且由于局部超挖会产生应力集中问题，影响围岩稳定性;而欠挖则直接影响到衬砌厚度，对隧道质量及后期运营产生安全隐患［1，2］。因此超欠挖控制是隧道施工质量评定的重要内容之一，进行超欠挖控制的方法是使用测量仪器观测隧道断面若干个点，形成实际的开挖轮廓线，并在同一坐标系中与设计轮廓线进行比较，从而获取断面的超欠挖量和部位，及时指导下一步施工。

隧道断面的测量方面总体来说可以分为人工测量方法和自动测量方法，人工方法由于效率低，危险程度高，目前基本已被淘汰。现在隧道进行断面测量大都使用测量仪器进行自动观测，并使用后处理软件进行自动处理数据，生成超欠挖报告，断面面积图等。断面测量方法根据使用仪器类型的不同，可分为断面仪法、全站仪法以及三维激光扫描仪法。

1 断面仪法

激光断面仪是建立在无合作目标可见光激光测距技术和精密数字测角技术之上，采用极坐标测量法与计算机技术紧密相结合的光机电一体化产品，加上专门设计的外业掌上电脑控制软件及微机图像后处理软件，能迅速得到隧道断面实际测量曲线图并与标准设计图进行对比可以快速给出超欠挖等参数的检测报告，断面仪测量方法以操作简单、准确率高、图像直观在近年来的隧道断面测量中得到了广泛的应用［3］。

断面仪法进行隧道断面测量时，首先将激光断面仪定位于隧道的轴线点上，调试仪器使得测量头处于垂直于隧道轴线处的位置。设置好隧道断面的起始、终止测量角度及所测点数后，软件控制测头以某物理方向(如水平方向)为起算方向，按一定间距(角度或距离)依次一一测定仪器旋转中心与实际开挖轮廓线的交点之间的矢径(距离)及该矢径与水平方向的夹角，将这些矢径端点依次相连即可获得实际开挖的轮廓线。通过洞内的施工控制导线可以获得断面仪的定点定向数据，在计算软件的帮助下自动完成实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的三维匹配，最后形成超欠挖输出图形。

断面仪法的优点是仪器价格便宜，操作简单，对作业人员要求低，缺点是架站时需要放样出线路中线点，测量断面个数多时效率低。断面仪法是目前隧道断面测量最常用的方法之一。

2 全站仪法

全站仪法目前主要使用高精度全站仪搭配机载测量软件或PDA测量软件进行数据自动采集，然后通过后处理软件进行数据处理。其中，全站仪机载程序法是在测量机器人上进行二次开发，通过机载软件控制仪器自动采集数据，该方法对仪器设备及操作人员要求较高，但使用的全站仪不仅仅可以用来测断面，也可以用于其他测量工作，且采集少量断面时速度快、精度高，因此该方法越来越多的应用于隧道工程中［4，5］。

2.1 作业流程

1)输入设计要素。

在后处理软件中新建工程，填写工程属性，输入设计曲线要素，包括平曲线要素、竖曲线要素和设计断面类型及起始里程，保存工程后把文件保存在CF卡中并装入全站仪。

2)外业现场测量。

在隧道内合适位置设站定向，运行断面测量软件，进行相关配置，如测量起始角度、断面类型、步进长度及方式、搜索范围、测量限差等，然后输入待测断面里程进行测量。

3)内业数据处理。

在后处理软件中打开设计文件，并导入外业实测数据，进行超欠挖计算，并输出相关图形报表。

2.2 数据采集的数学模型

1)测定测站A的三维坐标。

可以有两种方法测定测站A的三维坐标，一是通过导线的方法测定测站A(仪器中心)的三维坐标;另一种方法是通过自由设站法的方法联测两个以上的控制点，从而解算出测站A的三维坐标。如果有条件的情况下推荐自由设站法，可增加观测数据的检核条件。获得了测站A的三维坐标之后，可根据设计线路数据计算A的精确里程。

图1为全站仪法的外业测量示意图。

图1 全站仪法外业测量示意图

2)隧道断面数据采集。

横断面的采集原理是通过极坐标的方法测量各待测点Pi的斜距S、水平角A和天顶距T，然后计算各横断面点的三维坐标。系统通常设定一定的角度作为全站仪的扫描步长进行自动测量。所以Pi的三维坐标计算公式为:

3)断面坐标系转换。

为了计算方便，需要建立横断面坐标系。该坐标系以横断面测点A对应的线路中心点P0的位置为原点，坐标系以P0为坐标原点。横断面坐标系为位于横断面内的二维坐标系，其中y轴平行于水平面，x轴平行于原Z轴，所以横断面坐标为:

式中:SiA——Pi之间A的斜距;

TiA——Pi，A 的天顶距;

(Xi，Yi，Zi)——Pi的三维坐标;

(X0，Y0)——线路中心点 P0的坐标。

式中规定当测站在线路中心的左边时取负号，右边取正号(以线路前进方向为准)。

3 三维激光扫描仪法

三维激光扫描仪测量是近几年应用于隧道工程测量的新型测量技术，它是一种通过发射激光来扫描获取被测物体表面三维坐标和反射光强度的仪器，是一种无接触式主动测量系统。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势［6，7］。应用三维激光扫描仪进行隧道断面测量的过程如下。

3.1 外业数据采集

1)设计隧道内导线与水准测量方案，根据使用的激光扫描仪性能参数及现场环境设定扫描站间距、扫描点密度，保证各测站之间具有一定的扫描重叠度。

2)进行隧道内导线和水准测量，利用扫描仪特有的标靶进行三维坐标的传递。

3)同步进行隧道三维激光扫描，获取隧道三维点云数据，同时也获取标靶点云数据。

3.2 数据预处理

1)计算标靶三维坐标:利用导线和水准测量的成果，进行标靶三维坐标的计算。

2)点云拼接:根据标靶三维坐标将每个测站的点云数据归算到隧道施工使用的三维坐标系统中。

3)剔除噪声数据:根据隧道设计数据(平曲线、竖曲线和设计断面)，剔除隧道壁外的噪声数据。噪声数据主要是盾构管片的连接螺栓孔、螺帽、注浆孔及电缆、照明设备和其他附着在管壁上的设施。

3.3 三维模型建立

根据预处理后的点云数据生成隧道内壁三维模型见图2。

3.4 断面分析及成果输出

根据设定的断面间隔提取断面，软件自动形成断面超欠挖分析图及报告。

4 三种方法对比

综合对比分析三种常见隧道断面测量方法，各方法的特点如表1所示。

图2 激光扫描隧道三维模型

表1 三种隧道断面测量方法特点

5 结语

目前隧道断面测量使用的方法主要是断面仪法和全站仪法，三维激光扫描仪方法并没有得到广泛应用，究其原因，一方面是设备昂贵，另一方面是该方法后处理过程繁琐，对作业人员技术要求较高。但是在外业高密度采集大量断面时，三维激光扫描仪的速度明显高于断面仪法和全站仪法，且生成的点云数据可以构建三维模型，可以更好的服务于隧道的健康监测，是未来隧道断面测量的趋势。

［1］熊维海.隧道断面测量技术［J］.中国测试技术，2004(3)：41-43.

［2］陈建勋，马建泰.隧道工程试验检测技术［M］.北京：人民交通出版社，2004：14-21.

［3］曾辉辉，朱本珍.激光断面仪在隧道衬砌厚度检测中的应用［J］.铁道建筑，2006(9)：38-39.

［4］曹体涛.基于智能全站仪的隧道断面自动测量方法及其软件的研究［D］.成都：西南交通大学，2008.

［5］孙 昊，姚联璧，谢义林.隧道断面收敛测量与数据处理［J］.工程勘察，2010(11)：70-74.

［6］侯海民.三维激光扫描仪在青岛胶州湾海底隧道的应用［J］.隧道建设，2010，30(6)：693-696.

［7］夏国芳，王晏民.三维激光扫描技术在隧道横纵断面测量中的应用研究［J］.北京建筑工程学院学报，2010，9(3)：21-24.