自制隧道断面测量尺装置构造介绍及应用过程中一系列问题解决方案

2015-03-29殷文彦

测绘通报 2015年1期

殷文彦

(北京市勘察设计研究院有限公司工程测量所，北京100038)

一、应用背景

按照相关规范要求［1－2］，在地铁工程测量中地铁隧道应直线段每6 m、曲线段每5 m测量一个断面，结构横断面变化处和施工偏差较大段应加测断面，所以隧道断面测量是一项工作量很大的测量工作。同时断面测量要求测出的成果能够反映隧道在三维方向的偏差量，是一项三维测量，难度较大。该断面测量是在施工阶段隧道内进行的测量工作，受隧道恶劣的环境干扰较大。

结合以上几个方面，研制出一套简单、易行、方便、好用的断面测量装置，既能准确测量隧道三维位置，又能提高效率、减少外部干扰，在断面测量中显得尤为必要。下文介绍的笔者所在单位研制的隧道断面测量尺装置基本满足了上述要求。

二、使用原理

地铁隧道断面形式中基本有3种形式:圆形、马蹄形、矩形。尤其是近几年盾构施工的大量普及，圆形隧道逐渐占据断面形式的绝大多数。在北京地铁圆形隧道基本上都是内径为5．4 m、外径6 m圆形断面形式(图1)，在理想情况下，施工完毕的圆形隧道内部断面是个直径为5．4 m的标准圆，所以该圆形隧道的断面测量的关键是精确测出隧道中心线对应平面位置及隧道中心线对应拱顶或拱底标高。可以根据圆形隧道的对称结构，利用某一装置在成型的隧道中精确标定出隧道中线的位置，采用测量仪器采集其对应的三维坐标即可满足断面测量数据采集的基本要求。

如图1所示，隧道测量尺装置主体为3 m长度的铝合金方形管材，隧道尺中心位置安装一反射片，反射片中心对应铝合金管材的中心位置，在隧道尺的两端分别安装一水准管，且保证水准管的横轴和隧道尺的横轴平行。

图1 隧道断面测量尺用于隧道断面测量

在断面施测过程中，把隧道断面尺放在隧道壁上，隧道壁干净、光洁，根据水准管来调平断面测量尺，反射片中心既为隧道中心。在隧道内控制点架设全站仪测量反射片的三维坐标，平面坐标既为隧道中心线坐标，高程坐标减去反射片中心到拱底的距离既为隧道中心线对应拱底标高。该三维标高对应设计值可以算出隧道断面在三维方向的偏差量。

具体实施步骤:

1)把隧道断面尺打开，平放在隧道壁上，并保证隧道壁干净、光洁，根据水准管来调平断面测量尺，测量专用反射片朝向测量仪器;

2)在隧道内控制点架设全站仪测量反射片中心三维坐标;

3)反射片平面坐标既为隧道中心线坐标，高程坐标减去反射片中心到拱底的距离既为隧道中心线对应拱底标高;

4)根据隧道实测三维坐标可以算出隧道断面在三维方向的偏差量。

三、自制隧道断面尺装置构造介绍

通过笔者所在单位地铁7号线、6号线二期断面测量中大量实践摸索，试制了若干把不同构造的断面测量尺，并根据现场使用过程中反馈信息进行优化改进，最终定型为下图形制，图2—图4为隧道断面测量尺设计图，图5为自制隧道断面测量尺照片。

图2 隧道断面测量尺正面图

图2中1为第一反光条，2为测量专用反射片，3为第二反光条。

图3 隧道断面测量尺俯视图

图3中1为第一反光条，3为第二反光条，4为第一水准管，5为第二水准管，6为门轴式对折装置。

图4 隧道断面测量尺俯视图(折叠后)

图4中1为第一反光条，3为第二反光条，4为第一水准管，5为第二水准管，6为门轴式对折装置

图5 自制隧道断面测量尺照片(半折叠)

本隧道断面测量尺主要有以下几个部分组成:

1)测量尺主体，为中空的方形铝合金材质，重量约3 kg，规格为3000 mm×60 mm×30 mm(长、宽、厚)，长度可根据隧道直径进行调整，长度宜大于隧道半径小于隧道直径。

2)测量专用反射片，断面尺中心和反射片中心必须精确重合。在全站仪激光测距时，测量专用反射片用于反射激光，测距时全站仪须精确瞄准反射片中心进行测量。该测量专用反射片为常见的测量专用设备，市场上较易买到。

3)水准管，两个水准管分别对称设计在测量尺两端，用于测量过程中的整平。水准管带有微调装置，保证水准管和测量尺主体轴线平行。

4)门轴式对折装置，采用中部对折设计，对折后长度1．5 m，便于运输和携带。门轴式对折装置用螺丝固定在两半截测量尺主体上，加工时确保两半截测量尺左右对称。该门轴式对折装置相对于其他装置(如抽拉式)可更方便保证测量尺主体的左右对称性。

5)反光条，位于测量尺两端头，在昏暗的隧道内起到警示作用，便于找寻目标及规避损坏。

四、若干问题解决方案

1．断面里程确定

使用断面测量尺进行断面测量时，被测隧道位置的里程在现场是无法确定的，但是只有知道了隧道里程才能确定隧道断面设计要素，这些设计要素是用来判断隧道限界的必要条件，所以测量人员必须准确确定被测位置里程［2］。在外业施测过程中，测量人员根据管片环数估计出被测位置的初略里程，在内业过程中，把实测出的断面尺的中心平面坐标(y，x)点位展在地铁隧道线路设计图(后缀为．dwg电子版图)上，再从该点向线路中心线做垂线，垂足即为里程位置，从最近的图上百米里程桩量距的方法可得到该点位的准确里程。

2．断面横向偏差确定

上文提到的断面尺的中心平面坐标点位展示在地铁隧道线路设计图上，如果点位刚好落在隧道中心线上表示隧道开挖没有横向偏差;如果点位落在隧道中心线左侧或右侧表示隧道沿横向向左或向右发生了偏差;从该点位向线路中心线做垂线，垂距即为断面横向偏差量。但是要注意非直线隧道的隧道中心线和线路中心线是有一定偏差的，在非直线隧道断面测量计算中，垂距减去该两中心线偏差既为断面横向偏差。

3．断面纵向偏差确定

隧道偏差除了横向偏差还有沿高程方向的纵向偏差，纵向偏差的控制也是隧道质量判断的重要依据。在确定被测点位准确里程的基础上，根据隧道设计纵剖面图计算出该里程对应的轨面高程，再根据隧道断面设计图计算隧道面到隧道底部或拱顶的设计标高。设计标高和隧道断面测量尺测出的隧道底部或拱顶的实际标高进行比对，可计算出隧道断面纵向偏差方向及偏差量。

4．隧道的椭化变形

使用该隧道断面测量尺进行圆形隧道断面测量，是假设该隧道断面为一个理论的标准圆形，但是在实际工程中，由于受土压影响、水压影响、管片拼装等因素影响，隧道断面不可能完全是个标准圆形。根据笔者所在单位测量的大量圆形隧道断面图来分析，由于圆形隧道变形主要因素来自于隧道拱顶土压影响，圆形隧道断面基本有一上下略扁1～5 cm的椭化变形。该椭化变形是沿纵向方向发生的，基本不会对隧道横向偏差造成影响，但是可能会对隧道的纵向偏差的判定造成一定影响。解决该问题办法:笔者所在单位采用在隧道断面测量尺中心、中心两侧各0．5 m、中心两侧各1 m等位置分别测量出对应该位置隧道顶和隧道底部的实测值，该测量值可以和设计值进行比对，既可以计算出断面纵向偏差量也可以计算出圆形隧道的椭化变形值，用于隧道限界判断。