工程隧洞断面测绘的改进方法研究

2016-12-05王斐祺佛山市城市规划勘测设计研究院广东佛山

低碳世界 2016年22期

王斐祺（佛山市城市规划勘测设计研究院，广东佛山）

工程隧洞断面测绘的改进方法研究

王斐祺（佛山市城市规划勘测设计研究院，广东佛山）

传统的隧洞断面测绘方法中，数据采集和断面绘图方式的程序较为复杂，导致工作量大、工作效率低，且对没有进过衬砌的隧洞来说，具有很大的危险。因此，对工程隧洞的断面测绘方法进行改进是十分必要的。本文简要介绍了隧洞横断面的特点和测量的困难，隧洞工程中施工控制点的布设问题，最后总结了免棱镜全站仪测量、AMT.3000断面仪、CASS6.0配合免棱镜全站仪、利用图像处理的4种隧洞断面测量改进方法。

隧洞；断面测绘；改进方法

断面测绘工作是隧洞工程中非常重要的环节，而传统的断面测绘作业方式，具有外业测量程序复杂、定位的精度较低，内业的数据处理工作任务量庞大、效率也很低，归其主要问题是传统的测绘方法和对其进行数据整理分析工作存在很大的局限性。因此，为了提升该工作的工作效率和最终的精确度，必须结合先进的测量仪器对测量的方式进行改进，来提高绘图和数据分析的效率。

1 隧洞横断面的特点和测量的困难

隧洞断面主要有两大特点，其一是形状的多元化，第二是面积比较大。隧洞的这些特点给传统的断面测绘方法造成了困扰，导致有些不能测量，像使用传统的水准仪或经纬仪的测量方法不能对某些疏导洞的断面进行测绘。随着科学技术的发展，电子测量仪在隧洞断面测量上被广泛使用，但其仍然存在某些局限性：①内部作业仍然使用手工方法对断面进行绘制；②棱镜的放置位置不会在同一个断面，导致产生较大的误差；③棱镜的放置位置不易选取，尤其是面积比较大的隧洞，经常借助吊车等机械设备。

2 GPS布设隧洞工程控制网

隧洞工程控制网的建立与其它工程的基本类似，通常设为独立网形式。主要依据是隧洞的环境/地形条件、自身的长度、现有的仪器设备以及规定的贯通误差等。

通过GPS定位技术建设隧洞的平面控制网具有很多优势：①建立网的效率比较高，与三角网相比，观测工作可提高5～10倍；②GPS网对图形夹角或条件要求较低，选布点间距和点位较为随意，仅仅在隧洞口处布设可以互相通视的控制点即可；③计算、检查的工作量比三角网降低很多，并且极易符合规范的要求；④不管隧洞长短，均可应用，适用的范围较广。

3 隧洞断面测量改进方法的研究

3.1 采用免棱镜全站仪测量，并使用Excel、AutoCAD软件绘制断面图

3.1.1 数据收集的方法

数据收集主要是通过激光的方式进行，采用坐标系进行定位，X轴是隧洞的洞室轴线，原点是洞室轴线的起始点。

3.1.2 绘制断面图

在对实地的数据进行测量后，将全站仪连接在计算机上，打开全站仪办公软件，将数据导入Excel表中。断面图体现的是垂直洞室轴线的二维的平面，即Y值和H值。因此，在隧洞断面的Y值很相似时候，应依照桩号把每个断面的Y值的固定系数进行递增产生断面间距，但是应该保持同一断面不同点Y值所加的数值相同，避免在自动绘制断面图时出现重叠的现象（见图1）。

图1 绘制的断面图

3.1.3 该方法的优点

综合来看，上述方法是一种可行使用、作业效率高的隧洞断面测绘的方法。

其优势具体表现为：①利用AutoCAD进行自动绘制断面图，解决了手工绘图的麻烦，降低了内业工作任务；②提高了外业作业时的定位准确度，应用先进的电子设备，使测量程序简单化，通常只需2名外业测量工作人员；③所测数据具有较好的直观性，不用进行复杂的转化，也简化了计算的过程。对该方法在实际应用中的统计结果，该方法提高了40%左右的工作效率[1]。

3.2 AMT.3000断面仪的应用

3.2.1 AMT.3000断面仪工作原理

AMT.3000断面仪是电子测量仪与激光测距的有机结合。使用AMT.3000断面仪可以将测量的数据直接存入内存，导入计算机。其测距原理简单，即激光照射到断面后，便可测量出距离。它可以在断面的水平方向360°自由旋转，能够随时改变测量的密度。

3.2.2 AMT.3000的作业方式

主要分为以下三步：

（1）定位，即选取断面仪的安置地点。一般情形下，将断面仪安装在已知地点，并在该地点放置好棱镜，测量三维坐标，数据将自动计入内存。

（2）启动断面仪。安置好断面仪后，依照菜单的提示进行操作，将断面仪启动后便会进行自动测量工作。其外业工作是通过Husky手持测量计算机的Tun软件控制的。

（3）数据分析和断面图绘制。把记入断面仪内存的定位和测量数据导入计算机后，应用AMT.3000 profiler软件对所有数据进行分析，通常采用交互式、人机对话和自动分析三种方式。在此基础上，计算机系统将自动绘制断面图[2]。

3.3 CASS6.0配合免棱镜全站仪

3.3.1 隧洞断面数据的采集

它采用的断面编码方式的数据采集方法。隧洞断面是封闭的，其具体要求有：①进行测量的站点应该架设在隧洞的中线上，而在输入坐标时，高程值输入的是测站位置到设计断面高的相对值；②进行踩点时，应该在隧洞前进方向上、左边底端能测到的第一个点，顺序性的向上进行，需要记录每点的编码n（即断面的序号），最大程度地密集测量，天顶距点的编码mn；再将望远镜在水平方向上旋转180°，从接近天顶距的右边的第一个可测量点一次向下进行测量，最后一点是右边最底端可以看见的一点，到此结束全断面的采点。

3.3.2 内业数据的处理

（1）测量数据的传输。与上述方法不同的是，它是带有编码的，在完成数据的传输后，还要重新确定编码和点的顺序是否有误。其基本步骤是：在进行点击菜单“工程应用”—“生成里程文件”—“由坐标文件生成”操作后，电脑会弹出查找数据文件的对话框，查找并点击导入的文件，输入新的文件名并保存，在出现的命令栏中选择（2）按出现顺序，便会完成断面转化。

（2）绘制隧洞断面图。隧洞断面图有两种生成途径：①设计参数输入的方法；②选取已经存在的设计线，前者实现比较困难，后者比较实用。其基本步骤是：点击“工程应用”—“隧道断面土方计算”—“绘断面图”，在出现的对话框里选择“选择里程文件”里刚刚导入的数据文件即可[3]。

3.4 利用图像处理实现隧洞断面测量

3.4.1 基本思想

要对隧洞断面进行测量和计算，就必须把隧洞断面边缘信息导入相关的系统中。而在真实的项目施工中，隧洞断面很大区域的光线较弱，而且边缘特征不显著。此时，通过辉光器的作用使隧洞边缘加亮，且输入的图像边缘较明显，再利用拉普拉斯算子模板实施检测。

在图像进行边缘检测后，把它进行细化处理，并进行曲线拟合，生成可以对面积进行计算的环状的有向离散点阵。此处，将简要介绍对环状细化图形进行拟合的方法。首先，上述的点阵应该有与之对应的逻辑中点，以此点为界，把屏幕分成12个部分，把各个部分的数据点都设置成水平方向，对其进行曲线拟合，再把拟合结果调至原先的方向，则生成由离散点阵构成的有向环。

在上述的不同区域中，编码的旋转公式是不同的。使所有区域呈现逆时针的排列，并把纵坐标轴作为角分线，纵坐标轴正向的区域视为第一区域，旋转公式通常通常为：

之后再对其进行曲线拟合并把结果还原。

3.4.2 实现步骤

在该方法中，隧洞断面的测量系统是利用Visual Basic语言进行编写的，而计算系统是通过Fortran和Visual C++语言编程的，测量数据的传输是由动态链接库进行的。其基本步骤主要有以下几步：①通过相机进行图像的输入；②把图像导入图像处理系统，并明确坐标点和比例尺；③对图像进行的面积进行处理和曲线拟合；④导入断面的大小，明确标准高程值，计算断面面积值；⑤把曲线离散转变成逆向离散数据点阵；⑥计算所有断面，并把结果储存到磁盘文件；⑦以表格或图形方式输出数据结果。

3.4.3 实例介绍

通过上述方法对某隧洞进行的实地测量，表1是上述方法测量结果与人工测量结果的对比，和计算出的误差。可以看出，经过隧洞断面测量系统处理后的结果是能够满足工程施工所要求精度的。