自制圆形隧道竣工断面测量尺的构造及其应用探讨

祝全兵，何勇君

（中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

0 引言

珠江三角洲水资源配置工程土建施工A7标承担3个区间内径为5.4 m的圆形盾构隧道及二衬施工，根据《盾构法隧道施工与验收规范（GB50446—2008）》和设计单位出具的断面测量要求文件，水资源配置工程圆形盾构隧道按照直线段每7.5 m（5环）、曲线段每4.5 m（3环）测量一个断面，A7标盾构隧道双线全长约15 km，断面测量数据成果要求反映平面和高程偏差量，每一个断面需测量8个断面点位。竣工断面测量工作量大、难度大、时间紧。由于与隧道竣工验收前的洞内消缺工作同步进行，交叉施工和隧道恶劣环境对断面测量工作的干扰也非常大[1]。

为了提高断面测量工作效率与测量成果的精度，通过对各种相关规范和断面测量设计要求文件的仔细阅读研究。设计制作了适用此内径为5.4 m的圆形盾构隧道竣工断面测量尺，它的应用减少了外部环境和施工干扰，且能准确测量计算出隧道断面设计点位的三维坐标，大大提高了测量工作效率和精度。下文将详细介绍此断面测量尺的构造和实际应用。

1 技术原理及断面测量尺构造介绍

珠江三角洲水资源配置工程的隧道为圆形盾构隧道，土建施工A7标承担施工的盾构隧道为内径为5.4 m、外径为6 m的圆形隧道，设计单位出具的断面测量设计点位如图1所示。

图1 断面测点布置图

在理想情况下，通过管片拼装后的隧道内侧断面是内径为5.4m的标准圆[2]，按照设计要求，该隧道的断面测量的关键是测出设计断面点位的三维坐标。根据设计要求的45°一个点位的特点，利用特殊装置在成型的隧道中精确标定出设计断面点位的位置，通过全站仪测量出其对应的三维坐标就可完成断面原始数据的采集工作。

如图2所示，断面测量尺整体为十字形不锈钢结构，包括十字形不锈钢框架尺、水准尺（水准管）和徕卡圆棱镜，其特征是在不锈钢框架上按特点参数安装了3个徕卡圆棱镜。水准尺（水准管）、徕卡圆棱镜同十字形不锈钢框架成为特定整体。

图2 隧道断面测量尺

本断面测量尺主要由以下几个部分组成。

（1）断面测量尺主体，为3 cm×4 cm轻型不锈钢“十”字形结构，重量约3 kg，根据本工程内径为5.4 m的隧道特制，整体结构为分别在长度为3.82 m的不锈钢中心左右侧分别焊接一个0.942m和一个0.79m同材质的型材且保持相互垂直，在长为3.82 m型材两端头的同侧和0.942 m型材端头处垂直加焊长度为0.15 m的型材，类似于倒“L”形结构。

（2）水准尺（水准管），在十字形结构中长为3.82m的型材1/4处分别安装水准尺（水准管）。可以是购买的水平尺成品，但应保证横向和竖向方向都有水准管，确保可以调整断面测量尺在水平和垂直方向的精准安放；也可以是水准管自行安装。水准尺（水准管）应保证在断面测量过程中断面测量尺的安放精度达到设计要求。

（3）徕卡圆棱镜，圆棱镜为徕卡GPH1全站仪GPR1棱镜，常数为0mm，精度5s，能360°转动。

（4）反光条，张贴于断面测量尺尺身，目的是在昏暗的隧道内起到警示作用，也方便于找寻目标。

2 使用步骤及方法

在竣工断面测量工作时，断面测量尺摆放位置为环缝交界处且沿设计里程方向的大里程一端。通过水准管调整断面测量尺位置以确保断面测量尺处于水平或竖直状态的，测量过程中每一个断面都应按照同样的断面设计点位顺序进行测量（左上→左中→左下→底点（中线）→右下→右中→右上→顶点），这样能保证采集到的数据的整体性、完整性及后期数据处理的方便简洁。在隧道内贯通控制点上架设全站仪测量每一个徕卡圆棱镜的三维坐标，后期对三维坐标数据进行数据处理，数据处理后通过常数修正后得到的数据即为设计断面点位实测数据值，通过与设计断面数据的比较就可以得出实测断面点位的偏差量，偏差量反映实际断面与设计断面的偏差限界情况[3]。

具体实施步骤如下。

（1）在隧洞内的贯通控制点上架设好全站仪并进行设站和校核，把断面测量尺安放在断面所在环号的环缝交界处，根据水准管来调整并保证断面测量尺的竖直，确保断面测量尺完美卡住所测断面的设计要求位置上，使用全站仪按照左上→左中→左下的测量顺序测量出圆棱镜的三维坐标，如图3所示。

图3 断面测量尺安放顺序1

（2）调整断面测量尺的位置并整平，保证断面测量尺的水平。如图4所示，测量隧道的底点（中线）处的圆棱镜坐标。

图4 断面测量尺安放顺序2

（3）再次调整断面测量尺的位置到隧道右侧，使用全站仪按照右下→右中→右上的顺序测量圆棱镜的三维坐标（如图5所示）。

图5 断面测量尺安放顺序3

（4）由于顶部点位测不到，在此处采用全站仪的免棱镜模式测量此点位的三维坐标，重复1、2、3的步骤测量出整个隧道的所有断面数据。最后导出所有断面原始数据进行数据处理就可以得出整个隧道断面的实测原始数据。

3 若干问题探讨

3.1 断面测量尺修正参数的确定

断面测量尺在使用过程中，通过全站仪所测的三维坐标仅为圆棱镜所在位置的三维坐标，不是断面实际位置对应该设计点位的三维坐标数据，两者之前有一个常数[4]。因此，断面测量尺在设计时就要根据隧道内径和断面测量尺的设计参数确定后期数据处理的修正常数，以确保经过修正常数的修正之后的数据为断面测量设计点位所对应位置的实际点位的实测数据[5]。此常数修正需在数据处理后，先计算出实测棱镜数据相对设计中线的结果后再进行常数的修正，这样得出来的数据即为断面实际点位的实测数据，最后断面数据成果见表1。

表1 竣工断面数据

3.2 断面数量及位置的确定

根据《盾构法隧道施工与验收规范》（GB 50446—2008）和设计单位出具的断面测量要求，水资源配置工程圆形盾构隧道按照直线段每7.5 m（5环）、曲线段每4.5 m（3环）测量一个断面，先根据线路曲线要数表和逐桩坐标表计算出整个隧道需要测量的总断面数量，同时结合里程和管片环号计算出每一个断面所在的环号位置，最后对断面数量和位置进行精确调整和设计。在外业测量开始前整理打印好断面里程位置和环号数据，方便现场实测的时候能够快速准确找到断面所在位置。

3.3 隧道的椭化变形及椭圆度的计算

使用断面测量尺进行盾构圆形隧道断面测量工作时，实际上是假设该成型断面为理想的标准圆，但实际施工中，应为管片外壁受到水压、土压影响以及管片拼装质量等外在因素影响，成型隧道断面不可能是一个理想的标准圆[6]。根据对实际测量的原始数据进行分析，圆形盾构隧道产生变形的主要原因是受到隧道拱顶土压的影响，因此竣工断面大体上都会有上下略扁1～5 cm的椭化变形，这样的椭化变形是沿着纵向方向发生的。在全站仪对断面点位数据采集后，通过软件对断面所测点位进行椭圆拟合处理，椭圆采用二次曲线方程表示如下：

则式（1）可表示如下：

通常使用基于代数距离最小二乘法来对采集的断面数据进行椭圆度拟合计算，公式（2）中v（m，ni，l）为断面测点（xi，y）i至椭圆曲线v（m，n，l）=0的代数距离。以断面上各点代数距离平方和最小值作为条件进行平差计算，解析出椭圆的各项参数如下式所示：

采用取极值对以上参数进行求导，得出以下计算式：

再由投影变换计算式解算出椭圆的几何参数，例如椭圆中心坐标、长半轴（a）、短半轴（b）和旋转角等参数。一般的椭圆度的计算公式为：椭圆度=（最大外径-最小外径）/标称外径*100%。可以简化为椭圆度=[长半轴（a） -短半轴（b）]/标称外径*100%。考虑盾构成型隧道是管片拼装而成，主要是拱顶的上部压力影响，因此在此处默认隧道在的变形主要在纵向方向。因此根据设计断面点位要求，长半轴即为设计点位左中与右中的代数距离S1，短半轴为设计点位上与下的代数距离S2，因此椭圆度的计算再次简化为：椭圆度=（S1-S2） /标称外径×100%。

4 结语

此圆形盾构隧道断面测量尺经过珠三角水资源配置工程A7标6个盾构隧道约15km的实际使用，在使用过程中不断优化改进，大大提高了断面测量的工作效率和数据的精度。该断面测量尺有以下优点：

（1）该“十”字形断面测量尺能够满足所有圆形隧道的竣工断面测量工作，但是需要根据隧道内径大小和设计断面测量要求制作主尺长度和确定对应的数据处理修正参数。

（2）该“十”字形断面测量尺在现场实际使用中受外部施工环境的干扰较小，且测量距离长，稳定性好，精度高。

（3）该“十”字形断面测量尺操作简单方便，大大减少了断面测量外业工作的强度，断面测量的工作效率极大提高，对大规模时间紧的竣工断面测量工作十分有利。

（4）该“十”字形断面测量尺所测数据精度高，后期数据处理简单、方便、快捷，只需通过对计算软件计算后的数据进行特定修正参数的修正。便于数据的整体大规模处理，简化了数据处理的复杂程度和减少了数据处理的时间。

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，全站仪法主要缺点就是工作效率低、数据处理烦琐、精度低的缺点。现使用自制的圆形隧道断面测量尺配合全站仪进行断面测量，完美地克服了以上缺点，挺高了经济效益。