全站仪免棱镜测量技术在铁路隧道监控量测中精度分析

摘要：在施工过程中，测量是不可缺少的一部分。传统的测量用的是棱镜作为配合使用，不仅要架设全站仪，同时也要选点架设棱镜，通过全站仪与棱镜之间的反射测量距离及角度，这样会花费了大量时间。免棱镜测量技术则不然，对反射物不做严格要求，目标位置的石头、墙体、金属体就可以反射信号，在铁路隧道监控量测中，由施工队打下钢筋并放置反光片作为目标，仪器架设好直接就能测量，节省了大量时间。

关键词：全站仪棱镜测量技术隧道量测精度分析

中图分类号：U456.3

AccuracyAnalysisofNon-PrismTotalStationMeasurementTechnologyintheMonitoringandMeasurementofRailwayTunnels

LUShi'an1ZHOUJie2

105GeologicalBrigade，GuizhouGeologicalandMineralExplorationandDevelopmentBureau，Guiyang，GuizhouProvince，550018China

Abstract：Intheconstructionprocess，measurementisanindispensablepart.Traditionalmeasurementusesaprismcooperatively，itnotonlysetsupatotalstation，butalsoselectsapointtosetuptheprism，andit measuresthedistanceandtheanglethroughthereflectionbetweenthetotalstationandtheprism，whichtakesalotoftime.Non-prismmeasurementtechnologyisnotthesame，whichdoesnothavestrictrequirementsforreflectors，andstones，wallsandmetalbodiesatthetargetlocationcanreflectsignals.Inthemonitoringandmeasurementofrailwaytunnels，theconstructionteamlayssteelbarsandplacesreflectorsastargets，andinstrumentscanbedirectlyusedformeasurmentaftertheyaresetup，savingalotoftime.

KeyWords：Totalstation;Prism;Measurementtechnique;Tunnelmeasurement;Accuracyanalysis

全站仪是一种高精度的测量仪器，广泛应用于铁路隧道的监控量测中。全站仪免棱镜测量技术是一种无须使用棱镜即可直接测量目标点坐标的方法，具有操作简便、测量速度快等优点。全站仪免棱镜测量技术主要利用数字影像处理技术，通过摄像机获取目标图像，经过图像处理算法识别目标点，再结合全站仪的光学和电子测量系统，计算出目标点的坐标。在铁路隧道监控量测中，全站仪免棱镜测量技术可以用于监测隧道围岩和衬砌的变形、裂缝等状况。通过对多个监测点的连续观测，可以及时发现异常变化，为隧道的安全运营提供依据。为了分析全站仪免棱镜测量技术在铁路隧道监控量测中的精度，可以通过现场试验进行验证。试验中，选取一定数量的监测点，采用传统的棱镜测量方法和免棱镜测量方法分别进行观测，比较两种方法的测量结果，计算相对误差。通过多次试验，得出全站仪免棱镜测量技术在铁路隧道监控量测中的精度水平。全站仪免棱镜测量技术在铁路隧道监控量测中具有一定的应用价值。通过合理选择目标点、提高摄像机分辨率和质量、优化图像处理算法等措施，可以提高免棱镜测量技术的精度，满足铁路隧道监控量测的要求。

1研究背景及意义

铁路隧道监控量测要求每天都对目标点进行测量，得出每日的数据，因此，工作人员需要在施工的同时开始自己的测量工作，大型机器的使用伴随着地面的震动，从而大大影响了监控量测的精度。此外，人为架设棱镜时也有不可避免的失误。免棱镜技术则可以有效减少这方面带来的影响，从而大大提高了准确度[1]。

2研究内容

用免棱镜全站仪测量出的点位坐标高程等是在极坐标系下进行处理的，但是根据要求，隧道里的每一个点都应该有独立的解析坐标。在测量过程中，人们往往更关心其能否得到更高的精度、过程中是否可以将线路流程准确无误地表示出来。本文主要对免棱镜精度进行研究。

3地表沉降监测

在施工场地布设有两个基准点，参照标准水准点埋设，其基准点与附近水准点联测得出基准点原始高程。进行地表下沉测量时，首先对两个基准点观测校正，量出目标基准点高程，再测得地表观测点高程，再由地表点与基准点的相对高差作为初始值。根据监测频率算得该观测点的日变化量与累积变化量，各个点均由此算出，最后总结成表[2]。

4拱顶沉降及周边收敛情况监测

根据挖掘跨度，拱顶结算的每个部分都设置1～3个测量点。根据挖掘方法，对于周围位移的观测的每个部分设置1～3条水平测量线。全断面开挖时应布设一条水平测线，周边收敛按台阶法开挖，一阶布设一条水平测线。同一里程拱顶沉降观测与周边收敛观测点应当要位于同一个断面，观测的数据应具有及时性，所以测点最新应在开挖的处2m范围以内，再根据围岩情况每5～50m，设立一个断面。

拱顶沉降观测与地表沉降监测类似，使用高精度的测量仪器先测量基准点高程，再测量被观测点高程为，计算出相对于基点的高程初始值。在一个监测周期后，再次测量得到第二次的基准点高程，观测点高程，得出相对高程。两次所得高程相减得到沉降量，长期监测可以获得日沉降量以及累积沉降量，沉降速率大于5mm/d时超过每日变化最大限度，需要马上报警，并停工检查[3]。

5回归分析

时间线曲线（或散点图）和空间关系曲线应在观测完时用实测数据及时绘制，散点图以及回归曲线如图1所示。

当u-t曲线趋于平滑时，应该对该数据进行处理并作回归分析，画出回归曲线后根据变化规律预测出极值。由以上规律与极值判断出围岩的稳定情况，判断依据如下。

（1）当时，说明了变形的速率表现为下降趋势，位移变化会变小至稳定。

（2）当时，说明了变形的速率表现出稳定趋势，位移变化速度随着时间增加而变大，所以应该考虑采取措施加强防护。

（3）当时，说明了变形速率不断增大，位移变化速率不断变大，围岩状况不稳定甚至会出现危险状况，应立即停止施工并做出应对措施。

回归分析的方法与步骤：

（1）在以时间为横坐标、位移为纵坐标的坐标系中，标出由量测值确定的各对应的实测点，即得所谓散点图。

（2）根据监控测量得到的实测数据画出尽量接近所有点的平滑曲线。它一般不可能通过所有实测点，但应注意使曲线尽量接近所有实测点，并使实测点分布在试验曲线的两边。

（3）描绘出合适的平滑曲线后，经过回归分析选择出合适的函数。一般来说，位移时态曲线都是非线性的。在位移随时间渐趋稳定的情况下，可选择常用的对数函数、指数函数或双曲线函数。

由于偶然误差具有离散性，所以对监控量测数据的分析应该要从统计学方面出发，归纳总结后使用合适的数学公式来将其描述，采用回归分析对量测数据进行处理和计算，得到位移u和时间t两个变量之间的函数关系，绘制函数的曲线，从曲线上能够显示各个离散点的分布及回归值并且预测出该函数的极限值与平曲变化[4]。

6误差分析

在铁路隧道监控量测中，隧道中沿轴线垂直方向的拱顶沉降变形是影响铁路隧道施工安全最大的因素，因此在这里将对隧道的拱顶沉降监测做出误差分析。

在拱顶沉降的误差主要来源于仪器误差、人为误差、施工影响等，减少误差带来的影响是提升观测精度的最为直接的方法。

在测量学中，由于受到测量仪器、地形等诸多条件限制，不能直接测量出需要测量的数值，需要由测得的一个或若干个其他值来进行函数关系计算得到所需要的数值，这种测量的方法叫作间接测量法。由于间接得到的测量值是由直接测量值所计算得到的，所以间接测量值误差受到直接测量值误差影响。这种计算方式叫作误差传递，是由直接测量值误差计算得到间接测量值误差[5]。

在等精度的观测条件下，测得的所有独立的偶然误差的算术平均值被称为平均误差。用来表示平均误差的估值，但是仍然简称平均误差。由于观测值的个数n总是一个有限的值，单独一组偶然误差不足以衡量一次测量的精度，因此在实用上多用平均误差的估值来衡量精度[6]。

7结语

使用全站仪免棱镜测量技术对拱顶下沉、周边收敛及地表下沉位移等项目进行监控量测，结果中出现变化趋势基本一致，在出现异常数据情况下，排除误差情况，对比各个监测数据互相验证出现异常的时间及位移量变化是必须的，更便于将数据综合分析，不易出现失误。

参考文献

[1]张嘉树.深基坑开挖对下卧地铁车站的影响及支护参数优化[D].大连：大连交通大学，2023.

[2]许俊伟，刘永胜，吴达，等.隧道与地下工程监控量测技术的发展与展望[J].测绘地理信息，2023，48（3）：7-13.

[3]蔡林东.隧道施工监控量测技术分析[J].运输经理世界，2023（15）：73-75.

[4]路明远.免棱镜全站仪测量技术在建筑工程施工测量中的应用效果分析[J].建筑机械，2023（10）：126-131，6.

[5]韦向高.全站仪免棱镜测距技术在隧道施工测量中的应用分析[J].运输经理世界，2022（15）：101-103.

[6]凡建林，姚辉，林建涛.TS60全站仪在特长隧洞贯通测量中的应用[J].经纬天地，2020（4）：4-7.