隧道斷面儀的三維測量與分析

隧道斷面儀的三維測量與分析

龍頭山隧道是廣州珠江黃埔大橋的主要工程之一。這是中國最長的雙孔隧道，具有8個車道。隧道平面布置根據(jù)線路總體走向,按上下行分離式布置,設(shè)計行車速度100Km/h。左線長1010m,右線長1002m,單洞凈寬18m,凈高8.95m,扁平率0.49,內(nèi)輪廓采用三心圓斷面。最大開挖寬度21.6m,最大開挖深度13.58m,最大埋深98m;左右線進(jìn)口最小凈距23m,洞身最大凈距51m,出口凈距20.8m。隧道設(shè)兩處人行橫洞,凈寬2.2m,限高2.5m,采用單心圓直墻斷面,如圖1所示。該隧道跨度大、進(jìn)口段埋深淺且偏壓、洞內(nèi)多孤石、技術(shù)含量高,施工難度大,是國內(nèi)第一座分離式雙向八車道長大隧道。隧道施工中各種工序銜接緊湊,平行作業(yè)、交叉施工的工程很多,且洞內(nèi)導(dǎo)洞作業(yè)面狹小,如排風(fēng)不暢,空氣質(zhì)量差,往往無法進(jìn)行測量工作。測量工作在隧道開挖施工中非常重要,它控制著隧道開挖的平面、高程和斷面幾何尺寸,關(guān)系到隧道的貫通。為滿足測量工作需要,需選擇關(guān)鍵工序工作面污染小的時間,停止一些次要工序,提前加大排風(fēng)來滿足測量工作條件。若測量工作占用時間過長,將直接影響工程進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益。如何及時、準(zhǔn)確的提供測量成果,使用的儀器和方法便成了重要因素?；◣资f買一臺隧道斷面儀,僅能用于隧道斷面測量,投資太大,為節(jié)省投資可采用全站儀配隧道斷面測量軟件來完成。用全站儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集后,再對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)分析可用臺式、便攜電腦,也可用可編程計算器進(jìn)行?，F(xiàn)將三數(shù)據(jù)分析方法列于表1,從表1可以看出,采用可編程計算器進(jìn)行分析,內(nèi)外業(yè)用時最少,測量工作對工程作業(yè)時間影響最小。本文將對這種方便、快捷的測量和計算方法進(jìn)行分析與介紹。在隧道施工斷面測量工作中,無論采用隧道斷面儀,還是采用全站儀配隧道斷面測量軟件來完成,一般用測量一個斷面來代表一個段落,用一個斷面代表一個段落,有一定的片面性,在隧道開挖斷面測量工作中,其缺點(diǎn)極為明顯。若采用三維坐標(biāo)段落測量法進(jìn)行隧道測量,可全面反映整個段落任意樁號各個點(diǎn)的超欠挖情況。一、數(shù)據(jù)收集儀器置于任意點(diǎn)(做自由設(shè)站)或?qū)Ь€點(diǎn)上,有針對性的對一個段落的特征點(diǎn)或任意點(diǎn)進(jìn)行測量,記錄x、y、z三維坐標(biāo)。1.距離減半徑測量及測量參數(shù)(1)圓曲線在圓曲線上選任意點(diǎn)B,為起算里程,坐標(biāo)反算分別求得,測站A,起算點(diǎn)B,到圓心O的距離和方位角,兩方位角之差(OA–OB=α)和半徑計算曲線長L,B點(diǎn)里程加L等于C點(diǎn)里程,測站至圓心的距離減半徑等于測站至中線距離。測量參數(shù)見圖2(a)所示。L由公式(1)求得。式中:L—弧長,R—半徑,α-測點(diǎn)的法線與圓曲線上已知點(diǎn)法線的夾角。(2)緩和曲線在緩和曲線上求任意點(diǎn)的法線方向十分簡單,但要求測站要對應(yīng)那個樁號法線上的點(diǎn),相當(dāng)復(fù)雜。采用近似法,完全能滿足測量精度要求。在測站前后的線路上,各選一距離合適的點(diǎn)做為計算點(diǎn),把兩點(diǎn)當(dāng)作直線看,按直線計算即可。測點(diǎn)見圖2(b)所示。(3)直線在直線段上選任意點(diǎn)B作為起算點(diǎn),已知直線段方位角BC,用坐標(biāo)法反算求得BA方位角,通過兩方位角之差α,和BA的距離解直角三角形可得BC距離L和AC的距離b。B點(diǎn)的樁號加L等于測站點(diǎn)對應(yīng)的樁號。測量參數(shù)如圖2(c)。二、計算初支隧道心功能的測量根據(jù)測點(diǎn)的樁號計算線路的設(shè)計高程,通過線路的設(shè)計高程和隧道圓心的關(guān)系,計算隧道圓心的設(shè)計高程和線路中線到隧道圓心的距離。經(jīng)計算已知隧道圓心的設(shè)計高程;線路中線到隧道圓心的距離;經(jīng)測量已知測點(diǎn)的實測高程;測點(diǎn)至線路中線的距離。1.減設(shè)計半徑法實測偏差等于斷面各點(diǎn)的高程與圓心處的設(shè)計高程,求得測點(diǎn)至圓心的高差,然后測點(diǎn)至圓心的高差的平方加上測點(diǎn)離隧道中線的距離的平方再開方--實際半徑減設(shè)計半徑。(設(shè)計半徑按不同工序分別計算,如開挖、初期支護(hù)、臺車、二襯等。并考慮預(yù)留量)式中:C—實測偏差(‘+’表示超,‘-’表示欠);D—測點(diǎn)離隧道中線的距離;H—測點(diǎn)高程;O—圓心處的設(shè)計高程;R—設(shè)計半徑;按(4)式計算即可。2.圓曲線文化線以上程序中:AB為測點(diǎn)大地坐標(biāo);D為測點(diǎn)距隧道中線距離;L為測點(diǎn)里程;H為測點(diǎn)與隧道圓心;O1的高差;Z為測點(diǎn)高;C為實測偏差;XY為圓曲線圓心大地坐標(biāo);E為圓曲線起點(diǎn)里程;R為圓曲線半徑;α為測點(diǎn)的法線與圓曲線起點(diǎn)法線的夾角;i﹪為隧道縱坡;O1O2為圓曲線起點(diǎn)里程隧道圓心的高程;D1為圓心O2距隧道中線距離;R1R2為多心圓隧道的半徑。無論是那一種線型,在CASIO系列可編程計算器,如FX-4800的幫助下,都可以采用漸進(jìn)法編程解決,看似復(fù)雜的方法,變得非常簡便。三、全片段測量的特點(diǎn)三維坐標(biāo)段落法適合于施工中隧道開挖斷面測量,可做到那里需要測后馬上出結(jié)果,一次置鏡能有效的測量全段落的特征點(diǎn)和任意點(diǎn),可根據(jù)面積與點(diǎn)