全站儀在思林水電站隧洞施工測量中的應(yīng)用

紀(jì) 勇，李勤剛

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.中國水利水電第九工程局，貴州 貴陽 565100）

0 引言

思林水電站位于貴州省思南縣城上游25 km 的烏江干流上，是以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)、防洪、灌溉等的水利工程。 該電站由碾壓混凝土重力壩、左岸通航建筑物、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。 水電站地下廠房布置在右岸山體內(nèi)，外形輪廓尺寸為189.8 m×27 m×74.76 m。 進(jìn)廠交通洞總長627.830 m，坡度為-6.1%。施工期間，布置2#和3#兩條施工支洞。2#施工支洞總長515.160 m， 坡度為-9.150%；3#施工支洞總長408.881 m，坡度為-9.70%。 隧洞施工是思林水電站地下開挖工程的重要內(nèi)容，其施工放樣的速度和質(zhì)量將直接影響工程的進(jìn)度和質(zhì)量。 為了保證正常施工，在隧洞施工測量中應(yīng)用了全站儀測量技術(shù)。

1 洞內(nèi)外施工控制測量

1.1 洞外施工控制網(wǎng)測量

施工區(qū)左右兩岸有貴陽勘測設(shè)計院布測的首級控制網(wǎng)。 該網(wǎng)建于2004 年6 月至2004 年9 月，主要分為二等平面控制網(wǎng)和光電測距代替三等水準(zhǔn)網(wǎng)。 其中，二等平面控制網(wǎng)共有14 個點(diǎn)（觀測墩），由72 個觀測方向組成24 個三角形。 為提高精度，還施測了19 條測距邊。 光電測距代替三等水準(zhǔn)網(wǎng)共有21 個點(diǎn)、27 個測段，采用6 個結(jié)點(diǎn)，組成5 個閉合環(huán)和一條復(fù)合線路。 施測所有點(diǎn)位的邊長、角度、高差按《水電水利工程施工測量規(guī)范》、《國家三角測量和精密導(dǎo)線測量規(guī)范》、《中、短程光電測距規(guī)范》GB/T16818-1997 實(shí)施。

原有的控制網(wǎng)布設(shè)在左右兩岸的山上，離施工現(xiàn)場比較遠(yuǎn)，不能滿足施工測量的需要。 根據(jù)右岸水電站平面布置及施工方案，選擇有利的控制點(diǎn)作為思林水電站二級施工加密控制網(wǎng)已知點(diǎn)，布設(shè)成導(dǎo)線網(wǎng)形式。 施測前，采用全站儀“差值法”對棱鏡常數(shù)進(jìn)行檢測。 在觀測時，儀器要輸入溫度、氣壓和棱鏡常數(shù)，并采用遮陽傘遮擋陽光，避免陽光直接照射儀器。

1.2 洞內(nèi)施工控制測量

洞內(nèi)施工控制測量主要有以下兩個特點(diǎn)：（1）最初布設(shè)成支導(dǎo)線的形式，隨著隧洞的開挖而逐漸向前延伸。 為確保隧洞開挖的精度和準(zhǔn)確性，定期與洞外控制點(diǎn)組成閉合導(dǎo)線來復(fù)核點(diǎn)位。 （2）導(dǎo)線的形狀取決于隧洞的形狀、分級布設(shè)施工導(dǎo)線和基本導(dǎo)線。

思林水電站地下洞室由主洞、交通洞、排風(fēng)洞、尾水洞等組成，且各洞室縱橫交錯。 因此，洞內(nèi)控制精度的高低直接影響到地下洞室群相互之間的貫通。 要滿足各地下洞室之間的相互關(guān)系，必須做好洞內(nèi)的基本控制。 根據(jù)現(xiàn)場情況，水電站地下工程布設(shè)成3 條支導(dǎo)線，第一條布置在廠房排風(fēng)洞內(nèi)，主要用于廠房一、二層開挖和主變排風(fēng)洞開挖；第二條布置在進(jìn)廠交通洞內(nèi)，主要用于廠房第三層、主變運(yùn)輸通道、主變交通洞、絕緣油庫和主變室開挖；第三條布置在尾水洞施工支洞內(nèi)。 由于隧洞內(nèi)各施工作業(yè)相互干擾，粉塵較大、燈光照明較弱，影響了目標(biāo)的照準(zhǔn)精度。 測量施測應(yīng)選擇在空氣狀況良好、施工干擾小的時間進(jìn)行，以保證觀測成像清晰及測量結(jié)果的精度和可靠性。 導(dǎo)線點(diǎn)布設(shè)在沿洞壁兩側(cè)受施工干擾小的墻壁上，離地面1.2～1.5 m，基點(diǎn)應(yīng)建成寬20 cm、長40 cm 的混凝土強(qiáng)制歸心觀測墩（如圖1 所示）。

強(qiáng)制對中控制點(diǎn)基本消除了對中誤差，觀測采用徠卡TCR-702 型全站儀，測角精度為2"，測距精度為±2+2×10-6×D mm。 施測前，測站及鏡站要嚴(yán)格整平儀器，并測量記錄儀器高及鏡站高。 每站觀測完畢后，再次量取儀器高及鏡站高，作為檢查。 平面控制按四等導(dǎo)線要求施測，在短邊和長邊變化處，增加左、右角的觀測次數(shù)，以減小角度觀測對橫向誤差的影響。 高程控制按全站儀三角高程要求施測，等級為四等水準(zhǔn)精度。

廠房一、二層開挖結(jié)束后，進(jìn)廠交通洞、風(fēng)機(jī)室、廠房、排風(fēng)洞就貫通了。 這時，通過在廠房加的兩個過渡點(diǎn)把原來兩條支導(dǎo)線連起來，組成了一條閉合導(dǎo)線環(huán)。 該條閉合導(dǎo)線按照四等導(dǎo)線要求施測，主要技術(shù)要求為：測角中誤差mβ=±2.5″，全長相對閉合差為1：45 000，方位角閉合差為經(jīng)計算，測角中誤差為mβ=1.33″， 全長相對閉合差為1∶116 017，方位角閉合差-5.1″（限差±5=±20.6″），高差閉合差為-15.9 mm（限差值±20=±20=±30.46 mm）。 計算成果合格，進(jìn)入嚴(yán)密平差計算。 平差后，直接顯示各控制點(diǎn)的最終坐標(biāo)和高程。

2 施工放樣

思林水電站地下洞室開挖工作面較多，施工放樣頻率高、難度大，因此，放樣的速度和質(zhì)量直接影響到地下洞室的開挖進(jìn)度。采用施工坐標(biāo)系，可直接反映超欠挖情況，從而提高放樣速度。

2.1 施工導(dǎo)線的測設(shè)

由于洞內(nèi)爆破粉塵及施工機(jī)械的干擾，有時無法直接利用基本導(dǎo)線進(jìn)行放樣，這就需要布置施工導(dǎo)線點(diǎn)，進(jìn)行傳遞施工。 采用邊角后方交會法進(jìn)行導(dǎo)線延伸， 基本解決了控制點(diǎn)破壞嚴(yán)重及已知點(diǎn)不通等實(shí)際困難。

邊角后方交會控制點(diǎn)的測設(shè)過程為：（1）在基本導(dǎo)線點(diǎn)及掘進(jìn)掌子面間的洞壁上布置施工導(dǎo)線點(diǎn)，并測量這些點(diǎn)的坐標(biāo)。 （2）在已知的基本導(dǎo)線點(diǎn)上架設(shè)免棱鏡全站儀，采用一測回分別測出洞壁點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，然后各取平均值，以此作為該點(diǎn)的最終三維坐標(biāo)。 如圖2 所示，A、B、C 點(diǎn)為已知施工導(dǎo)線點(diǎn)，P 點(diǎn)為設(shè)站未知點(diǎn)。 以A、B 點(diǎn)為起算數(shù)據(jù)，采用全站儀后方交會法測定P 點(diǎn)三維坐標(biāo)（取兩次測定P 點(diǎn)坐標(biāo)的平均值，以保證設(shè)站點(diǎn)的正確性），同時，利用C 點(diǎn)作為檢查點(diǎn)。

圖2 邊角后方交會示意圖Fig.2 Corner back intersection sketch

在實(shí)際施測中，開挖掘進(jìn)掌子面需要隨時放樣，早期布設(shè)的洞壁點(diǎn)不可能一直作為放樣時的已知點(diǎn)。 這時，可以以洞壁上的控制點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，采用邊角后方交會的方法，得出測站點(diǎn)的儀器中心坐標(biāo)，并以距離儀器較遠(yuǎn)的洞壁點(diǎn)為后視，繼續(xù)在洞壁上布設(shè)新的洞壁施工導(dǎo)線點(diǎn)。 需要說明的是，采用本法布設(shè)洞壁點(diǎn)一般僅可向前連續(xù)作2 次。 限制的目的是為了防止后面延伸的洞壁點(diǎn)的精度過低，影響施工放樣的精度。

2.2 廠房巖錨梁部位施工放樣

2.2.1 巖臺開挖放樣

巖錨梁巖臺開挖放樣的重點(diǎn)是巖臺以上的垂直孔（開挖邊線）放樣和巖臺斜孔放樣（如圖3 所示）。垂直孔測量點(diǎn)間距為2～3 m，為防止欠挖，放樣時比設(shè)計半徑大5 cm。 點(diǎn)位放完后，在邊墻上標(biāo)出統(tǒng)一的高程線，以便開挖時能嚴(yán)格控制鉆孔深度。 斜孔放樣點(diǎn)間距控制在40～55 cm，放樣時，用全站儀激光點(diǎn)直接打在巖面上，快速測出隧洞輪廓點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后用卡西歐fx-4800P 編程計算器計算出的超欠值，再根據(jù)超欠值移動激光點(diǎn)，逐步放樣到設(shè)計輪廓線上。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了避免欠挖，所放點(diǎn)位的實(shí)際高程都比設(shè)計減低10 cm。 裝藥前，還要對鉆好的孔位一一復(fù)查。 復(fù)查內(nèi)容包括孔深、孔位。 如孔位偏差超過5cm，該孔作廢，孔深過長，要求在底部堵孔。

圖3 垂直孔區(qū)、斜孔區(qū)橫斷面方向示意圖Fig.3 Cross section direction sketch of vertical hole area and oblique hole area

2.2.2 錨桿放樣

廠房巖錨梁錨桿共分3 排放樣，每排角度都不相同。 放樣之前，對每排錨桿事先都編好了放樣程序。 放樣時，先建立廠房施工坐標(biāo)系（X 坐標(biāo)為樁號，Y 坐標(biāo)為半寬），然后用全站儀免棱鏡測量方式直接測出X 坐標(biāo)、Y 坐標(biāo)和高程。 把測出的Y 值和高程輸入計算器，就會立即顯示測點(diǎn)高程與設(shè)計高程的偏差值。 根據(jù)高程偏差值和X 坐標(biāo)與設(shè)計樁號的差值，移動激光點(diǎn)后再次測量，直到偏差值小于2cm時標(biāo)出點(diǎn)位。安裝錨桿之前，還應(yīng)對錨桿外露長度進(jìn)行放點(diǎn)（5 m 放一個點(diǎn)），其目的是放出統(tǒng)一的半徑值。 一般放樣的都是距錨桿外露端頭50 cm 的半徑線，這樣施工人員拉上線繩，安裝錨桿時就可以很方便地控制外露長度。

2.2.3 混凝土模板放樣與模板驗(yàn)收

由于預(yù)埋螺栓要求精度高，應(yīng)施工前先選兩個視野開闊的控制點(diǎn)，用于每次的放樣或驗(yàn)收。 測量時，應(yīng)盡量做到架站在同一個點(diǎn)，后視另一個點(diǎn)，這樣整個巖錨梁混凝土及預(yù)埋件相對位置就有了保障。 放樣及驗(yàn)收時，用徠卡小棱鏡，并且小棱鏡高度應(yīng)盡可能降到最低，因?yàn)楦叨仍降?，晃動越小，測量精度越高。 每次測距前，還要求觀測人員把儀器內(nèi)的棱鏡常數(shù)改為17.5 mm。 為了提高照準(zhǔn)精度，要求觀測人員照準(zhǔn)時做到精益求精，即將十字絲豎絲照準(zhǔn)小棱鏡桿底端中心，然后微動豎直螺旋，當(dāng)十字橫絲精確照準(zhǔn)小棱鏡左右兩邊的占牌中心時， 立即測量。 一般放樣巖錨梁模板偏差應(yīng)控制在±10 mm，預(yù)埋螺栓距軌道中心和高程偏差應(yīng)控制在±5 mm。 驗(yàn)收時，若各偏差超過限差，要進(jìn)行調(diào)整。

2.3 掌子面放樣

由于測量儀器設(shè)備的改進(jìn)更新，免棱鏡全站儀在思林水電站施工放樣中得到了廣泛的應(yīng)用， 使采用后方交會設(shè)站進(jìn)行掌子面放樣成為可能。 采用后方交會設(shè)站，儀器架站位置可根據(jù)現(xiàn)場的情況自由選擇，架站靈活、速度快，受施工干擾小。 用免棱鏡功能直接測定掌子面放樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并利用卡西歐fx-4800P 可編程計算器直接計算放樣點(diǎn)與設(shè)計線的偏差移動點(diǎn)位（不管是圓洞、方洞、城門洞、漸變洞等，都提前按照設(shè)計參數(shù)編好放樣程序），繼續(xù)測定放樣點(diǎn)的坐標(biāo)，直到符合設(shè)計邊線放樣精度，再標(biāo)定放樣點(diǎn)。 對于起拱點(diǎn)、拱頂點(diǎn)等特殊點(diǎn)，一定要明顯標(biāo)出。 開挖輪廓線標(biāo)出后，還要在洞頂畫出開挖方向線，在掌子面畫出設(shè)計底板的高程線。對于放樣點(diǎn)間距，直邊墻控制在60～100 cm 之間，圓弧部分控制在45～60 cm 之間，點(diǎn)位誤差不大于3 cm。 免棱鏡功能的應(yīng)用，大大提高了開挖輪廓點(diǎn)放樣的工作效率，使施工放樣基本不影響下一循環(huán)掘進(jìn)作業(yè)。

2.4 導(dǎo)向線放樣

曲線導(dǎo)向線定向是否準(zhǔn)確，將直接影響隧洞的開挖方向和開挖工程量。 常規(guī)的導(dǎo)向線放樣采用中線法，該方法簡單易行，但誤差大。 思林水電站地下洞室開挖采用了一種新的導(dǎo)向線放樣方法， 其具體放樣如圖4 所示。 圖中左邊線的導(dǎo)向線假定是CA方向， 開挖后終點(diǎn)在B 點(diǎn)， 因BA 是弧上的一段弦長，因此左邊導(dǎo)向線放樣方法稱為“弦線法”。開挖面輪廓線放完后，用全站儀測出左邊線上A 點(diǎn)坐標(biāo)，圓心點(diǎn)O 點(diǎn)坐標(biāo)已知，用坐標(biāo)反算，算出AO 方位角FAO，過A 點(diǎn)做圓弧的切線AG，那么FAG=FAO+90°，弧長AB 也就是鉆孔深度，定位2.5 m，因此，F(xiàn)AB=FAGθ÷2。 放樣C 點(diǎn)時，在距開挖面1～2 m 的地方測點(diǎn)。假定測得的點(diǎn)為D 點(diǎn)， 根據(jù)坐標(biāo)反算， 求得FAD和AD 長度，于是∠BAD=FAD-FAB。 根據(jù)AD 的長度和∠BAD，用計算器中的“極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化直角坐標(biāo)”功能算出Δy（D 點(diǎn)與C 點(diǎn)的偏差值），這樣，就可方便地找到C 點(diǎn)。 右邊線導(dǎo)向線EF 稱為“切線法”，放樣方法基本同弦線法。 中心線導(dǎo)向線應(yīng)采用弦線法。

圖4 導(dǎo)向線測量新方法Fig.4 New method of directional line measuring

3 橫斷面圖測繪

橫斷面圖測繪系統(tǒng)由全站儀、計算機(jī)及其軟件組成。 在進(jìn)行橫斷面測量前，先建立洞庫坐標(biāo)系統(tǒng)，并將各種所測數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，建立數(shù)據(jù)庫。

3.1 測量原理

全站儀架在隧洞的中線上，測出斷面上各點(diǎn)的水平角B、豎直角A 及斜距S，并換算出測點(diǎn)的高程和橫、縱坐標(biāo)。 計算機(jī)根據(jù)此參數(shù)繪圖，如圖5 所示。

圖5 全站儀架設(shè)定位圖Fig.5 Total station erection positioning

圖5中，測量點(diǎn)相對儀器水平線的高差h1=SsinA；測點(diǎn)自定義高差H=h1+I，I 為儀器高；測點(diǎn)自定義縱坐標(biāo)Y=SsinB。

在測量過程中，因儀器架在中線上，故測點(diǎn)自定義橫坐標(biāo)X=0。 計算機(jī)記錄的數(shù)據(jù)有：方位角（控制與識別方向，測量的前進(jìn)方向的方位角始終為180°）、水平角、豎直角和距離(斜距)S。

3.2 斷面測量系統(tǒng)的應(yīng)用

在進(jìn)行斷面測量時，全站儀架在測站上，瞄準(zhǔn)后視點(diǎn)，輸入方位角。 啟動全站儀免棱鏡測量方式，照準(zhǔn)目標(biāo)，用白油漆（白油漆的光反射率較高）在待測斷面上標(biāo)出各測點(diǎn)。 全站儀照準(zhǔn)白油漆點(diǎn)直接測出各點(diǎn)的水平角、豎直角、斜距和高程，并將數(shù)據(jù)傳入計算機(jī)處理。 測點(diǎn)間距要求為：直墻段50～70 cm一個點(diǎn)，弧形段35～45 cm 一個點(diǎn)，拱角上下1 m 范圍內(nèi)15～25 cm 一個點(diǎn)。

橫斷面測量一般要求直線洞室每5 m 測量一個斷面，曲線洞室每3 m 測一個斷面。 由于施工現(xiàn)場條件的限制，一個測站所測斷面的數(shù)據(jù)是有限的，當(dāng)無法進(jìn)行下一個斷面測量時，就要遷站。 在此之前，依次測出后面要用到的測站坐標(biāo)，然后搬到下一個測站，重復(fù)進(jìn)行前面的工作。在施工現(xiàn)場完成測量之后，將各測量數(shù)據(jù)存入計算機(jī)，通過編輯、整理，及時將實(shí)測斷面數(shù)據(jù)反饋給施工人員。 作業(yè)人員應(yīng)根據(jù)計算的超欠挖情況，及時調(diào)整開挖參數(shù)，以達(dá)到更好的開挖效果。

3.3 斷面圖繪制及竣工斷面驗(yàn)收

斷面測量數(shù)據(jù)采用全站儀自動記錄，數(shù)據(jù)通過Leica survey office 軟件及時下載至計算機(jī)，建立原始記錄數(shù)據(jù)庫。 利用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)編輯處理，打開CAD 制圖軟件標(biāo)定設(shè)計底板中心點(diǎn)高程，并將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為CASS6.0 繪圖識別的形式，然后采用CASS6.0 數(shù)字化成圖系統(tǒng)，完成相應(yīng)斷面圖的繪制。

斷面測量系統(tǒng)的使用大大提高了繪制斷面圖的自動化程度。 只要將整條隧洞設(shè)計縱坡參數(shù)及開挖設(shè)計斷面類型錄入系統(tǒng)，原始斷面測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，即可自動繪制斷面圖，并標(biāo)定斷面各點(diǎn)的超欠挖、理論斷面面積、施測斷面面積、超欠挖點(diǎn)平均值等，從而直觀地反映隧洞開挖過程中的情況。

竣工斷面驗(yàn)收資料是檢查開挖質(zhì)量的重要依據(jù)。 驗(yàn)收時，直線段上采用免棱鏡全站儀任意設(shè)站，一個測站可以施測多條斷面； 斜井段可用測地形圖的形式測量，用Excel 電子計算表格編寫斷面計算程序?qū)γ恳粋€地形點(diǎn)進(jìn)行計算，然后將點(diǎn)組合起來，就構(gòu)成一個完整的斷面圖。

4 結(jié)語

思林水電站地下施工開挖循環(huán)快、工作面多，其采用的新的測量工藝和方法為：

（1）導(dǎo)線傳遞方式的更新。 隧洞施工的控制測量基本采用導(dǎo)線方式進(jìn)行，而傳統(tǒng)的控制點(diǎn)均布設(shè)在地面。 由于水電站地下工程的開挖，對控制點(diǎn)的影響較大。 地面點(diǎn)因施工損壞嚴(yán)重，恢復(fù)工作需占用很多時間。 為了不影響放樣，采用后方交會法布設(shè)導(dǎo)線點(diǎn)，能夠很好地解決這一問題，布設(shè)點(diǎn)速度快、效率高。

（2）數(shù)據(jù)處理技術(shù)的革新。 水電站地下洞室斷面驗(yàn)收數(shù)據(jù)處理與成圖外業(yè)采集的數(shù)據(jù)都自動存儲在全站儀存儲模塊上，通過數(shù)據(jù)通訊電纜與計算機(jī)連接，打開CASS6.0 數(shù)字化成圖軟件，就可將錄入的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中。 利用Excel 編程功能編寫隧洞斷面驗(yàn)收計算程序，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)內(nèi)外業(yè)一體化功能。

實(shí)踐證明，該測量方法不僅滿足了施工放樣的要求，也提高了測繪成果的質(zhì)量和工作效率，減輕了作業(yè)人員內(nèi)外業(yè)工作的勞動強(qiáng)度。

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