基于全站儀的地鐵隧道斷面測量及數(shù)據(jù)處理

費先明

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

基于全站儀的地鐵隧道斷面測量及數(shù)據(jù)處理

費先明*

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

地鐵隧道竣工后通常需施測隧道結構斷面，以便檢查成形隧道結構斷面凈空和尺寸是否滿足地鐵列車的行車限界要求。由于隧道斷面結構形式較多、各設計單位對測量要求不同、加之測量精度要求高、任務重、時間短等因素，尋求簡單、方便、高效的斷面測量方法尤為重要。本文結合合肥軌道交通2號線工程實例，介紹了一種基于全站儀的斷面測量及數(shù)據(jù)處理方法，提高了斷面測量效率。

地鐵隧道；結構斷面；斷面測量；全站儀

1 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)、快速發(fā)展，形成了以“北上廣深”為代表的特大中心城市及以南京、武漢、成都等為代表的區(qū)域中心城市。隨著這些城市人口數(shù)量的激增，交通擁堵情況急需改善。以地鐵為代表的城市軌道交通由于安全、快捷、環(huán)保、高效等特點，已成為大城市改善交通問題的首選。

地鐵工程造價高昂，導致設計預留的安全結構限界余量一般較小。因此，除了在土建工程實施過程中加以各種質(zhì)量控制方法外，隧道竣工后還需施測隧道斷面，檢查成形隧道結構斷面凈空和尺寸是否滿足地鐵列車的行車限界要求，以便設計確認限界并作為判定是否需調(diào)整線路的依據(jù)?？紤]工期、各種施工過程等因素，能夠用于斷面測量的時間一般很短，加之工作量大、傳統(tǒng)的斷面測量方法效率不高以及新興的三維激光掃描方法儀器價格高昂，因此，尋求簡便可行的測量方法尤為迫切。本文主要就合肥軌道交通2號線工程利用全站儀及相關后處理程序提高隧道斷面測量效率進行詳細的說明與探討。

2 測量方法綜述

結構斷面測量主要為鋪軌前區(qū)間和車站軌行區(qū)的結構斷面測量，測量前應進行地下控制網(wǎng)聯(lián)測，聯(lián)測長度至少為兩站一區(qū)間。按合肥軌道公司2號線項目辦要求，一般情況下，直線段每 6 m、曲線段每 5 m(盾構可按4環(huán))測量一個橫斷面，同時，結構斷面施工偏差較大段和類型變化處應加測斷面?？紤]到該工程設計單位對于不同結構類型斷面的測點位置要求不同(如圖1所示)及目前國內(nèi)區(qū)間工程土建施工以盾構法為主，本文僅以圓形隧道為例進行介紹。

圖1 不同結構類型隧道斷面測點分布圖

2.1 坐標求里程方法簡介

本文后續(xù)需利用各斷面測點對應里程計算相關設計值，這里簡單介紹下計算線路外任意點坐標對應里程的方法?？紤]到在直線段上計算線路外任意點對應里程較為簡單，這里僅介紹曲線段計算原理。

如圖2所示，P為線路外任意一個斷面測點，首先，根據(jù)曲線起點O及任意點P的坐標反算出兩點間連線OP的方位角，再根據(jù)O點切線OA的方位角即可獲得兩直線間夾角α；然后，通過解算直角三角形OAP，獲得OA的長度，再將OA的長度加上起點里程，便得到新起點B的里程；最后，利用B點里程計算B點的坐標及切線方位角(相關算法比較成熟，這里不再累述)。再用B點代替起算點O來重復前面的計算，得到下一個新起點的里程、坐標及切線方位角，繼續(xù)重復迭代，直到計算得到的切線長無限接近零，終止迭代，最終獲得任意點P對應中線點P′的里程。此時任意點P與P′的連線方位角與P′的切線方位角的差值為±90°，即當?shù)諗繒r，任意點P與P′間的距離與它們方位角差值的正弦值的乘積就是該任意點P到中線的距離(又稱法距，左負右正)。

圖2 反算示意圖

2.2 測量方法簡介

傳統(tǒng)隧道結構斷面測量一般是先將儀器架設在給定里程標定的中線點上，然后后視另一個中線點，得到該里程線路中線( 曲線處為切線) 的垂面，再根據(jù)斷面特征和設計單位要求，確定橫斷面上測點位置，最終測得結構斷面相關參數(shù)。

本文提出的半自由設站斷面測量方法，首先，將全站儀架設在經(jīng)過隧道貫通聯(lián)測的控制點(不需要是中線點)上，后視其他控制點完成設站；然后，利用全站儀有序采集某一斷面相對軌面高相應高度的隧道內(nèi)壁測點三維坐標如圖1(a)。內(nèi)頁首先利用Excel輸入線路要素，計算獲得不同斷面各測點相對線路中心線的橫距、軌面高的高差以及該斷面的平均里程；再利用基于AutoCAD平臺開發(fā)的VBA程序以線路中心和軌面高為中心在AutoCAD中對同一斷面測量點進行曲線擬合繪制斷面圖，并根據(jù)設計要求自動提取相對軌面高相應高度的隧道斷面尺寸信息保存于相應文件夾中。整個流程如圖3所示。

圖3 自由設站斷面測量流程

3 工程實例

架設全站儀于已知控制點上，完成設站后根據(jù)圓形隧道的結構特點和設計要求開始對某一斷面特征點按序進行三維坐標采集(實際觀測中按相鄰管片縫隙控制所測點位大致位于同一斷面內(nèi)，如圖2所示)，然后繼續(xù)下一斷面測量，直至完成整個區(qū)間斷面測量，合肥地鐵2號線工程某斷面實測三維坐標數(shù)據(jù)如表1所示。內(nèi)業(yè)處理，首先根據(jù)線路要素和實測坐標計算該點對應的里程和橫距(至線路中心線的法距)，再根據(jù)里程計算該點位的對應線路里程的設計軌面高，從而獲得該點位在線路中線方向上的橫距和高差(如表1所示)。最后，在Excel中利用宏命令生成相應斷面類型特定格式的數(shù)據(jù)文件(如表2所示)。

橫距高差計算表 表1

斷面數(shù)據(jù)表 表2

打開AutoCAD程序，加載斷面圖繪制程序，同時將表2所示格式的斷面數(shù)據(jù)表拷貝至斷面繪圖程序同一文件夾下，再輸入命令開始繪圖并自動提取里程、尺寸等信息。所有斷面圖繪制完成后，各斷面對應的里程及尺寸信息將保存于預設的Excel表格中，斷面圖繪制結果如圖4所示。應該注意到，當實際測量過程中采用棱鏡貼于隧道內(nèi)壁進行數(shù)據(jù)采集，需將斷面圖外擴棱鏡半徑的大小，本程序在開發(fā)過程中已予以考慮；另一方面，由于該斷面圖為擬合斷面圖，為保證結果的可靠性和精度，理論上測點越多越好，考慮到外業(yè)測量效率，實際測量過程中一個斷面測點數(shù)控制為8個～12個即可。

圖4 擬合斷面圖

圖4中紅色十字絲為設計線路中心與設計軌面交點，綠色大圓為理論斷面圖，黑色為擬合結果。根據(jù)擬合斷面圖可獲得相對設計軌面高相應高度的線路中心至管片內(nèi)壁的距離，具體設計數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)對比如表3所示。

設計值與實測值對比表 表3

由表3可知，該斷面實測值和設計值差值較小，凈空滿足設計限界要求。值得注意的是，本文僅以一個斷面為例進行說明，無法體現(xiàn)該測量方法的高效性。事實上，只需將斷面數(shù)據(jù)按表2所示格式保存于同一文件中，斷面圖生成程序可以進行斷面的批量生成并自動提取各斷面里程、線路中線軌面高相應高度的尺寸參數(shù)保存于相應文件。實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動化處理，提高了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率。

4 可靠性分析

目前，地鐵工程中使用的全站儀多為2″級以上的全站儀，測量精度一般較高。除去上述測量固有誤差，本文所提出的斷面測量方法誤差主要包括外業(yè)利用與隧道管片縫對齊來保證測點在同一法面的誤差及內(nèi)業(yè)斷面擬合誤差。下面就上述兩種誤差的影響進行簡單說明。

目前，國內(nèi)地鐵運營所用地鐵列車基本為A、B型車。地鐵工程A型車正線線路設計一般允許最小的設計半徑為 350 m，困難情況可放寬至 300 m；而B型車正線一般允許最小設計半徑為 300 m，困難情況可放寬至 250 m。

如圖5所示，按最小曲線半徑 250 m，成型管片寬度 1.5 m的極端情況考慮，計算獲得b的角度為 3/500?？紤]圓形結構隧道的結構半徑R為 2.7 m。計算得L=R×b=0.016 m。通過上式可知測點距離線路中心越遠，按管片縫對齊尋求測點位于同一斷面的方法精度越低，也即實際利用對齊管片縫保證所測點位在同一法面的方法極端情況下會產(chǎn)生2倍L的誤差，此誤差小于城市軌道交通工程測量規(guī)范要求的橫斷面里程中誤差不大于 ±50 mm的規(guī)定。因此，外業(yè)測量只要注意對測量點位的控制，測量數(shù)據(jù)是可以滿足相關測量規(guī)范要求的。

圖5 測點與線路關系示意圖

為了驗證上述全站儀半自由設站斷面測量方法的可靠性，我們在合肥軌道2號線工程某盾構法施工區(qū)間，采用目前精度最好、方法最先進的三維激光掃描法所獲取的斷面尺寸數(shù)據(jù)為基準，將全站儀三維坐標法所測的數(shù)據(jù)與之對比。經(jīng)過前27個斷面(共計216個測點)兩種方法實測數(shù)據(jù)比對(如圖6所示)，結果顯示該斷面測量方法數(shù)據(jù)精度較高、方法可靠，完全滿足相關規(guī)范要求。

5 結 語

(1)本文基于全站儀半自由設站的斷面測量和后續(xù)數(shù)據(jù)處理方法，不僅具有測量方法簡便、效率高等特點，還具有適用性強等特點，即通過修改相關參數(shù)即可實現(xiàn)對各設計單位對測斷面要求的不同和斷面結構類型不同的解決方案。

(2)顯然該方法也適用于無棱鏡模式進行測量，但考慮到隧道環(huán)境復雜以及測量過程中所測斷面距離全站儀一定距離后容易測錯點位，故外業(yè)應盡量采用棱鏡貼于隧道內(nèi)壁進行數(shù)據(jù)采集，后續(xù)斷面圖繪制過程中需充分考慮棱鏡大小對結果的影響。

(3)雖然該方法外業(yè)測量簡便，實際為使測量成果更可靠，外業(yè)測量一般要求結構最低點、最高點附近位置必須測，同時盡可能保證測點在同一法面上且各點位位置分布適當均勻。根據(jù)我們的經(jīng)驗一個斷面測點數(shù)控制為8個～12個即可。

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Sectional Survey and Data Processing of Subway Tunnel Based on Total Station

Fei Xianming

(Beijing Urban Construction Exploration & Survey Design Research Institute Co.，Ltd，Beijing 100101，China)

After the completion of the subway tunnel，it is usually necessary to design the section of the tunnel structure to check whether the clearance and dimension of the tunnel structure meet the requirements of the subway train running. Due to the form of the tunnel structure is more，the design units have different measurement requirements，combined with high measurement accuracy，heavy task，short time and other factors，to seek a simple，convenient and efficient cross-section measurement method is particularly important. Combined with the example of Hefei Metro Line 2 project，the paper introduced a cross-section measurement and data processing methods based on the total station，greatly improving the efficiency of cross-section measurement.

subway tunnel；structural section；section survey；total station

1672-8262(2017)04-134-04

P209，P258

B

2017—02—07

費先明(1989—)，男，碩士，工程師，主要從事城市軌道交通工程測量工作。