隧道洞內(nèi)平面導(dǎo)線測(cè)量和三角高程測(cè)量同步實(shí)施應(yīng)用技術(shù)

宋曉朋 SONG Xiao-peng

（中鐵二十五局集團(tuán)第四工程有限公司，柳州 545007）

0 引言

最新的《工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50026-2020）規(guī)范中規(guī)定，當(dāng)采用2″級(jí)及以上全站儀即可進(jìn)行四等高程測(cè)量工作。本文以貴州高速雙線公路隧道洞內(nèi)采用全站儀同步進(jìn)行平面導(dǎo)線測(cè)量和三角高程測(cè)量應(yīng)用為例，探討分析了常規(guī)的平面導(dǎo)線測(cè)量與水準(zhǔn)高程測(cè)量分開(kāi)獨(dú)立實(shí)施和平面導(dǎo)線測(cè)量與三角高程測(cè)量同步實(shí)施兩種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)三角高程測(cè)量影響因素多，相對(duì)于水準(zhǔn)測(cè)量精度低的特點(diǎn)，創(chuàng)新性提出了棱鏡桿加裝雙圓水準(zhǔn)器代替前后視基座棱鏡法，消除了基座棱鏡架立時(shí)每次所需鋼尺量測(cè)棱鏡高所帶來(lái)的誤差，同時(shí)提出采取提高全站儀等級(jí)為1″級(jí)且具備“多測(cè)回測(cè)角”自動(dòng)觀測(cè)程序等措施，有力彌補(bǔ)了三角高程測(cè)量精度不足的缺點(diǎn)。

1 工程項(xiàng)目簡(jiǎn)介

項(xiàng)目標(biāo)段地處貴州省遵義市匯川區(qū)桐梓縣茅石鎮(zhèn)境內(nèi)，隧道穿越黔北高原的婁山關(guān)山脈。該區(qū)域地形特征顯著，山巒連綿起伏，溝谷縱橫交錯(cuò)，進(jìn)出口溝谷深切，形成典型的溶蝕侵蝕地貌。為確保測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，所有測(cè)量控制點(diǎn)均選址于遠(yuǎn)離樹(shù)木和其他結(jié)構(gòu)物的開(kāi)闊地帶，以確保GNSS 觀測(cè)信號(hào)不受周圍環(huán)境的干擾。

隧道工程采用雙線分離式設(shè)計(jì)，兩隧道中心線間距維持在28m 至46m 之間，隧道全長(zhǎng)約為3929m，最大高差約為78m。隧道的設(shè)計(jì)凈高為7.12m，設(shè)計(jì)寬度為10.75m。為便于人員與車輛通行，兩隧道之間橫向每隔250m 左右設(shè)有人行通道或車行通道。

2 測(cè)量方案的確定

在隧道工程啟動(dòng)之前，項(xiàng)目部測(cè)量技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)該隧道的測(cè)量方案進(jìn)行了細(xì)致的評(píng)估和比較。團(tuán)隊(duì)主要圍繞兩個(gè)方案展開(kāi)深入探討，分析各自的優(yōu)勢(shì)與不足，并在此基礎(chǔ)上提出了切實(shí)可行的取長(zhǎng)補(bǔ)短措施。經(jīng)過(guò)綜合考量，最終確定了經(jīng)項(xiàng)目部測(cè)量技術(shù)團(tuán)隊(duì)優(yōu)化后的方案二施工時(shí)施測(cè)，隧道掘進(jìn)一定距離以確保隧道工程的順利貫通時(shí)用方案一請(qǐng)公司精測(cè)隊(duì)進(jìn)行復(fù)測(cè)。

方案一：本方案計(jì)劃利用全站儀實(shí)施平面導(dǎo)線控制測(cè)量，利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程控制測(cè)量。這一方案的優(yōu)勢(shì)在于使用專用儀器分別針對(duì)不同測(cè)量需求進(jìn)行作業(yè)，能確保測(cè)量結(jié)果的精度與可控性。缺點(diǎn)在于，由于需分別使用不同儀器進(jìn)行兩次獨(dú)立的測(cè)量工作，且包括記錄、計(jì)算等多項(xiàng)工作均需由人工完成，因此將消耗更多的時(shí)間與人力資源，作業(yè)效率相對(duì)較低。此外，人為參與較多的工作也可能增大誤差出現(xiàn)的概率。

方案二：利用全站儀同步進(jìn)行平面導(dǎo)線控制測(cè)量及三角高程控制測(cè)量。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在效率方面，只需架設(shè)一次儀器即可完成平面與高程的同步測(cè)量，前、后視使用棱鏡桿架設(shè)棱鏡的方法相較于使用三角架和基座架設(shè)棱鏡的方法，對(duì)人員數(shù)量要求不高，僅需一人即可完成工作，且棱鏡桿對(duì)中速度更快，節(jié)省了時(shí)間與人力成本。在便捷方面，因全站儀具有自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，不僅可以避免繁瑣的人工記錄步驟，同時(shí)也減少了數(shù)據(jù)輸入時(shí)的錯(cuò)誤，從而顯著提高了測(cè)量檢核工作的效率。在可靠性方面，使用全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可以有效減少人為記錄所產(chǎn)生的誤差，同時(shí)，由于棱鏡桿的高度是預(yù)設(shè)的常數(shù)，因此也可以避免因儀器高度人工量測(cè)讀數(shù)時(shí)產(chǎn)生的誤差，增加了數(shù)據(jù)的可靠性。

然而，該方案也存在一些局限性。首先，在測(cè)量精度方面，三角高程測(cè)量的精度主要依賴于全站儀的測(cè)垂直角與測(cè)距精度，而大氣折光影響全站儀的測(cè)垂直角精度，可能會(huì)影響到最終的測(cè)量結(jié)果。每次架站都需要使用鋼尺來(lái)測(cè)量全站儀的高度，這一過(guò)程中人為的誤差以及鋼尺自身的刻度誤差都可能造成高差誤差。此外，在使用棱鏡桿的過(guò)程中，棱鏡桿若受到輕微碰撞會(huì)導(dǎo)致圓水準(zhǔn)器發(fā)生不易察覺(jué)的偏移，而這種偏移會(huì)對(duì)測(cè)量角度的精度產(chǎn)生影響。

鑒于前述兩種測(cè)量方式各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以及當(dāng)前項(xiàng)目測(cè)量人員緊張的實(shí)際狀況，項(xiàng)目部測(cè)量技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)研究，決定采用第二種方案。針對(duì)三角高程測(cè)量可能存在的精度不足和偏差較大的問(wèn)題，技術(shù)團(tuán)隊(duì)提出了以下改進(jìn)措施以提升測(cè)量精度：首先，采用帶雙圓水準(zhǔn)器的棱鏡桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三角架加基座棱鏡（如圖1 所示）。此種棱鏡桿在兩個(gè)方向上均設(shè)有圓水準(zhǔn)器，這種設(shè)計(jì)顯著提高了棱鏡桿對(duì)中時(shí)的靈敏度，在測(cè)量過(guò)程中更容易察覺(jué)棱鏡桿的偏移，避免由此產(chǎn)生難以察覺(jué)的誤差。其次，為提高測(cè)角精度和測(cè)量效率，技術(shù)團(tuán)隊(duì)決定借調(diào)一臺(tái)測(cè)角精度達(dá)到1″級(jí)的全站儀，且具備有“多測(cè)回測(cè)角”自動(dòng)觀測(cè)程序、自動(dòng)數(shù)據(jù)錄入、自動(dòng)計(jì)算以及自動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入等功能，通過(guò)自動(dòng)照準(zhǔn)功能增加測(cè)回次數(shù)、利用自動(dòng)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理功能，不僅能提高測(cè)角精度，還顯著減少了人為操作可能引入的誤差，測(cè)站儀高不同方向量取兩次取均值，通過(guò)選擇有利的觀測(cè)時(shí)間、提高觀測(cè)視線的高度以及實(shí)施對(duì)向觀測(cè)等措施，可以有效降低大氣折光對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響。棱鏡桿加裝圓水準(zhǔn)器如圖1 所示。

圖1 棱鏡桿加裝圓水準(zhǔn)器

3 三角高程測(cè)量代替水準(zhǔn)測(cè)量方法的依據(jù)原理

3.1 三角高程測(cè)量代替水準(zhǔn)測(cè)量的規(guī)范

根據(jù)最新的《工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50026 一2020）規(guī)范規(guī)定，當(dāng)采用2″級(jí)及以上全站儀即可進(jìn)行四等高程精度的測(cè)量工作。

工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中電磁波測(cè)距三角高程觀測(cè)的主要技術(shù)要求如表1 所示。

表1 工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中電磁波測(cè)距三角高程觀測(cè)的主要技術(shù)要求

3.2 三角高程測(cè)量原理

三角高程測(cè)量高差斜距計(jì)算公式：hAB=Ssina+i-v，hAB是兩點(diǎn)高差，S 是兩點(diǎn)斜距，a 是垂直角（或天頂距），i 是儀器高，v 是目標(biāo)高。

隧道洞內(nèi)三角高程導(dǎo)線測(cè)量是一種同步觀測(cè)平面和高程的方法，旨在提升觀測(cè)效率。針對(duì)隧道施工的實(shí)際場(chǎng)景，通常不獨(dú)立進(jìn)行三角高程測(cè)量，而是與平面導(dǎo)線測(cè)量同時(shí)進(jìn)行。在使用全站儀的“多測(cè)回測(cè)角”功能進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)時(shí)，儀器會(huì)自動(dòng)記錄邊長(zhǎng)、水平角、天頂距等數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員只需測(cè)量?jī)x器高度、內(nèi)業(yè)計(jì)算，即可得出測(cè)量結(jié)果。這種方法有效減少了工作量，從而提高了工作效率。

4 具體測(cè)量方法

4.1 測(cè)前準(zhǔn)備工作

為確保測(cè)量工作的順利進(jìn)行，觀測(cè)人員應(yīng)至少配備四人，全站儀必須經(jīng)過(guò)送檢鑒定，同時(shí)提前與現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員溝通，以創(chuàng)造有利的測(cè)量環(huán)境。在測(cè)量前，須對(duì)儀器進(jìn)行全面檢查，確保各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)正常。其它準(zhǔn)備物品包括：備用儀器、鋼尺、對(duì)講機(jī)、全站儀腳架、強(qiáng)光手電筒及其電池，以及兩個(gè)帶雙圓水準(zhǔn)器的專用棱鏡桿。為確保測(cè)量精度，須對(duì)棱鏡桿進(jìn)行垂直檢測(cè)，確保兩個(gè)棱鏡桿垂直且高度一致。這樣在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，無(wú)需再單獨(dú)測(cè)量棱鏡桿的高度。

4.2 隧道洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)布設(shè)

在隧道設(shè)計(jì)中，洞內(nèi)每隔約250m 的距離設(shè)置有人行通道或車行通道，在左右隧道的人行通道或車行通道中統(tǒng)一埋設(shè)一對(duì)導(dǎo)線點(diǎn)，導(dǎo)線點(diǎn)間距盡量相等，這樣設(shè)置導(dǎo)線點(diǎn)能使測(cè)量人員在實(shí)際測(cè)量中構(gòu)成閉合導(dǎo)線，便于檢核、提高隧道測(cè)量時(shí)的精度。在曲線位置或前期施工階段，導(dǎo)線點(diǎn)的埋設(shè)需加密，每隔120m 即應(yīng)埋設(shè)導(dǎo)線點(diǎn)。洞內(nèi)250m 導(dǎo)線點(diǎn)的具體位置如圖2 所示。

圖2 洞內(nèi)250m 導(dǎo)線點(diǎn)位置

4.3 進(jìn)行平面導(dǎo)線及三角高程導(dǎo)線測(cè)量

采用的全站儀是徠卡TCA1201 1″級(jí)按測(cè)存鍵測(cè)完自動(dòng)記錄。隧道左洞導(dǎo)線點(diǎn)號(hào)ZBZ01、ZBZ02、ZBZ03、…隧道右洞導(dǎo)線點(diǎn)號(hào)ZBY01、ZBY02、ZBY03、…儀器架在設(shè)計(jì)GNSS 控制點(diǎn)C10 上，對(duì)中整平好儀器，量取全站儀高記錄，前視和后視架設(shè)棱鏡桿，使兩個(gè)圓水準(zhǔn)器居中，瞄準(zhǔn)各棱鏡十字絲，按照盤左測(cè)存后-前，盤右測(cè)存前-后，一測(cè)回就完成了，我們?yōu)榱朔乐钩霈F(xiàn)偶然誤差或限差不滿足測(cè)五個(gè)測(cè)回，內(nèi)業(yè)去除一個(gè)差值較大的測(cè)回?cái)?shù)據(jù)，不符合要求時(shí)對(duì)本測(cè)站重新進(jìn)行觀測(cè)。全站儀導(dǎo)出數(shù)據(jù)表2。

表2 全站儀導(dǎo)出數(shù)據(jù)表

4.4 數(shù)據(jù)處理和成果計(jì)算

在外業(yè)工作測(cè)量任務(wù)完成后，使用計(jì)算機(jī)導(dǎo)出全站儀所記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)，并遵循統(tǒng)一規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)命名。打開(kāi)模板e(cuò)xcel 電子表格，這里面需要編輯一些小程序，簡(jiǎn)單的計(jì)算角度，弄成模板以后直接使用，模板e(cuò)xcel 電子表格前三列六處黃色地方輸入前視、測(cè)站、后視點(diǎn)號(hào)及儀器高，后面三列儀器導(dǎo)出數(shù)據(jù)復(fù)制粘貼到相應(yīng)位置，黑色數(shù)據(jù)模板公式自動(dòng)計(jì)算得到，模板e(cuò)xcel 全站儀三維導(dǎo)線隧道測(cè)量記錄表3。

表3 全站儀三維導(dǎo)線隧道測(cè)量記錄表

上述表格是每個(gè)測(cè)站數(shù)據(jù)，提取每個(gè)表格成果中的導(dǎo)線前進(jìn)左角數(shù)據(jù)，導(dǎo)線邊長(zhǎng)，導(dǎo)線點(diǎn)間高差，將這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)運(yùn)用兩種專業(yè)軟件進(jìn)行平差計(jì)算，以確保數(shù)據(jù)的精確性和可靠性。通過(guò)這一嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算過(guò)程，能夠解算出每個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)的三維坐標(biāo)，為后續(xù)工作提供精確的數(shù)據(jù)支持。

5 換手復(fù)測(cè)，提高導(dǎo)線點(diǎn)精度，確保隧道順利貫通

5.1 選取人通或車通位置的導(dǎo)線點(diǎn)形成閉合導(dǎo)線

隨著隧道掘進(jìn)距離的不斷增加，為確保測(cè)量精度和隧道施工的安全性，為確保隧道施工的順利進(jìn)行并保障其精確貫通，需在洞內(nèi)選取左右人行通道和左右車行通道或橫洞各一對(duì)導(dǎo)線點(diǎn)，以此構(gòu)建閉合導(dǎo)線。閉合導(dǎo)線可對(duì)以往測(cè)量的部分導(dǎo)線點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，從而確保測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性。需邀請(qǐng)公司專業(yè)精測(cè)隊(duì)伍進(jìn)行換手復(fù)測(cè)工作。換手復(fù)測(cè)將采用平面導(dǎo)線測(cè)量法，同時(shí)使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程復(fù)核。在進(jìn)行平面導(dǎo)線測(cè)量時(shí)，需使用三腳架和基座進(jìn)行前、后視的棱鏡架設(shè)工作。鑒于隧道內(nèi)部光線昏暗，將安排專人負(fù)責(zé)照明并觀測(cè)周圍環(huán)境，同時(shí)另一人負(fù)責(zé)光學(xué)對(duì)中整平工作。測(cè)站點(diǎn)則應(yīng)由一名專業(yè)測(cè)量人員負(fù)責(zé)測(cè)量，另一人進(jìn)行記錄。對(duì)于水準(zhǔn)測(cè)量工作，因視距過(guò)長(zhǎng)可能導(dǎo)致觀測(cè)不清晰，則需安排一人負(fù)責(zé)扶尺，另一人負(fù)責(zé)照明，以確保測(cè)量工作的精確性和可靠性。導(dǎo)線復(fù)測(cè)成果詳細(xì)記錄于表4 中。

表4 導(dǎo)線復(fù)測(cè)成果表桐新高速項(xiàng)目宗寶山隧道（進(jìn)口）洞內(nèi)導(dǎo)線平差計(jì)算表（2022.04.10）

5.2 三角高程導(dǎo)線成果和導(dǎo)線復(fù)測(cè)對(duì)照表

三角高程導(dǎo)線成果和導(dǎo)線復(fù)測(cè)、水準(zhǔn)測(cè)量成果對(duì)照表如表5。

表5 三角高程導(dǎo)線成果和導(dǎo)線復(fù)測(cè)水準(zhǔn)測(cè)量成果對(duì)照表

6 結(jié)束語(yǔ)

隧道貫通后，進(jìn)行貫通測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明：隧道左洞在貫通里程上存在縱向11mm 的偏差，橫向存在19mm 的偏差，高程偏差為14mm。隧道右洞貫通里程的縱向偏差為34mm，橫向偏差為24mm，高程偏差為6mm。（差值均在允許誤差范圍內(nèi)）這些數(shù)據(jù)均顯示，在長(zhǎng)隧道內(nèi)運(yùn)用全站儀同步進(jìn)行平面導(dǎo)線測(cè)量以及控制三角高程測(cè)量的方法，其效果不僅顯著提升了工作效率，同時(shí)也完全滿足了工程對(duì)于精度的嚴(yán)格要求。