全站仪免棱镜测距技术在隧道施工测量中的应用
摘要：全站仪以其高度自动化和准确快捷的定位功能在目前工程测量工具上确立了其统治地位。许多新技术运用到全站仪的制造和使用当中，如无反射棱镜测距、目标自动识别与瞄准、动态目标自动跟踪、无线遥控、用户编程、联机控制等。在隧道控制测量中，全站仪业已普及，但以其作为隧道施工测量的测量工具并不多见。新建隧道施工中的最主要工序，如掘进掌子面放样、断面测量及围岩净空位移量测等，与工程的经济效益、安全质量有着根本的联系。免棱镜测距技术的应用，通过辐射测量极坐标的方式，能够准确、快速地完成隧道掘进放样、断面测量、围岩净空位移量测等主要施工测量工作，全部测量内业利用计算机自动处理，为隧道施工测量带来技术革命，为整个工程节约时间、减少投资。本文以小磨高速公路东洋隧道隧道施工为例，介绍应用全站仪免棱镜测距这一新兴技术来进行隧道开挖放样、断面测量及围岩净空位移量测等隧道施工日常测量工作。
关键词：全站仪,免棱镜,测距技术,隧道施工
1工程概况
小磨高速公路东洋隧道位于云南省勐腊县境内，是小磨高速公路土建二十一合同段的咽喉控制工程。设计为双车道单洞双向行驶隧道，洞长305米，净宽11.2米，净高7.4米。全长275米。该段地质条件复杂，基本上是Ⅱ类围岩，成为该隧道施工的难点。隧道施工中掘进放样、开挖后断面测量及围岩监测等测量任务重，尤其是超欠挖所带来的经济损失更是不容忽视。对此，选择徕卡TCRA1101型免棱镜测距全站仪来进行开挖放样、断面测量及围岩净空位移量测等主要日常测量工作。徕卡TCRA1101型全站仪，测角精度为1.5″,测距精度为2+2ppm，免棱镜测量标称距离为250m。
2免棱镜测距技术的应用
2.1掘进掌子面断面放样
放样前，先将隧道设计参数如洞门点坐标及高程、纵坡参数、开挖断面形状等通过有关程序输入仪器内存。放样时仪器可置于导线点或利用自由测站、后方交会程序完成设站工作，包括设置测站点三维坐标、仪器高、方位角。为使仪器与掌子面距离不至于太远，仪器一般不直接安置于导线点上，而通常采用后方交会方式来完成仪器的设站工作。临时后视点可埋设在边墙上，但须注意检查其稳定性。
仪器建站后，首先瞄准掌子面（仅用激光点对准—激光与望远镜同轴）测出掌子面至仪器站的距离，仪器计算出掌子面的里程，根据里程及有关输入的参数定位掌子面开挖断面，而后开始进行开挖轮廓线上点的测设。放样点可按设置间距从左到右、从中间向两侧等不同顺序测设。当红色激光指向第一个点位确定后，点上红油漆就完成一个点位的放样工作，按操作键仪器在马达的驱动下转向下一个点，依此类推放样完所有的点（见图1）。 图1免棱镜测距技术应用示意图
当掌子面不平时，应增加每个点位的测量次数，一般设为3至6次，并给出点的允许偏差，仪器每测一次得所测点位的三维坐标并计算出激光点离设计轮廓的偏移值，将修正偏移值后重测其坐标值，重算偏移值，若偏移值在允许偏差范围内，激光点处位置即可认为是开挖轮廓线上的点，否则重测。
利用此程序还可以放样出掌子面每一个炮孔的设计位置。
2.2断面测量
徕卡TCRA1101PLUS型全站仪机内配置有两个程序可以进行断面测量。一个是在所测断面内的任一位置安设仪器，可用后方交会、自由测站或已知站点设站，确定仪器的三维坐标及设置方位角，然后启动断面测量程序，设置好有关参数后，仪器在司服马达的驱动下照准布于隧道轴线法线的竖直平面旋转一周，同时按设置间隔距离测取仪器到各测点的距离及角度，并存储于仪器内存或PC卡上，即完成一个断面的外业测量工作（图1所示）；另一断面测量程序是仪器不一定安置在所测断面垂直面内，建站工作同前，可测取仪器免棱镜测程内的所有需测的断面。此方法优点在于不用频繁搬动仪器，可测取任一需测断面，但开挖后的断面表面凹凸不平，断面每个点位的测取需重复多次。对衬砌后轮廓规则的断面此法测量速度将大大快于前一种方法。
将不同断面的外业测量记录输入装有相应断面测量后处理软件的计算机，计算机经过分析、计算与理论断面比较等处理过程，最后输出实测及理论断面比较图形、断面面积、超、欠挖面积等有关参数（见图2）。
2.3围岩净空位移量测
隧道采用钻爆法施工，根据新奥法基本原理，运用围岩监控量测来掌握施工过程中围岩变形及支护状况，及时准确获取监测信息，并指导施工，以达到安全、可靠、经济的目的。为快速、高效、准确完成围岩净空位移量测任务，采用三维非接触量测新技术。其基本原理是利用全站仪自由设站远距离测定量测点点位不同时段的三维坐标，将测量数据输入计算机进行后处理，最后输出监测成果。全站仪内相应配围岩收敛检测模块，计算机内配围岩收敛分析处理输出模块。
自由设站三维非接触观测系统由观测主机全站仪、反射靶标、后视基准点及计算机组成。
后视基准点要求稳固，其坐标可根据现场情况自行设置或利用隧道内控制测量的导线点；反射靶标采用3mm厚的薄铝板制成70×80mm的方板，表面贴上60×60mm的反射膜片，中间钻直径为3mm的小孔，用膨胀螺栓锚固在初期支护的表面或点焊在初期支护的钢筋上，按有关规范要求在隧道内进行点位布置。测量时中心小孔为照准点，观测时反射膜片与仪器光轴的倾斜角度应不大于30度，以减少照准对测距的影响。
观测前，对全站仪进行调校，使仪器处于最佳状态。观测时，打开仪器的角度改正及补偿器功能，并对仪器进行气压和温度的气象改正。观测采用记录测量模式，所有观测数据均存储在模块内。
全站仪采用自由设站，但为了消除膜片倾斜对测距的影响，每次量测时测站位置应大致相同。观测时采用三次重复设站，每次设站采用双盘测回结合三次重复照准的冗余观测方法，即每一测站上分别用两个盘位连续、重复照准三次目标点，然后取平均值作为一次设站观测的结果。量测频率主要根据位移速度和测点距开挖面的距离而定。一般在测点埋设初期测试频率每天1－3次，随着围岩渐趋稳定，量测次数减少，当出现不稳定征兆时，增加量测次数。当围岩达到基本稳定后，以1次/3日的频率量测2周，若无明显变形，则可结束量测。
将每次测量记录按要求输入装有后处理程序的计算机，计算机将自动分析处理量测数据，并相应输出量测成果，并打印报表。
3免棱镜测距技术应用于隧道测量有如下优点:
（1）测量速度快
掘进放样、断面测量、围岩净空位移量测等每一断面均可在几分钟内完成。
（2）准确
一是测设定点精度准确。其精度可依工程所需而定，可达几毫米的精度。二是固定性。程序编制时要求仪器自动寻找断面上相同的点（即虽掌子面里程不同，但所放样各点在隧道纵向上相对于隧道中线、轨面的位置固定），且各点在开挖轮廓线上间距一致，这为钻眼爆破带来极大便利——测点即是炮眼，炮眼间距固定。每茬炮钻眼在断面同一位置，为钻眼角度提供很好的参考方向，使整个隧道炮眼顺直，进一步减少超欠挖，减少安全质量隐患。同理，如有必要，也可将需要的爆破设计炮眼位置准确放样出来，如掏槽眼等，为提高爆破效果提供技术援助。
（3）设站灵活
因为仪器可用距离后方交会设站，这就给测量带来很大灵活性，可以在不同的现场条件下选择最佳位置设站，减少其它工序对测量的干扰，反之也减少了测量对其它工序的干扰。在某些人力设备不能到达的或危险的地方，只要满足测程与通视两个条件就可完成测量任务，减少测量对其它机械设备（如脚手架，升降机等）的依赖。因全站仪采用极坐标的方式进行放样，加上其自动化程度较高，一般即需二人即可完成作业任务。
（4）与其它工序平行作业
传统开挖轮廓线放样一般在出碴完后进行，往往占用数十分钟的时间，而采用全站仪放样，尤其是通风效果好时，可将仪器安置在边墙附近，装碴的同时便可完成碴堆以上开挖轮廓线放样与坑道断面扫描，装碴完成后抢用其它工序准备工作的几分钟完成剩余测量工作。或装碴快完成时，边装碴边测量，实现零分钟测量。
（5）适应性强
因全站仪是以极坐标方式来测量坑道上的点的坐标，而设计坑道上任何点都有自身的解析坐标，从测量的观点与隧道解析观点来看，也就不再存在曲线隧道、曲墙断面放样、工作面不规则等种种不便，使各式各样的线路走向、断面形状问题统一化为极坐标与隧道解析的问题。我们关心的是如何去准确测量点的三维坐标，在程序中如何描述线路、断面设计参数，让计算机去关心具体一个点位于曲线与直线、直墙与曲墙的问题。
4结语免棱镜测距的出现，使传统隧道工程测量不易、不能解决的问题得到很好的解决。准确、快速、灵活的测量，有望建立隧道表面数字模型，准确快速绘制任意里程断面图，为施工决策提供数据基础，减少浪费，减少返工，为整个工程提供基础保证。虽然目前此类功能齐全（无棱镜测距，司服马达等）的全站仪价格一般偏高，但综合整个工程来考虑，还是减少了工程造价。随着长测程无棱镜测距硬件的进一步完善，入世后硬件价格的下降，计算机技术人员的积极参与其中，开发出完备的软件系统，这一技术将在隧道施工放样中得到普及，取代传统的断面放样、断面测量及围岩净空位移量测等，特别是长大隧道更应将其作为首选测量工具。