公路隧道开挖断面检测方法与评价

(一)测量原理

断面仪的测量原理为极坐标法。如图4.2-7所示,以某物理方向(如水平方向)为起算方向,按一定间距(角度或距离)依次测定仪器旋转中心与实际开挖轮廓线交点之间的矢径(距离)及该矢径与水平方向的夹角,将这些矢径端点依次相连即可获得实际开挖的轮廓线。通过洞内的施工控制导线可以获得断面仪的定点定向数据,在计算软件的帮助下,自动完成实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的空间三维匹配,最后形成如图4.2-8所示的输出图形,并可输出各测点与相应设计开挖轮廓线之间的超欠挖值(距离、面积)。如果沿隧道轴向按一定间隔测量多个检测断面,则还可以得出实际开挖方量、超挖方量、欠挖方量。用断面仪测量实际开挖轮廓线的优点在于不需要合作目标(反射棱镜)。

图4.2-7　断面仪测量原理

图4.2-8　断面仪输出效果图

用断面仪测量开挖轮廓线,断面仪可以放置在隧道内的任意位置,扫描断面的过程(测量记录)可以自动完成。所测的每点均由断面仪发出的一束十分醒目的单色可见红色激光指示,而且可以由人工随时加以干预。如果在断面仪自动扫描断面的测量过程中,发现轮廓线上的某特征点漏测了,还可以随时用断面仪配置的手持式控制器发出一个停止命令,然后用控制键操纵断面仪测距头返回欲测的特征点,完成该点的测量后继续扫描下去。除此之外,在自动测量过程中,测点的间距还可以根据断面轮廓线的实际凹凸形状,随时动态地加以修正。如果事先在控制器中输入了设计断面形状,隧道轴线,平面、纵面设计参数(可以在室内输入)以及断面仪实测时的定向参数(实测时输入),则在完成某一开挖断面的实际测量后,可以立即在控制器的屏幕上显示如图4.2-9所示的图形。在控制器上操纵断面仪测距头旋转,指向激光所指示的断面轮廓线上的某点,就可以对应于控制器上图形显示的光标点,并可以实时显示该点的超欠挖数值。

如果想获取最后的输出成果,则将断面仪控制器中的数据传输到普通计算机中,运行断面仪配套的后处理软件,即可从打印机、绘图机上自动获得如图4.2-9所示的成果。

目前在隧道施工中,激光断面仪不仅可以应用于开挖断面检测,也广泛应用在初期支护(喷射混凝土衬砌)和二次衬砌断面轮廓检测中。

图4.2-9　断面仪测量及输出成果图

(a)断面仪测量;(b)输出成果图

(二)测量仪器

图4.2-10　BJSD-5型断面仪及PDA

激光断面仪是将现代激光测距和计算机技术相结合开发出来的硬件、软件一体化的隧道断面测量仪器。我国自20世纪90年代初,引进瑞士Amberg公司生产的断面仪(有Profiler2000、Profiler3000、Profiler4000等型号)。其中Profiler4000型可以利用后方交会的方法来确定断面仪的坐标和方位。但是,在隧道中用后方交会来确定测站坐标很不方便,也很难操作,另外,专用断面仪价格十分高昂。因此,为了对断面仪进行定位,还需要用经纬仪或全站仪进行测量。

为此,国内外测量仪器厂商经过科研攻关,开发出了众多隧道断面检测仪器系统。下面以国内开发生产的BJSD系列激光隧道多功能断面检测仪(图4.2-10)为例进行简要介绍。

1.仪器组成及特点

(1)仪器组成。断面仪由检测主机、测量控制器(掌上电脑)、三脚架、软件等部分组成。

(2)仪器特点。

①检测精度高,测量数据记录简洁,自动记录,存储空间大。

②无须交流供电,使用充电电池供电,携带方便,符合现场使用条件。

③现场无须携带笔记本,掌上电脑操作方便,软件功能强大,操作简便,全中文界面,支持多种操作系统。

④断面仪可现场显现被测断面图形。

2.主要技术指标

(1)检测半径:1～45m。

(2)检测点数:自动检测,一般为35个点/断面。

(3)测距精度:优于±1mm。

(4)测角精度:优于0.01°。

(5)方位角范围:30°～330°(仪器测头垂直向下为0°),连续测量60°～300°。

(6)手动测头转动方位角范围:0°～360°。

(7)定位测量方式:具有垂直向下激光定心标志、测距功能。

3.主要功能(www.xing528.com)

可用于测量当前断面、指示炮眼位置、围岩收敛量测、测量土石方等。

4.测量方式

隧道断面检测仪需要全站仪配合,其测量方式有以下三种。

(1)手动检测方法。由操作者控制检测指示光标随意进行测量和记录。

(2)定点检测法。可设置起止角度及测量点数等参数,仪器将按照所定参数自动测量并记录。

(3)自动量测法。仪器依照内部设定的间隔,自动检测并记录数据。

(三)检测方法

1.检测前准备

(1)根据检测任务要求确定检测断面、单个断面检测点数。一般情况下,开挖检测断面为20m一个,初期支护检测断面为10m一个,二次衬砌检测断面为20m一个。

(2)采用隧道激光断面仪对隧道开挖断面检测前,应先采用经纬仪或全站仪按一定间距放出测量断面中线测点(放置断面仪的点)及该测点的实际高程和对应法向点(与测量点连线且在垂直于隧道轴线的横断面上的点),并记录该点的桩号、实际高程和与中线偏位值。

(3)放点要求。隧道激光断面仪进行断面检测具有任意点检测的优势,检测时虽然无固定检测位置的要求,但为了便于后期数据处理,一般要求如下:

①条件允许情况下,检测点应放在隧道轴线上(保证等角自动测量时各测点的间距相等)。

②现场条件受限,不能在隧道轴线放置检测点时,可以偏离隧道轴线放检测点,但是应记录实际高程和与隧道轴线偏位值,并适当加密检测点(避免被检断面远离检测点一侧的测点间距过大)。

③直线隧道且检测点距离较短情况下,可以用相邻测量断面的轴线检测点来确定测量断面与隧道轴线垂直的方向,但是在曲线隧道和偏离隧道轴线放点的情况下须事先放出法向点。

2.隧道断面检测步骤

(1)将隧道激光断面仪置于所需要检测断面的测量点上,安装并调整好仪器,使仪器水平且垂直归零后光点在测量点上。

(2)利用该检测点的法向点或者相邻检测点(在直线段均为中线测点的情况下),确定断面仪主机方向,保证所检测的断面在垂直隧道轴线的断面内,且统一按特定旋转顺序检测。

(3)退出仪器手动调试界面进入主界面,选择“测量断面”。

(4)在“测量断面”中选择等角自动测量,并输入所测量断面的桩号,设置好所量测断面的起始和终止测量角度及所需量测的点数等参数,最后单击“测量”按钮,仪器自动开始检测,检测时注意观察掌上电脑上所显示的检测断面曲线,如发现异常测点,及时进行现场观察,以便确定是否为障碍物遮挡引起。

(5)测量结束,在提示栏中显示检测完成的信息时即可退出,数据自动保存在掌上电脑中(部分新型断面仪,在测量结束后需要将新测的断面保存在已有或者新建的断面组文件内),然后进行下一个断面检测。检测断面数据带回室内进行处理,以减少在隧道内的时间和对施工的影响。

3.检测数据处理

现场检测完成后,回到室内将掌上电脑的测量数据传输到计算机上,采用该仪器提供的台式机后处理软件对数据进行处理。处理步骤如下:

(1)编辑标准断面。熟悉设计资料中的标准断面,根据检测断面测点选择情况和标准断面情况,考虑到各个断面的超高旋转等因素之后编制标准断面。

(2)打开标准断面。逐个导入测量曲线(部分新型断面仪导入断面组文件)。

(3)断面数据处理。

①确定水平调整参数,根据测量点的中点偏位和标准断面原点的位置,确定水平偏位调整值X(测点在标准断面原点右侧为正值,左侧为负值)。

②确定高差调整值,根据测点实际高程H1 和标准断面原点设计高程H2,确定高差调整值Δh。

③计算最终仪器高度值,用测量时的仪器高度值Z1 和高差调整值Δh计算标准断面仪器高度Z,即完成断面数据处理过程。

(4)完善断面标记。输入相关测量信息(如测量时间、测量单位和测量人等)和检查断面桩号,如发现检测现场输入断面有误,则在断面输出前重新编辑桩号。

(5)输入断面结果。根据检测要求和实际需要输出断面处理结果。最后根据处理的标准曲线与实测曲线对比图像和输出的附表的说明,判断隧道断面是否侵入标准断面(初期支护或者二次衬砌)的设计限界,在哪些部位存在侵限和侵限值大小。为了便于后期使用,在最后的结果中应标注障碍物等引起的假侵限部位。

以上为隧道激光断面仪检测隧道的一种方法,但不是唯一方法。