自制隧道斷面測量尺裝置構造介紹及應用過程中一系列問題解決方案

殷文彥

(北京市勘察設計研究院有限公司工程測量所，北京100038)

一、應用背景

按照相關規范要求［1－2］，在地鐵工程測量中地鐵隧道應直線段每6 m、曲線段每5 m測量一個斷面，結構橫斷面變化處和施工偏差較大段應加測斷面，所以隧道斷面測量是一項工作量很大的測量工作。同時斷面測量要求測出的成果能夠反映隧道在三維方向的偏差量，是一項三維測量，難度較大。該斷面測量是在施工階段隧道內進行的測量工作，受隧道惡劣的環境干擾較大。

結合以上幾個方面，研制出一套簡單、易行、方便、好用的斷面測量裝置，既能準確測量隧道三維位置，又能提高效率、減少外部干擾，在斷面測量中顯得尤為必要。下文介紹的筆者所在單位研制的隧道斷面測量尺裝置基本滿足了上述要求。

二、使用原理

地鐵隧道斷面形式中基本有3種形式:圓形、馬蹄形、矩形。尤其是近幾年盾構施工的大量普及，圓形隧道逐漸占據斷面形式的絕大多數。在北京地鐵圓形隧道基本上都是內徑為5．4 m、外徑6 m圓形斷面形式(圖1)，在理想情況下，施工完畢的圓形隧道內部斷面是個直徑為5．4 m的標準圓，所以該圓形隧道的斷面測量的關鍵是精確測出隧道中心線對應平面位置及隧道中心線對應拱頂或拱底標高。可以根據圓形隧道的對稱結構，利用某一裝置在成型的隧道中精確標定出隧道中線的位置，采用測量儀器采集其對應的三維坐標即可滿足斷面測量數據采集的基本要求。

如圖1所示，隧道測量尺裝置主體為3 m長度的鋁合金方形管材，隧道尺中心位置安裝一反射片，反射片中心對應鋁合金管材的中心位置，在隧道尺的兩端分別安裝一水準管，且保證水準管的橫軸和隧道尺的橫軸平行。

圖1 隧道斷面測量尺用于隧道斷面測量

在斷面施測過程中，把隧道斷面尺放在隧道壁上，隧道壁干凈、光潔，根據水準管來調平斷面測量尺，反射片中心既為隧道中心。在隧道內控制點架設全站儀測量反射片的三維坐標，平面坐標既為隧道中心線坐標，高程坐標減去反射片中心到拱底的距離既為隧道中心線對應拱底標高。該三維標高對應設計值可以算出隧道斷面在三維方向的偏差量。

具體實施步驟:

1)把隧道斷面尺打開，平放在隧道壁上，并保證隧道壁干凈、光潔，根據水準管來調平斷面測量尺，測量專用反射片朝向測量儀器;

2)在隧道內控制點架設全站儀測量反射片中心三維坐標;

3)反射片平面坐標既為隧道中心線坐標，高程坐標減去反射片中心到拱底的距離既為隧道中心線對應拱底標高;

4)根據隧道實測三維坐標可以算出隧道斷面在三維方向的偏差量。

三、自制隧道斷面尺裝置構造介紹

通過筆者所在單位地鐵7號線、6號線二期斷面測量中大量實踐摸索，試制了若干把不同構造的斷面測量尺，并根據現場使用過程中反饋信息進行優化改進，最終定型為下圖形制，圖2—圖4為隧道斷面測量尺設計圖，圖5為自制隧道斷面測量尺照片。

圖2 隧道斷面測量尺正面圖

圖2中1為第一反光條，2為測量專用反射片，3為第二反光條。

圖3 隧道斷面測量尺俯視圖

圖3中1為第一反光條，3為第二反光條，4為第一水準管，5為第二水準管，6為門軸式對折裝置。

圖4 隧道斷面測量尺俯視圖(折疊后)

圖4中1為第一反光條，3為第二反光條，4為第一水準管，5為第二水準管，6為門軸式對折裝置

圖5 自制隧道斷面測量尺照片(半折疊)

本隧道斷面測量尺主要有以下幾個部分組成:

1)測量尺主體，為中空的方形鋁合金材質，重量約3 kg，規格為3000 mm×60 mm×30 mm(長、寬、厚)，長度可根據隧道直徑進行調整，長度宜大于隧道半徑小于隧道直徑。

2)測量專用反射片，斷面尺中心和反射片中心必須精確重合。在全站儀激光測距時，測量專用反射片用于反射激光，測距時全站儀須精確瞄準反射片中心進行測量。該測量專用反射片為常見的測量專用設備，市場上較易買到。

3)水準管，兩個水準管分別對稱設計在測量尺兩端，用于測量過程中的整平。水準管帶有微調裝置，保證水準管和測量尺主體軸線平行。

4)門軸式對折裝置，采用中部對折設計，對折后長度1．5 m，便于運輸和攜帶。門軸式對折裝置用螺絲固定在兩半截測量尺主體上，加工時確保兩半截測量尺左右對稱。該門軸式對折裝置相對于其他裝置(如抽拉式)可更方便保證測量尺主體的左右對稱性。

5)反光條，位于測量尺兩端頭，在昏暗的隧道內起到警示作用，便于找尋目標及規避損壞。

四、若干問題解決方案

1．斷面里程確定

使用斷面測量尺進行斷面測量時，被測隧道位置的里程在現場是無法確定的，但是只有知道了隧道里程才能確定隧道斷面設計要素，這些設計要素是用來判斷隧道限界的必要條件，所以測量人員必須準確確定被測位置里程［2］。在外業施測過程中，測量人員根據管片環數估計出被測位置的初略里程，在內業過程中，把實測出的斷面尺的中心平面坐標(y，x)點位展在地鐵隧道線路設計圖(后綴為．dwg電子版圖)上，再從該點向線路中心線做垂線，垂足即為里程位置，從最近的圖上百米里程樁量距的方法可得到該點位的準確里程。

2．斷面橫向偏差確定

上文提到的斷面尺的中心平面坐標點位展示在地鐵隧道線路設計圖上，如果點位剛好落在隧道中心線上表示隧道開挖沒有橫向偏差;如果點位落在隧道中心線左側或右側表示隧道沿橫向向左或向右發生了偏差;從該點位向線路中心線做垂線，垂距即為斷面橫向偏差量。但是要注意非直線隧道的隧道中心線和線路中心線是有一定偏差的，在非直線隧道斷面測量計算中，垂距減去該兩中心線偏差既為斷面橫向偏差。

3．斷面縱向偏差確定

隧道偏差除了橫向偏差還有沿高程方向的縱向偏差，縱向偏差的控制也是隧道質量判斷的重要依據。在確定被測點位準確里程的基礎上，根據隧道設計縱剖面圖計算出該里程對應的軌面高程，再根據隧道斷面設計圖計算隧道面到隧道底部或拱頂的設計標高。設計標高和隧道斷面測量尺測出的隧道底部或拱頂的實際標高進行比對，可計算出隧道斷面縱向偏差方向及偏差量。

4．隧道的橢化變形

使用該隧道斷面測量尺進行圓形隧道斷面測量，是假設該隧道斷面為一個理論的標準圓形，但是在實際工程中，由于受土壓影響、水壓影響、管片拼裝等因素影響，隧道斷面不可能完全是個標準圓形。根據筆者所在單位測量的大量圓形隧道斷面圖來分析，由于圓形隧道變形主要因素來自于隧道拱頂土壓影響，圓形隧道斷面基本有一上下略扁1～5 cm的橢化變形。該橢化變形是沿縱向方向發生的，基本不會對隧道橫向偏差造成影響，但是可能會對隧道的縱向偏差的判定造成一定影響。解決該問題辦法:筆者所在單位采用在隧道斷面測量尺中心、中心兩側各0．5 m、中心兩側各1 m等位置分別測量出對應該位置隧道頂和隧道底部的實測值，該測量值可以和設計值進行比對，既可以計算出斷面縱向偏差量也可以計算出圓形隧道的橢化變形值，用于隧道限界判斷。

五、結 論

該隧道斷面測量尺裝置經過使用過程中的多次改良基本定型為本文所介紹形制，且經過大量的隧道斷面測量實踐，該裝置有以下優點:

1)該形制隧道斷面測量尺裝置基本能夠滿足所有圓形隧道斷面測量，根據隧道直徑大小可以調節隧道測量尺長度;

2)該裝置在使用過程中受外部施工干擾較小，無論在盾構推進階段還是在隧道運營階段，外部障礙物相對其他測量方法影響較小;

3)操作簡單易行，減少外業工作強度，外業效率得到極大提高，便于大規模開展斷面測量;

4)攜帶和運輸方便，一把尺子可以在不同工地上使用;

5)且筆者所在公司在使用過程中遇到的一系列問題，摸索出一整套解決方案，為大批量的內業處理及保證最終數據精度奠定基礎。

［1］ 中華人民共和國建設部．GB 50308—2008城市軌道交通工程測量規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2008．

［2］ 中華人民共和國建設部．GB 50026—2007工程測量規范［S］．北京:中國計劃出版社，2007．