隧道洞內平面導線測量和三角高程測量同步實施應用技術

宋曉朋 SONG Xiao-peng

（中鐵二十五局集團第四工程有限公司，柳州 545007）

0 引言

最新的《工程測量標準》（GB 50026-2020）規范中規定，當采用2″級及以上全站儀即可進行四等高程測量工作。本文以貴州高速雙線公路隧道洞內采用全站儀同步進行平面導線測量和三角高程測量應用為例，探討分析了常規的平面導線測量與水準高程測量分開獨立實施和平面導線測量與三角高程測量同步實施兩種測量方法的優缺點，針對三角高程測量影響因素多，相對于水準測量精度低的特點，創新性提出了棱鏡桿加裝雙圓水準器代替前后視基座棱鏡法，消除了基座棱鏡架立時每次所需鋼尺量測棱鏡高所帶來的誤差，同時提出采取提高全站儀等級為1″級且具備“多測回測角”自動觀測程序等措施，有力彌補了三角高程測量精度不足的缺點。

1 工程項目簡介

項目標段地處貴州省遵義市匯川區桐梓縣茅石鎮境內，隧道穿越黔北高原的婁山關山脈。該區域地形特征顯著，山巒連綿起伏，溝谷縱橫交錯，進出口溝谷深切，形成典型的溶蝕侵蝕地貌。為確保測量數據的精準性，所有測量控制點均選址于遠離樹木和其他結構物的開闊地帶，以確保GNSS 觀測信號不受周圍環境的干擾。

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

2 測量方案的確定

在隧道工程啟動之前，項目部測量技術團隊對該隧道的測量方案進行了細致的評估和比較。團隊主要圍繞兩個方案展開深入探討，分析各自的優勢與不足，并在此基礎上提出了切實可行的取長補短措施。經過綜合考量，最終確定了經項目部測量技術團隊優化后的方案二施工時施測，隧道掘進一定距離以確保隧道工程的順利貫通時用方案一請公司精測隊進行復測。

方案一：本方案計劃利用全站儀實施平面導線控制測量，利用水準儀進行高程控制測量。這一方案的優勢在于使用專用儀器分別針對不同測量需求進行作業，能確保測量結果的精度與可控性。缺點在于，由于需分別使用不同儀器進行兩次獨立的測量工作，且包括記錄、計算等多項工作均需由人工完成，因此將消耗更多的時間與人力資源，作業效率相對較低。此外，人為參與較多的工作也可能增大誤差出現的概率。

方案二：利用全站儀同步進行平面導線控制測量及三角高程控制測量。其優勢主要體現在以下幾個方面：在效率方面，只需架設一次儀器即可完成平面與高程的同步測量，前、后視使用棱鏡桿架設棱鏡的方法相較于使用三角架和基座架設棱鏡的方法，對人員數量要求不高，僅需一人即可完成工作，且棱鏡桿對中速度更快，節省了時間與人力成本。在便捷方面，因全站儀具有自動存儲數據的功能，不僅可以避免繁瑣的人工記錄步驟，同時也減少了數據輸入時的錯誤，從而顯著提高了測量檢核工作的效率。在可靠性方面，使用全站儀進行數據存儲，可以有效減少人為記錄所產生的誤差，同時，由于棱鏡桿的高度是預設的常數，因此也可以避免因儀器高度人工量測讀數時產生的誤差，增加了數據的可靠性。

然而，該方案也存在一些局限性。首先，在測量精度方面，三角高程測量的精度主要依賴于全站儀的測垂直角與測距精度，而大氣折光影響全站儀的測垂直角精度，可能會影響到最終的測量結果。每次架站都需要使用鋼尺來測量全站儀的高度，這一過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，在使用棱鏡桿的過程中，棱鏡桿若受到輕微碰撞會導致圓水準器發生不易察覺的偏移，而這種偏移會對測量角度的精度產生影響。

鑒于前述兩種測量方式各自的優缺點，以及當前項目測量人員緊張的實際狀況，項目部測量技術團隊經過研究，決定采用第二種方案。針對三角高程測量可能存在的精度不足和偏差較大的問題，技術團隊提出了以下改進措施以提升測量精度：首先，采用帶雙圓水準器的棱鏡桿代替傳統的三角架加基座棱鏡（如圖1 所示）。此種棱鏡桿在兩個方向上均設有圓水準器，這種設計顯著提高了棱鏡桿對中時的靈敏度，在測量過程中更容易察覺棱鏡桿的偏移，避免由此產生難以察覺的誤差。其次，為提高測角精度和測量效率，技術團隊決定借調一臺測角精度達到1″級的全站儀，且具備有“多測回測角”自動觀測程序、自動數據錄入、自動計算以及自動數據導入等功能，通過自動照準功能增加測回次數、利用自動計算和數據處理功能，不僅能提高測角精度，還顯著減少了人為操作可能引入的誤差，測站儀高不同方向量取兩次取均值，通過選擇有利的觀測時間、提高觀測視線的高度以及實施對向觀測等措施，可以有效降低大氣折光對觀測結果的影響。棱鏡桿加裝圓水準器如圖1 所示。

圖1 棱鏡桿加裝圓水準器

3 三角高程測量代替水準測量方法的依據原理

3.1 三角高程測量代替水準測量的規范

根據最新的《工程測量標準》（GB 50026 一2020）規范規定，當采用2″級及以上全站儀即可進行四等高程精度的測量工作。

工程測量標準中電磁波測距三角高程觀測的主要技術要求如表1 所示。

表1 工程測量標準中電磁波測距三角高程觀測的主要技術要求

3.2 三角高程測量原理

三角高程測量高差斜距計算公式：hAB=Ssina+i-v，hAB是兩點高差，S 是兩點斜距，a 是垂直角（或天頂距），i 是儀器高，v 是目標高。

隧道洞內三角高程導線測量是一種同步觀測平面和高程的方法，旨在提升觀測效率。針對隧道施工的實際場景，通常不獨立進行三角高程測量，而是與平面導線測量同時進行。在使用全站儀的“多測回測角”功能進行自動觀測時，儀器會自動記錄邊長、水平角、天頂距等數據。現場技術人員只需測量儀器高度、內業計算，即可得出測量結果。這種方法有效減少了工作量，從而提高了工作效率。

4 具體測量方法

4.1 測前準備工作

為確保測量工作的順利進行，觀測人員應至少配備四人，全站儀必須經過送檢鑒定，同時提前與現場施工管理人員溝通，以創造有利的測量環境。在測量前，須對儀器進行全面檢查，確保各項指標參數正常。其它準備物品包括：備用儀器、鋼尺、對講機、全站儀腳架、強光手電筒及其電池，以及兩個帶雙圓水準器的專用棱鏡桿。為確保測量精度，須對棱鏡桿進行垂直檢測，確保兩個棱鏡桿垂直且高度一致。這樣在實際測量過程中，無需再單獨測量棱鏡桿的高度。

4.2 隧道洞內導線點布設

在隧道設計中，洞內每隔約250m 的距離設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一埋設一對導線點，導線點間距盡量相等，這樣設置導線點能使測量人員在實際測量中構成閉合導線，便于檢核、提高隧道測量時的精度。在曲線位置或前期施工階段，導線點的埋設需加密，每隔120m 即應埋設導線點。洞內250m 導線點的具體位置如圖2 所示。

圖2 洞內250m 導線點位置

4.3 進行平面導線及三角高程導線測量

采用的全站儀是徠卡TCA1201 1″級按測存鍵測完自動記錄。隧道左洞導線點號ZBZ01、ZBZ02、ZBZ03、…隧道右洞導線點號ZBY01、ZBY02、ZBY03、…儀器架在設計GNSS 控制點C10 上，對中整平好儀器，量取全站儀高記錄，前視和后視架設棱鏡桿，使兩個圓水準器居中，瞄準各棱鏡十字絲，按照盤左測存后-前，盤右測存前-后，一測回就完成了，我們為了防止出現偶然誤差或限差不滿足測五個測回，內業去除一個差值較大的測回數據，不符合要求時對本測站重新進行觀測。全站儀導出數據表2。

表2 全站儀導出數據表

4.4 數據處理和成果計算

在外業工作測量任務完成后，使用計算機導出全站儀所記錄的測量數據，并遵循統一規范進行數據命名。打開模板excel 電子表格，這里面需要編輯一些小程序，簡單的計算角度，弄成模板以后直接使用，模板excel 電子表格前三列六處黃色地方輸入前視、測站、后視點號及儀器高，后面三列儀器導出數據復制粘貼到相應位置，黑色數據模板公式自動計算得到，模板excel 全站儀三維導線隧道測量記錄表3。

表3 全站儀三維導線隧道測量記錄表

上述表格是每個測站數據，提取每個表格成果中的導線前進左角數據，導線邊長，導線點間高差，將這些關鍵數據運用兩種專業軟件進行平差計算，以確保數據的精確性和可靠性。通過這一嚴謹的計算過程，能夠解算出每個導線點的三維坐標，為后續工作提供精確的數據支持。

5 換手復測，提高導線點精度，確保隧道順利貫通

5.1 選取人通或車通位置的導線點形成閉合導線

隨著隧道掘進距離的不斷增加，為確保測量精度和隧道施工的安全性，為確保隧道施工的順利進行并保障其精確貫通，需在洞內選取左右人行通道和左右車行通道或橫洞各一對導線點，以此構建閉合導線。閉合導線可對以往測量的部分導線點數據進行復核，從而確保測量數據的一致性和準確性。需邀請公司專業精測隊伍進行換手復測工作。換手復測將采用平面導線測量法，同時使用水準儀進行高程復核。在進行平面導線測量時，需使用三腳架和基座進行前、后視的棱鏡架設工作。鑒于隧道內部光線昏暗，將安排專人負責照明并觀測周圍環境，同時另一人負責光學對中整平工作。測站點則應由一名專業測量人員負責測量，另一人進行記錄。對于水準測量工作，因視距過長可能導致觀測不清晰，則需安排一人負責扶尺，另一人負責照明，以確保測量工作的精確性和可靠性。導線復測成果詳細記錄于表4 中。

表4 導線復測成果表桐新高速項目宗寶山隧道（進口）洞內導線平差計算表（2022.04.10）

5.2 三角高程導線成果和導線復測對照表

三角高程導線成果和導線復測、水準測量成果對照表如表5。

表5 三角高程導線成果和導線復測水準測量成果對照表

6 結束語

隧道貫通后，進行貫通測量。測量結果表明：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）這些數據均顯示，在長隧道內運用全站儀同步進行平面導線測量以及控制三角高程測量的方法，其效果不僅顯著提升了工作效率，同時也完全滿足了工程對于精度的嚴格要求。