TMS隧道测量系统在引水隧洞断面测量中的应用

邵奎兴 刘 杰 高志飞 屈 儒

2008年水利部 “948”项目(200811)引进了TMS隧道综合测量系统,该系统在某引水发电工程中得到了实践应用,完全实现了隧洞施工测量的自动化。本文只是针对断面测量加以论述,隧洞施工断面测量一般分为开挖断面和竣工断面,是通过大量的实测数据准确计算隧洞开挖的实际轮廓线,并将其与设计断面轮廓线纳入同一坐标系中比较,清楚地获悉超欠挖的大小和所在部位,进而及时指导下一步施工和竣工验收。TMS隧道综合测量系统能够自动完成对目标点的及时观测和数据采集,并可以完成断面测量的现场评估。

1 TMS隧道测量系统简介

TMS是由英文Tunnel Measure System即隧道测量系统的简称,该系统主要包括TMS Setout隧道放样和TMS Profile隧道断面测量2个全站仪机载软件包,二者有1个共同的数据处理平台TMS Office。TMS Office用于定义工程数据、管理测量数据和测量数据的后处理。系统的组成见图1。

TMS隧道测量系统所依托的自动全站仪TCRP1201+R1000测角精度为±1″,免棱镜测距精度为±2+2×10-6×D(D 为距离,以千米为单位),免棱镜测距测程1 000 m。从硬件设备上完全保证了测量精度。

2 现阶段常规测量仪器在引水隧洞测量的应用情况

目前水工隧洞施工中有条件的施工单位采用具有免棱镜测距功能的全站仪配合简便可编程的计算器在现场联合测量,内业采用计算机整理资料。

图1 系统的组成示意图

在具体施工中各施工单位普遍引入 “洞内小坐标”来方便现场测量放样,具体建立如图2所示。

图2 洞内小坐标示意图

一般将隧洞的起点定义为x轴的O点,隧洞的里程增加方向为正。这样实际测量时在近水平直线洞段的x值就是隧洞的里程值。与x轴垂直的方向定为y轴,与x轴相交的y坐标定义为O点,前进方向左边的y坐标值为负,前进方向右边的y坐标值为正。y值的绝对值就是该点偏离中轴线的值,正负号用于判断左右。

“洞内小坐标”的引入使得应用常规测量仪器在断面形态单一且为直线洞段时,测量起来比较容易,但是其局限性还是很大的。比如在线路的各种类型曲线段、坡度很大的泄水洞段、开挖断面不同(比如由圆形过渡到矩形)的渐变连接段等复杂地段,常规的仪器测量使用起来就会增加工时。而且“洞内小坐标”使用的是局部独立坐标,与隧洞设计坐标经过换算才能对应,现场测量时,测量人员要反复校核计算,以免产生错误。隧洞内空间狭小,施工环境较差,测量过程干扰因素多,直接影响现场测量效率。而TMS隧道测量系统能很好地解决这些问题。

由于TMS隧道测量系统在定义工程和测量过程中全部使用与工程设计相一致的坐标系统和高程系统,使得施测的每个目标点都具有准确的三维坐标。在专业的软件支持下,极大地方便了各种数据共享和计算处理,使得TMS在现场测量和内业整理都变得轻松自如。无论仪器身处直线段、曲线段、断面形态过渡的渐变段,还是坡道很大陡坡段,TMS都可以做到按照严密的数学模型进行实时的动态测量。

3 TMS隧道测量系统在引水隧洞测量的应用情况

引水隧洞在施工期间主要任务是要及时进行开挖轮廓线放样,施测开挖断面以用于检测超欠挖情况,在竣工后要施测一定间距的竣工断面检查浇筑回填情况。

使用TMS隧道测量系统在进行上述测量工作时,只需要一次工程定义就可完成全线的各项测量准备工作。

3.1 工程定义

3.1.1 工程元素

使用TMS Office进行工程定义,将隧洞工程的设计元素分为中线、纵线、横坡(通常在铁路、公路曲线有此项)、理论断面、理论区间等项,具体内容见表1。

由于使用了TMS Office软件的数据定义,使得将全线设计数据机载于全站仪成为可能,极大地减轻了测量人员的内业工作量并避免了测量的许多中间环节,有效地防止了错误的发生。

表1 工程设计元素简介表

3.1.2 水工隧洞的特点

本文以TMS隧道测量系统在某水电站引水隧洞示范测量研究为例加以说明。该隧洞全线长约12 km,其中直线段、曲线段、陡坡段和渐变段全部涉及。对于水工隧洞而言,最大的特点是在相对较长一段区间内无论中线和开挖断面怎样变化,隧洞中心线高程会保持固定坡降不变。这是与其他隧道最为显著的区别。

该引水隧洞的中线自0+000至11+612.991就由8个长度不同的直线段和4个曲线段组成。并由于围岩类别的变化开挖断面也是多变。纵线自0+000至11+612.991始终保持i=1/380的坡降,当使用TMS Office进行工程定义时就大大简化了纵线的定义。具体断面形态变化情况见表2。

表2 引水隧洞断面形态变化表

TMS课题组熟悉检核完设计资料后,用近一个工作日将整个工程的数学模型通过TMS Office完成机载,这样,在长达几年的施工期间,只要不更改设计方案,系统能够做到不需进行作业前资料准备,无论哪个工作面需要随叫随测,24 h值守。

3.2 断面测量

3.2.1 仪器设站

使用TMS隧道测量系统无论是进行断面测量还是进行掌子面轮廓线放样,测量人员只需进行简单的操作,就可以使机载程序驱动全站仪进行自动测量,自动判断将满足条件的目标点保存到全站仪的CF卡上。

精度估算公式:

式中 Mp——测量点点位中误差；

ms——测边中误差；

S——边长；

γ——水平夹角。

mβ——测角中误差；

ρ——206 265″。

既然你作死，老夫成全你。就这样，张万邦、花五奇这两枚棋子，被德公公丢到秦铁崖面前，一个被打残，一个被打死。秦铁崖赢得名声，德公公去了心病。

对图3和公式(1)对边角交会测站点点位精度进行定量分析:

图3 边角交会示意图

根据洞内测量环境视S1和S2相等同为30 m,根据仪器免棱镜测距精度±2+2×10-6×D将测边中误差定为±2 mm,式中mβ=m1方=×1″(m1方为仪器测角标,称精度,即一测回的方向中误差,该仪器为±1″),交会角度从 10°～180°分别计算,点位精度中误差取绝对值,其结果见图4。从图4中可以看出,在交会角为 90°时,测点中误差最小为 2.83 mm,在30°～ 150°时,测点中误差在5 mm 左右 。要想获得较为精确的仪器设站坐标,应将交会角度控制在30°～150°之间较为适宜。

3.2.2 施测断面点及精度评定

图4 边角交会精度统计图

架设好仪器后,系统会自动计算出仪器中心的准确三维坐标和仪器所在位置的里程。并首先自动完成仪器所在里程的基础断面测量,随后操作人员只需输入所要测量断面的里程区间、断面带宽(范围内的数据记录)、断面间隔和测点步长(有角度和距离两种模式)。仪器就会在机载程序的驱动下完成区间内所有断面测量。受洞壁凹凸不平的影响,当目标点距仪器较远,在采集断面上的有效点时,会因视线阻挡而增加单点采点的判断次数,这样会影响自动测量的效率。一般将架设一站所测区间最好控制在洞径的1.5～2倍(仪器的单侧),实践证明及时搬站会使自动测量完成的更好。

完成断面测量数据采集后,系统还可以在现场进行开挖断面的评估。仪器在评估界面下用简便的图形展示所需评估断面的超欠挖情况,可现场指示超欠挖的位置,并会自动在超欠挖区间起始端使用红色激光反复闪烁进行指示。

免棱镜测量断面点的精度估算:

式中 S——斜边长；

α——垂直角；

ms——测距中误差；

mβ——测角中误差；

mi、mv——仪器高和觇标高测定误差；

D——平距。

在TCRP1201+全站仪测距和测角精度下,当垂直角不做限制,边长在30 m时,根据公式(2)和公式(3)计算极坐标测量目标点的点位误差和光电测距三角高程(单向观测)误差均小于4 mm,高于施工测量规范要求的断面测点相对于洞轴线的点位中误差允许偏差开挖竣工断面±50 mm,混凝土竣工断面±20 mm的规定。

3.3 内业处理

将外业施测的数据由CF卡传输到计算机后,使用TMS Office进行数据处理,界面友好、操作方便、性能稳定。断面报告输出极为简便,根据用户需要可以选择PDF、EXCL、TEXT、CAD 等多种输出格式。测量报表所包含断面列、断面点列、超欠挖面积列及断面桩号、施测仪器、日期、人员等测量信息。还可以进行地质超挖面积计算、采用最小二乘法进行拟合断面中心等复杂计算。由于篇幅有限,在这里不再使用示例说明。

同时,本次TMS课题组还专门针对水工隧洞的测量断面成果表进行了汉化处理,更加适合国内作业习惯。

TMS隧道测量系统在示范应用期间共施测了61条断面(其中包扩6条竣工断面),分布在6个里程区间(见表3),包含有两个曲线段,每次外业测量完成后内业依托TMS Office数据处理平台仅需十几分钟就可以完成断面测量的表格和图件处理,准确快速。

表3 TMS隧道测量系统在该工程施测断面统计表

通过表3可以看出,使用TMS隧道测量系统在曲线段进行断面测量有着和直线段同样的效率。

断面成果表格数据较多本文略去,图5为其中1条断面成果图。

4 结 语

图5 课题组汉化整合后的开挖断面成果图

使用TMS隧道测量系统进行水工隧洞断面测量是非接触断面测量中最优秀的系统,可以做到准确及时。并且可以一机多用,完成隧洞施工中测量放样和测量导线等测量任务。在国外的许多大型隧道工程和地下工程得到了实践应用,在国内高速公路等行业也得到了应用。实践证明该系统是一个高智能、高精度和高效率的测量系统。

1 杨松林,刘维宁.自动全站仪隧道围岩变形非接触监测及分析预报系统研究 [J].铁道学报2004(6):93—97.

2 SL52—93,水利水电工程施工测量规范 [S].

3 陆国胜.测量学[M].北京:测绘出版社,1989.