全站仪在思林水电站隧洞施工测量中的应用

纪 勇，李勤刚

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2.中国水利水电第九工程局，贵州 贵阳 565100）

0 引言

思林水电站位于贵州省思南县城上游25 km 的乌江干流上，是以发电为主，兼顾航运、防洪、灌溉等的水利工程。 该电站由碾压混凝土重力坝、左岸通航建筑物、右岸引水发电系统等组成。 水电站地下厂房布置在右岸山体内，外形轮廓尺寸为189.8 m×27 m×74.76 m。 进厂交通洞总长627.830 m，坡度为-6.1%。施工期间，布置2#和3#两条施工支洞。2#施工支洞总长515.160 m， 坡度为-9.150%；3#施工支洞总长408.881 m，坡度为-9.70%。 隧洞施工是思林水电站地下开挖工程的重要内容，其施工放样的速度和质量将直接影响工程的进度和质量。 为了保证正常施工，在隧洞施工测量中应用了全站仪测量技术。

1 洞内外施工控制测量

1.1 洞外施工控制网测量

施工区左右两岸有贵阳勘测设计院布测的首级控制网。 该网建于2004 年6 月至2004 年9 月，主要分为二等平面控制网和光电测距代替三等水准网。 其中，二等平面控制网共有14 个点（观测墩），由72 个观测方向组成24 个三角形。 为提高精度，还施测了19 条测距边。 光电测距代替三等水准网共有21 个点、27 个测段，采用6 个结点，组成5 个闭合环和一条复合线路。 施测所有点位的边长、角度、高差按《水电水利工程施工测量规范》、《国家三角测量和精密导线测量规范》、《中、短程光电测距规范》GB/T16818-1997 实施。

原有的控制网布设在左右两岸的山上，离施工现场比较远，不能满足施工测量的需要。 根据右岸水电站平面布置及施工方案，选择有利的控制点作为思林水电站二级施工加密控制网已知点，布设成导线网形式。 施测前，采用全站仪“差值法”对棱镜常数进行检测。 在观测时，仪器要输入温度、气压和棱镜常数，并采用遮阳伞遮挡阳光，避免阳光直接照射仪器。

1.2 洞内施工控制测量

洞内施工控制测量主要有以下两个特点：（1）最初布设成支导线的形式，随着隧洞的开挖而逐渐向前延伸。 为确保隧洞开挖的精度和准确性，定期与洞外控制点组成闭合导线来复核点位。 （2）导线的形状取决于隧洞的形状、分级布设施工导线和基本导线。

思林水电站地下洞室由主洞、交通洞、排风洞、尾水洞等组成，且各洞室纵横交错。 因此，洞内控制精度的高低直接影响到地下洞室群相互之间的贯通。 要满足各地下洞室之间的相互关系，必须做好洞内的基本控制。 根据现场情况，水电站地下工程布设成3 条支导线，第一条布置在厂房排风洞内，主要用于厂房一、二层开挖和主变排风洞开挖；第二条布置在进厂交通洞内，主要用于厂房第三层、主变运输通道、主变交通洞、绝缘油库和主变室开挖；第三条布置在尾水洞施工支洞内。 由于隧洞内各施工作业相互干扰，粉尘较大、灯光照明较弱，影响了目标的照准精度。 测量施测应选择在空气状况良好、施工干扰小的时间进行，以保证观测成像清晰及测量结果的精度和可靠性。 导线点布设在沿洞壁两侧受施工干扰小的墙壁上，离地面1.2～1.5 m，基点应建成宽20 cm、长40 cm 的混凝土强制归心观测墩（如图1 所示）。

强制对中控制点基本消除了对中误差，观测采用徕卡TCR-702 型全站仪，测角精度为2"，测距精度为±2+2×10-6×D mm。 施测前，测站及镜站要严格整平仪器，并测量记录仪器高及镜站高。 每站观测完毕后，再次量取仪器高及镜站高，作为检查。 平面控制按四等导线要求施测，在短边和长边变化处，增加左、右角的观测次数，以减小角度观测对横向误差的影响。 高程控制按全站仪三角高程要求施测，等级为四等水准精度。

厂房一、二层开挖结束后，进厂交通洞、风机室、厂房、排风洞就贯通了。 这时，通过在厂房加的两个过渡点把原来两条支导线连起来，组成了一条闭合导线环。 该条闭合导线按照四等导线要求施测，主要技术要求为：测角中误差mβ=±2.5″，全长相对闭合差为1：45 000，方位角闭合差为经计算，测角中误差为mβ=1.33″， 全长相对闭合差为1∶116 017，方位角闭合差-5.1″（限差±5=±20.6″），高差闭合差为-15.9 mm（限差值±20=±20=±30.46 mm）。 计算成果合格，进入严密平差计算。 平差后，直接显示各控制点的最终坐标和高程。

2 施工放样

思林水电站地下洞室开挖工作面较多，施工放样频率高、难度大，因此，放样的速度和质量直接影响到地下洞室的开挖进度。采用施工坐标系，可直接反映超欠挖情况，从而提高放样速度。

2.1 施工导线的测设

由于洞内爆破粉尘及施工机械的干扰，有时无法直接利用基本导线进行放样，这就需要布置施工导线点，进行传递施工。 采用边角后方交会法进行导线延伸， 基本解决了控制点破坏严重及已知点不通等实际困难。

边角后方交会控制点的测设过程为：（1）在基本导线点及掘进掌子面间的洞壁上布置施工导线点，并测量这些点的坐标。 （2）在已知的基本导线点上架设免棱镜全站仪，采用一测回分别测出洞壁点的坐标和高程，然后各取平均值，以此作为该点的最终三维坐标。 如图2 所示，A、B、C 点为已知施工导线点，P 点为设站未知点。 以A、B 点为起算数据，采用全站仪后方交会法测定P 点三维坐标（取两次测定P 点坐标的平均值，以保证设站点的正确性），同时，利用C 点作为检查点。

图2 边角后方交会示意图Fig.2 Corner back intersection sketch

在实际施测中，开挖掘进掌子面需要随时放样，早期布设的洞壁点不可能一直作为放样时的已知点。 这时，可以以洞壁上的控制点为基准点，采用边角后方交会的方法，得出测站点的仪器中心坐标，并以距离仪器较远的洞壁点为后视，继续在洞壁上布设新的洞壁施工导线点。 需要说明的是，采用本法布设洞壁点一般仅可向前连续作2 次。 限制的目的是为了防止后面延伸的洞壁点的精度过低，影响施工放样的精度。

2.2 厂房岩锚梁部位施工放样

2.2.1 岩台开挖放样

岩锚梁岩台开挖放样的重点是岩台以上的垂直孔（开挖边线）放样和岩台斜孔放样（如图3 所示）。垂直孔测量点间距为2～3 m，为防止欠挖，放样时比设计半径大5 cm。 点位放完后，在边墙上标出统一的高程线，以便开挖时能严格控制钻孔深度。 斜孔放样点间距控制在40～55 cm，放样时，用全站仪激光点直接打在岩面上，快速测出隧洞轮廓点的三维坐标，然后用卡西欧fx-4800P 编程计算器计算出的超欠值，再根据超欠值移动激光点，逐步放样到设计轮廓线上。 根据经验，为了避免欠挖，所放点位的实际高程都比设计减低10 cm。 装药前，还要对钻好的孔位一一复查。 复查内容包括孔深、孔位。 如孔位偏差超过5cm，该孔作废，孔深过长，要求在底部堵孔。

图3 垂直孔区、斜孔区横断面方向示意图Fig.3 Cross section direction sketch of vertical hole area and oblique hole area

2.2.2 锚杆放样

厂房岩锚梁锚杆共分3 排放样，每排角度都不相同。 放样之前，对每排锚杆事先都编好了放样程序。 放样时，先建立厂房施工坐标系（X 坐标为桩号，Y 坐标为半宽），然后用全站仪免棱镜测量方式直接测出X 坐标、Y 坐标和高程。 把测出的Y 值和高程输入计算器，就会立即显示测点高程与设计高程的偏差值。 根据高程偏差值和X 坐标与设计桩号的差值，移动激光点后再次测量，直到偏差值小于2cm时标出点位。安装锚杆之前，还应对锚杆外露长度进行放点（5 m 放一个点），其目的是放出统一的半径值。 一般放样的都是距锚杆外露端头50 cm 的半径线，这样施工人员拉上线绳，安装锚杆时就可以很方便地控制外露长度。

2.2.3 混凝土模板放样与模板验收

由于预埋螺栓要求精度高，应施工前先选两个视野开阔的控制点，用于每次的放样或验收。 测量时，应尽量做到架站在同一个点，后视另一个点，这样整个岩锚梁混凝土及预埋件相对位置就有了保障。 放样及验收时，用徕卡小棱镜，并且小棱镜高度应尽可能降到最低，因为高度越低，晃动越小，测量精度越高。 每次测距前，还要求观测人员把仪器内的棱镜常数改为17.5 mm。 为了提高照准精度，要求观测人员照准时做到精益求精，即将十字丝竖丝照准小棱镜杆底端中心，然后微动竖直螺旋，当十字横丝精确照准小棱镜左右两边的占牌中心时， 立即测量。 一般放样岩锚梁模板偏差应控制在±10 mm，预埋螺栓距轨道中心和高程偏差应控制在±5 mm。 验收时，若各偏差超过限差，要进行调整。

2.3 掌子面放样

由于测量仪器设备的改进更新，免棱镜全站仪在思林水电站施工放样中得到了广泛的应用， 使采用后方交会设站进行掌子面放样成为可能。 采用后方交会设站，仪器架站位置可根据现场的情况自由选择，架站灵活、速度快，受施工干扰小。 用免棱镜功能直接测定掌子面放样点的三维坐标，并利用卡西欧fx-4800P 可编程计算器直接计算放样点与设计线的偏差移动点位（不管是圆洞、方洞、城门洞、渐变洞等，都提前按照设计参数编好放样程序），继续测定放样点的坐标，直到符合设计边线放样精度，再标定放样点。 对于起拱点、拱顶点等特殊点，一定要明显标出。 开挖轮廓线标出后，还要在洞顶画出开挖方向线，在掌子面画出设计底板的高程线。对于放样点间距，直边墙控制在60～100 cm 之间，圆弧部分控制在45～60 cm 之间，点位误差不大于3 cm。 免棱镜功能的应用，大大提高了开挖轮廓点放样的工作效率，使施工放样基本不影响下一循环掘进作业。

2.4 导向线放样

曲线导向线定向是否准确，将直接影响隧洞的开挖方向和开挖工程量。 常规的导向线放样采用中线法，该方法简单易行，但误差大。 思林水电站地下洞室开挖采用了一种新的导向线放样方法， 其具体放样如图4 所示。 图中左边线的导向线假定是CA方向， 开挖后终点在B 点， 因BA 是弧上的一段弦长，因此左边导向线放样方法称为“弦线法”。开挖面轮廓线放完后，用全站仪测出左边线上A 点坐标，圆心点O 点坐标已知，用坐标反算，算出AO 方位角FAO，过A 点做圆弧的切线AG，那么FAG=FAO+90°，弧长AB 也就是钻孔深度，定位2.5 m，因此，FAB=FAGθ÷2。 放样C 点时，在距开挖面1～2 m 的地方测点。假定测得的点为D 点， 根据坐标反算， 求得FAD和AD 长度，于是∠BAD=FAD-FAB。 根据AD 的长度和∠BAD，用计算器中的“极坐标转化直角坐标”功能算出Δy（D 点与C 点的偏差值），这样，就可方便地找到C 点。 右边线导向线EF 称为“切线法”，放样方法基本同弦线法。 中心线导向线应采用弦线法。

图4 导向线测量新方法Fig.4 New method of directional line measuring

3 横断面图测绘

横断面图测绘系统由全站仪、计算机及其软件组成。 在进行横断面测量前，先建立洞库坐标系统，并将各种所测数据传输到计算机，建立数据库。

3.1 测量原理

全站仪架在隧洞的中线上，测出断面上各点的水平角B、竖直角A 及斜距S，并换算出测点的高程和横、纵坐标。 计算机根据此参数绘图，如图5 所示。

图5 全站仪架设定位图Fig.5 Total station erection positioning

图5中，测量点相对仪器水平线的高差h1=SsinA；测点自定义高差H=h1+I，I 为仪器高；测点自定义纵坐标Y=SsinB。

在测量过程中，因仪器架在中线上，故测点自定义横坐标X=0。 计算机记录的数据有：方位角（控制与识别方向，测量的前进方向的方位角始终为180°）、水平角、竖直角和距离(斜距)S。

3.2 断面测量系统的应用

在进行断面测量时，全站仪架在测站上，瞄准后视点，输入方位角。 启动全站仪免棱镜测量方式，照准目标，用白油漆（白油漆的光反射率较高）在待测断面上标出各测点。 全站仪照准白油漆点直接测出各点的水平角、竖直角、斜距和高程，并将数据传入计算机处理。 测点间距要求为：直墙段50～70 cm一个点，弧形段35～45 cm 一个点，拱角上下1 m 范围内15～25 cm 一个点。

横断面测量一般要求直线洞室每5 m 测量一个断面，曲线洞室每3 m 测一个断面。 由于施工现场条件的限制，一个测站所测断面的数据是有限的，当无法进行下一个断面测量时，就要迁站。 在此之前，依次测出后面要用到的测站坐标，然后搬到下一个测站，重复进行前面的工作。在施工现场完成测量之后，将各测量数据存入计算机，通过编辑、整理，及时将实测断面数据反馈给施工人员。 作业人员应根据计算的超欠挖情况，及时调整开挖参数，以达到更好的开挖效果。

3.3 断面图绘制及竣工断面验收

断面测量数据采用全站仪自动记录，数据通过Leica survey office 软件及时下载至计算机，建立原始记录数据库。 利用实测数据进行内业编辑处理，打开CAD 制图软件标定设计底板中心点高程，并将数据格式转换为CASS6.0 绘图识别的形式，然后采用CASS6.0 数字化成图系统，完成相应断面图的绘制。

断面测量系统的使用大大提高了绘制断面图的自动化程度。 只要将整条隧洞设计纵坡参数及开挖设计断面类型录入系统，原始断面测量数据导入后，即可自动绘制断面图，并标定断面各点的超欠挖、理论断面面积、施测断面面积、超欠挖点平均值等，从而直观地反映隧洞开挖过程中的情况。

竣工断面验收资料是检查开挖质量的重要依据。 验收时，直线段上采用免棱镜全站仪任意设站，一个测站可以施测多条断面； 斜井段可用测地形图的形式测量，用Excel 电子计算表格编写断面计算程序对每一个地形点进行计算，然后将点组合起来，就构成一个完整的断面图。

4 结语

思林水电站地下施工开挖循环快、工作面多，其采用的新的测量工艺和方法为：

（1）导线传递方式的更新。 隧洞施工的控制测量基本采用导线方式进行，而传统的控制点均布设在地面。 由于水电站地下工程的开挖，对控制点的影响较大。 地面点因施工损坏严重，恢复工作需占用很多时间。 为了不影响放样，采用后方交会法布设导线点，能够很好地解决这一问题，布设点速度快、效率高。

（2）数据处理技术的革新。 水电站地下洞室断面验收数据处理与成图外业采集的数据都自动存储在全站仪存储模块上，通过数据通讯电缆与计算机连接，打开CASS6.0 数字化成图软件，就可将录入的数据传输到计算机中。 利用Excel 编程功能编写隧洞断面验收计算程序，从而实现了数据内外业一体化功能。

实践证明，该测量方法不仅满足了施工放样的要求，也提高了测绘成果的质量和工作效率，减轻了作业人员内外业工作的劳动强度。

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