激光隧道断面检测仪

激光隧道断面仪在现代隧道施工中的应用  
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摘要：在秦岭Ⅲ号隧道施工中用激光隧道断面仪对开挖断面、初期支护断面、隧道净空验收进行检测，为提高隧道施工质量提供可靠依据，同时通过超、欠挖控制节约了隧道施工成本。
关键词：断面仪     隧道        施工       应用
一、工程概况
西汉高速公路秦岭Ⅲ号特长隧道，是陕西省“米”字型公路网骨架户县涝峪口至筒车湾段高速公路的咽喉工程，是我国国道主干线（GZ40）二连浩特至河口穿越陕西境内最艰巨的工程地段。该工程跨越我国南北分界的秦岭山脉，地质构造复杂、工程施工难度大。秦岭Ⅲ号特长隧道为上下行线分离式隧道，下行线单洞长度为4930m。我单位承建下行线进口段2160m，施工里程为XK76+660～XK74+500。
秦岭Ⅲ号隧道下行线进口施工过程中为了提高施工质量和控制成本，在施工中首次采用激光隧道断面仪对全过程进行检测，取得了良好的效果。现将如何利用激光断面仪扫描断面图和分析断面扫描图加以论述，在今后隧道施工中以供参考。
二、检测方法
（一）、仪器介绍
SD2型激光隧道断面仪是建立在无合作目标激光测距技术和精密数字测角技术之上的。极坐标测量法和计算机技术紧密相结合，加上专门设计的图象处理软件，能迅速得到隧道断面图与设计图进行对比，以至可以快速给出检测报告文件。其主要技术指标：测距精度优于±1mm；测角精度优于0.1°。
（二）、外业测量
外业测量主要是选定要检测的隧道横断面，用断面仪扫描断面并贮存数据为内业数据处理提供有力的数据保障。外业测量是整个检测工作的关键，在外业测量中要注意所检测断面必须垂直于行车道中线（隧道中线）。在测量中主要有以下几个关键工序：
1、横断面的确定
为了能够精确、真实而客观地反映出所要检测的隧道断面特征，首先用全站仪在隧道开挖隧底上确定行车道中线标志点，和在隧道侧壁上确定同断面标记点，并记录行车道中线标志点里程和标高。标志点一般选在特征断面处，这样更有分析价值，标志点属临时点，勿用红油漆标记，因为红色对仪器有感应影响检测结果。以秦岭Ⅲ号隧道下行线进口XK76+450～+440段为例，测出该段行车道中线标志点里程为：XK76+446.72；标高为：H标志点=1596.071。
2、扫描和数据贮存
确定了标志点后，把断面仪架设在隧道行车道中线标志点XK76+446.72处，打开电源，在测量控制器上选择“测量”，同时检测头主机出现激光器亮点，利用激光对中整平原理进行对中整平。松开检测头主机方位锁紧螺旋，将测量头的激光束通过选择测量控制器上的“手动测量”方式调整到隧道侧壁上已放好的标志点处，琐紧水平锁紧螺旋，此时仪器已处于垂直于隧道轴线的位置。SD2型激光隧道断面仪检测方式有手动检测、定点检测和连续检测，在隧道断面检测中以定点检测为主，定点检测方式能准确检测出每点相对于仪器的机械轴心的距离和角度。定点检测主要参数设定为检测起始角度最小为30°，检测终止角度为330°，检测点总数为 2～150个，根据测设需要设置合理的参数。在秦岭Ⅲ号隧道下行线进口隧道断面检测过程中定点检测参数为：起始角30°、终止角330°、检测点总数50个。定点检测第一个点为行车道中线标志点，第二个点为起始角度点处，最后点为终止角度点处。断面仪扫描方向即可是顺时针也可是逆时针，但有横坡的隧道检测方向必须为逆时针，因为制作标准断面时角度以垂直向下为“0”度角，逆时针方向增加。秦岭Ⅲ号隧道下行线进口由于路面为2%横坡，设计隧道中线垂直于路面，致使隧道整体产生1°8′45″的倾角，所以检测时以逆时针为主。当断面仪扫描完毕后选择测量控制器上“贮存数据”这样该断面的测量数据已贮存在测量控制器内。按同样的方法进行下一点的检测。
（三）、标准断面的编辑
为了能让外业扫描的断面与设计断面加以比较，在已装入SD2型激光隧道断面仪专用软件的PC上编辑标准断面，标准断面的编辑是整个检测工作内业的关键。编辑标准断面首先要确定两维坐标的圆点，两维坐标的圆点一般选定为轨面或设计零面的中心，秦岭Ⅲ号隧道下行线进口以隧道行车道中线和隧道中线的交点为标准设计断面的两维坐标圆点，垂直向上为垂直坐标“Z”的正值，水平向右为水平坐标“X”的正值。标准断面有若干段“弧”组成，每段“弧”所需设置的参数为：圆心位置（米），左负、右正；半径（米）；起始角度（度）垂直向下为“0”度角，逆时针方向增加；终止角度（度）和方向。直线与直线相连接只需表示出端点位置，点的表示只表示出点的坐标数据（左负、右正、上正、下负），半径、起始角和终止角为“0”。秦岭Ⅲ号隧道下行线进口Ⅳ类围岩设计开挖断面图（见图一）的标准断面编辑方法为：


1、“弧一”参数的设定：
圆心：   X=
Z=
半径：    0  
起始角度：0°
终止角度：0°
方向：    逆时针
2、“弧二”参数的设定：
圆心：    X=
Z=
半径：    6.13
起始角度： 84.259°
终止角度： 273.449°
方向：     逆时针
3、“弧三”参数的设定：
圆心：    X=
              Z=
半径：    0  
起始角度：0°
终止角度：0°
方向：    逆时针
标准断面起始坐标“Z”值设为0，一般对于编辑带有标高的标准断面则设定起始坐标“Z”值，否则为0。
则得到Ⅳ类围岩开挖标准断面图为（见图二）：

                              图  二


（四）数据和图象处理
1、传输测量数据
用专用电缆将测量控制器与装有软件的PC“打印接口”相连接，选择测量控制器上的“传输数据”和PC上的“接收测量数据”，这样将外业测量数据传输到PC上并保存，以便进行数据处理。
2、导入测量断面
在装有软件的PC上打开已编辑好的标准断面，在标准断面内选择“导入测量断面”，选择需要编辑的外业测量断面。
3、编辑当前断面
在装有软件的PC上选择“编辑当前断面”，对已选择的断面进行编辑。打开当前断面将会显示垂直坐标“Z1”、“水平坐标“X1”，该坐标是测头主机机械轴心在以外业测量标志点为两维坐标圆点的坐标系统中的坐标值，Z1、X1将换算成在标准断面坐标系统内的坐标值Z、X。秦岭Ⅲ号隧道下行线进口XK76+446.72处当前断面坐标值Z1=1.567、X1=0，该处标准断面两维坐标圆点设计标高：H圆点==1596.310，则其换算值如下：
Z=Z1+（H标志点－H圆点）=1.567+(1596.071－1596.310)=1.328
X= X1+0=0
注：当在确定隧道行车道中线标志点遇到障碍物时，可以让标志点偏移行车道中线X2（左负、右正），这样在编辑当前断面时X= X1+ X2。
则得到XK76+446.72处开挖断面扫描图为（见图三）：
  

（五）综合分析
对开挖断面扫描图（见图三）进行综合研究和分析，可以得到秦岭Ⅲ号隧道下行线进口XK76+450～+440段隧道开挖情况如下：
1、隧道除右侧边墙有欠挖外其余地方均无欠挖，建议对右侧边墙欠挖部分
及时进行处理。
2、隧道开挖断面整体向左有少许偏移，施工技术人员要及时对线路中线点进行复核，并在放开挖中线点时加以注意。
3、隧道光面爆破效果良好，超挖都在规范允许标准内，这与断面仪在隧道施工全程监测有密切关系。
4、隧道开挖标高符合设计要求。
5、由“图三”结合设计图纸计算得XK76+450～+440段超挖量约为22m3，
为规范允许值范围之内。若隧道每个断面超挖均超过规范值5㎝，则仅这5㎝引起整条隧道超挖量约为2632m3，这将对隧道施工进度和施工成本造成重大影响。
6、假如“图三”标准断面为隧道设计净空断面，扫描初期支护断面，可以得到该断面二衬砼厚度，对衬砌厚度不符合设计要求的要加以处理。秦岭Ⅲ号隧道下行线进口在二衬施工中用断面仪检测二衬厚度，使已施工的二衬砼质量优良率为100%。
7、如果“图三”标准断面为隧道设计净空，扫描隧道净空断面，可以得出隧道净空是否符合设计要求，对不满足设计要求的在施工中加以调整，这样为将来隧道净空验收提供有力的质量保障。
8、对隧道开挖断面扫描图、初期支护断面扫描图、隧道净空断面扫描图进行对比，综合研究分析，可以得出隧道实际开挖方量、喷射砼厚度、衬砌厚度，为隧道每道工序施工质量提供依据，并是隧道成本分析一手最真实的资料。
    三、体会
激光隧道断面仪在施工过程中能够快速而直接地反映隧道开挖断面和支护断面，真实体现隧道超、欠挖情况，并分析其原因，在施工中及时加以处理。熟练掌握和利用激光隧道断面仪可以节约施工成本和提高施工质量，是现代隧道施工中重要的检测工具，值得推广。