全站仪免棱镜测距技术在隧道施工测量中的应用

【摘要】随着经济的不断发展,隧道施工工程占据着国民经济增长的首要地位。全站仪免棱镜测量技术直接影响着隧道工程的发展。本文从全站仪免棱镜测量技术的定义、免棱镜全站仪的特点及全站仪免棱镜测距技术在隧道施工测量中的应用等几个方面进行了分析。

【关键词】全站仪免棱镜测距；隧道；应用

中图分类号：U45文献标识码： A

一、前言

近年来，由于隧道施工工程开发的不断壮大，全站仪免棱镜测距技术在隧道施工测量中的应用问题得到了人们的广泛关注。虽然我国在此方面取得了一定的成绩，但依然存在一些问题和不足需要改进，在科学技术突飞猛进的新时期，加强全站仪免棱镜测距技术在隧道施工测量中应用的研究，对我国隧道工程的发展有着重要意义。

二、全站仪免棱镜测量技术的定义

全站仪免棱镜测量技术指的是全站仪在使用过程中,不再需要人为的在目标处放置反射棱镜来加强信号,而是运用直接反射(DR)测量系统来检测弱信号从而得到所需数据。过去的全站仪接收能力差,若没有在目标处放置反射棱镜,反射信号就很弱,全站仪无法观测。随着检测仪器设备的技术进步,全站仪多了直接反射测量系统,简化了测量工作,减少了工作强度,同时还保证了测量所得数据的精度。

三、免棱镜全站仪的特点

1、效率高，使用范围广

无反射棱镜全站仪最大的优势就在于不需要接触被测点，就可获得被测点的3维坐标。这一来，一方面省去了作业员爬高上坡的奔波之苦，作业强度和危险性大大降低，另一方面也对一些重要的比如文物之类的建筑起到了一定的保护作用。

2、测距速度快

无反射棱镜全站仪的测距速度一般在1S左右，是无反射梭镜测距仪或掌上型激光测距仪的好几倍，这样就使作业时间大幅减少，减轻了作业人员的工作强度，提高了工作效率。

3、测程远

一方面红外二极管的发射功率提高了，另一方面是无反射棱镜全站仪可以在RL状态便用棱镜，这样就大大提高了它的测程。

4、安全性好

激光对眼的安全性是一个很重要的问题。通过望远镜不会看到红光，这样不但使返回到接受光路的信号最大，也保证了眼睛的安全，但当信号特别强烈或者使用反光镜时，也会看到红斑，不过也是安全的

四、全站仪免棱镜测量的优点

基于相位法原理的免棱镜测量，所发出的激光束相对窄小，能够比较准确地打到目标上，确保了高精度的距离测量。这一方法比较适合那些施测人员没有办法到达的特征点上；准确且快速，能够有效的节约时间，节省物力与人力；能够应用于反射介质较好的地籍测绘与城市测量，能够实现单人测量；能够准确的测绘某一内或者是边界的有限范围内的地物地形，能够得出工程规划区比较完整的地形信息；仪器可架设于隧道内任意点，对洞内施工运输影响小；可以充分利用已有仪器，减少测量仪器投入。

五、实例分析

1、工程概况

新原高速公路雁门关隧道位于山西代县境内，是目前国内高速公路最长隧道之一，也是新原高速公路的咽喉控制工程。雁门关隧道为双洞单向两车道隧道，左洞长5160m，右洞长5235m，总投资5.25亿元。全隧位于直线段上，最大埋深800m。左右洞中线间距为50m，洞身净宽10.5m，净高7.25m，设计时速为80km/h，隧道一般断面采用单心圆形式，应急停车带采用三心圆断面。设人行横洞和车行横洞共7个，紧急停车带左右洞各6个。另外在左洞设有两个斜井既作为施工辅助导洞又作为永久的通风洞。雁门关隧道共设3个竖井。该段地质条件复杂，其中III类及以下围岩占全段的76.8%，成为该隧道施工的难点。隧道施工中掘进放样、开挖后断面测量及围岩监测等测量任务重，尤其是超欠挖所带来的经济损失更是不容忽视。对此，选择徕卡TCRA1101型免棱镜测距全站仪来进行开挖放样、断面测量及围岩净空位移量测等主要日常测量工作。徕卡TCRA1101型全站仪，测角精度为1.5〃，测距精度为2+2ppm，免棱镜测量标称距离为250m。

2、免棱镜测距技术的应用

（1）掘进掌子面断面放样

放样前，先将隧道设计参数如洞门点坐标及高程、纵坡参数、开挖断面形状等通过有关程序输入仪器内存。放样时仪器可置于导线点或利用自由测站、后方交会程序完成设站工作，包括设置测站点三维坐标、仪器高、方位角。为使仪器与掌子面距离不至于太远，仪器一般不直接安置于导线点上，而通常采用后方交会方式来完成仪器的设站工作。临时后视点可埋设在边墙上，但须注意检查其稳定性。

仪器建站后，首先瞄准掌子面(仅用激光点对准一激光与望远镜同轴)，测出掌子面至仪器站的距离，仪器计算出掌子面的里程，根据里程及有关输入的参数定位掌子面开挖断面，而后开始进行开挖轮廓线上点的测设。放样点可按设置间距从左到右、从中间向两侧等不同顺序测设。当红色激光指向第一个点位确定后，点上红油漆就完成一个点位的放样工作，按操作键仪器在马达的驱动下转向下一个点，依此类推放样完所有的点。

当掌子面不平时，应增加每个点位的测量次数，一般设为3~6次，并给出点的允许偏差，仪器每测一次得出所测点位的三维坐标并计算出激光点离设计轮廓的偏移值，在修正偏移值后重测其坐标值，重算偏移值，若偏移值在允许偏差范围内，激光点处位置即可认为是开挖轮廓线上的点，否则重测。

（2）断面测量

莱卡TCRA1101PLUS型全站仪机内配置有2个程序可以进行断面测量。一个是在所测断面内的任意位置安设仪器，可用后方交会、自由测站或已知站点设站，确定仪器的三维坐标及设置方位角，然后启动断面测量程序，设置好有关参数后，仪器在伺服马达的驱动下照准部于隧道轴线法线的竖直平面旋转一周，同时按设置间隔距离测取仪器到各测点的距离及角度，并存储于仪器内存或PC卡上，即完成一个断面的外业测量工作；另一断面测量程序是仪器不一定安置在所测断面垂直面内，建站工作同前，可测取仪器免棱镜测程内的所有需测的断面。此方法优点在于不用频繁搬动仪器，可测取任一需测断面，但开挖后的断面表面凹凸不平，断面每个点位的测取需重复多次。对衬砌后轮廓规则的断面此法测量速度将大大快于前一种方法。将不同断面的外业测量记录输入装有相应断面测量后处理软件的计算机上，计算机经过分析、计算与理论断面比较等处理过程，最后输出实测及理论断面比较图形，断面面积，超、欠挖面积等有关参数。

（3）围岩净空位移测量

隧道采用钻爆法施工，根据新奥法基本原理，运用围岩监控量测来掌握施工过程中围岩变形及支护状况，及时准确获取监测信息，并指导施工，以达到安全、可靠、经济的目的。为快速、高效、准确完成围岩净空位移量测任务，采用三维非接触量测新技术。其基本原理是利用全站仪自由设站远距离测定量测点点位不同时段的三维坐标，将测量数据输入计算机进行后处理，最后输出监测成果。全站仪内相应配置围岩收敛检测模块，计算机内配置围岩收敛分析处理输出模块。

观测前，对全站仪进行调校，使仪器处于最佳状态。观测时，打开仪器的角度改正及补偿器功能，并对仪器进行气压和温度的气象改正。观测采用记录测量模式，所有观测数据均存储在模块内。

全站仪采用自由设站，但为了消除膜片倾斜对测距的影响，每次量测时测站位置应大致相同。观测时采用3次重复设站，每次设站采用双盘测回结合3次重复照准的冗余观测方法，即每一次测站上分别用2个盘位连续、重复照准3次目标点，然后取平均值作为1次设站观测的结果。量测频率主要根据位移速度和测点距开挖面的距离而定。一般在测点埋设初期，测试频率每天1~3次，随着围岩渐趋稳定，量测次数减少，当出现不稳定征兆时，增加量测次数。当围岩达到基本稳定后，以1次/3日的频率量测2周，若无明显变形，则可结束量测。

将每次测量记录按要求输入装有后处理程序的计算机，计算机将自动分析处理量测数据，并相应输出量测结果，同时打印报表。

3、结论

免棱镜测距技术应用于隧道测量能够使掘进放样、断面测量、围岩净空位移量测等每一断面均可在几分钟内完成,同时保证测量的精度。使传统隧道工程测量不易等问题得到了有效的解决,为整个工程提供基础保证。

六、结束语

通过对全站仪免棱镜测距技术在隧道施工测量中的应用问题分析，进一步明确了全站仪免棱镜测距技术在隧道施工测量中的重要性。因此在隧道施工测量中的后续发展中，要加强全站仪免棱镜测距技术的研究，确保隧道施工的质量。

参考文献

[1]林海剑 全站仪无棱镜测距技术在东秦岭特长隧道施工中的应用 铁道标准设计 2012年

[2]陈建勋 隧道工程试验检测技术 人民交通出版社 2010年

[3]刘勇 全站仪免棱镜测距技术在隧道施工测量中的应用 城市建设与商业网点 2009年