一种小转弯半径条件下隧道测量方法

摘要

本发明涉及一种小转弯半径条件下隧道测量方法，包括以下步骤：S1于隧道转弯的两端架设全站仪；S2于隧道转弯处的隧道外侧壁或外顶壁间隔设置3‑5个360°万向棱镜；S3于隧道转弯的一端设置1个360°万向棱镜，作为控制基准；S4利用架设在隧道转弯的两端的全站仪通过隧道外侧壁或外顶壁设置的其中2‑4个360°万向棱镜，采用边角交会方法或三边交会方法测定待测点坐标；S5利用架设在隧道转弯的两端的全站仪通过隧道外侧壁或外顶壁设置的剩余1个360°万向棱镜测定待测点坐标，以对待测点坐标进行验证，当测定坐标与验证坐标符合误差范围时，测定结果有效。本发明避免了传统竖井联系测量复杂繁琐的工序，确保了竖井开挖至下弯段时的精确转向。

权利要求

1.一种小转弯半径条件下隧道测量方法，其特征是，包括以下步骤：S1在对应小转弯半径的位置处于隧道转弯的两端架设全站仪；

S2在对应小转弯半径的位置处于隧道转弯处的隧道外侧壁或外顶壁间隔设置3‑5个

360°万向棱镜；

S3在对应小转弯半经的位置处于隧道转弯的一端设置1个360°万向棱镜，作为控制基准；

S4利用架设在隧道转弯的两端的全站仪通过隧道外侧壁或外顶壁设置的其中2‑4个

360°万向棱镜，采用边角交会方法或三边交会方法测定待测点坐标；

S5利用架设在隧道转弯的两端的全站仪通过隧道外侧壁或外顶壁设置的剩余1个360°万向棱镜测定待测点坐标，以对待测点坐标进行验证，当测定坐标与验证坐标符合误差范围时，测定结果有效；

还包括如下步骤：

S1将小转弯半径隧道的BIM模型数据进行分析，获取其坐标系统；

S2测量现场坐标，并获取小转弯半径隧道的现场测量大地坐标系统；

S3比较BIM模型数据库的坐标系统和现场大地坐标系统，通过坐标转换求导两套坐标系统的转换参数，实现BIM相对坐标系统与施工测量大地坐标相互转化；

S4在移动设备上安装移动端测量程序，在移动端测量程序中提前导入隧道的形体设计参数，全站仪通过蓝牙连接移动设备，当全站仪测定待测结果后，自动传输至移动测量程序中进行记录，进一步完成测量放样或验收任务；

所述待测结果包括开挖轮廓点偏差，偏差计算公式如下：式中：O‑‑‑隧道转弯处纵轴线设计圆心；

O'‑‑‑隧道转弯处横断面设计圆心；

P‑‑‑实际测量点或开挖轮廓点；

P’‑‑‑P点在设计横断面上的轮廓点；

O'P'‑‑‑隧道转弯处横断面设计半径；

OO'‑‑‑隧道转弯处纵轴线设计半径；

SS'‑‑‑P点在斜垂面上的垂直投影值；

OS'‑‑‑P点在斜垂面上的垂直投影点与纵轴线设计圆心的水平距离值；

SP‑‑‑P点在设计横断面上平距；

PP'‑‑‑P点与设计值的偏差值。

2.根据权利要求1所述的一种小转弯半径条件下隧道测量方法，其特征是：所述360°万向棱镜安装在基座内，所述基座在隧道开挖时埋设在隧道转弯处的隧道外侧壁或外顶壁上，待洞室收敛稳定后将所述360°万向棱镜安装在基座内。

3.根据权利要求1所述的一种小转弯半径条件下隧道测量方法，其特征是：所述360°万向棱镜为圆柱体，所述360°万向棱镜表面上构造有多个传射镜面。

说明书

一种小转弯半径条件下隧道测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及地下工程施工测量技术领域，尤其涉及一种小转弯半径条件下隧道测量方法。

背景技术

[0002] 传统的隧道测量方法通常采用全站仪结合激光指向仪实施现场的开挖施工测量，由于地下洞室作业条件差，控制测量基准传递难，作业效率低，遇到复杂结构的隧洞如压力引水隧洞、地下厂房竖井等，通常要加工笨重的测量基准平台架设棱镜或全站仪来传递控制点，但观测视线遮挡严重，效率低下且成本不菲，而且非常妨碍施工。同时由于放样时数学模型复杂，计算量较大，传统方法测站至少需要两个人，一人观测，一人计算，测量效率低且测量成果报告需要返回驻地处理，不能及时指导现场施工。其中难度较大的竖井测量方法多采用在竖井顶部中心位置悬挂钢丝吊放铅垂或安装激光导向仪，量取钢丝或激光导线仪发射的激光至竖井开挖边线的距离并画线，作为施工开挖的轮廓，但采用竖井顶部中心悬挂钢丝法，存在钢丝因竖井爆破需频繁收放铅垂及钢丝在竖井开挖爆破作业时易被炸断，或与竖井顶部悬挂的作业吊篮缠绕等问题；采用在竖井顶部中心安装激光导向仪法存在因竖井开挖爆破震动，需频繁调校安装在竖井顶部的激光导向仪，竖井开挖越深，每次到竖井顶部调校激光导向仪的安全风险就越大。并且采用上述两种方法均不能解决隧道转弯处的平面精确转向，因此需改进隧道测量方法。

发明内容

[0003] 为解决小转弯半径条件下的隧道施工测量过程中控制基准传递效率低、精度差的难题，本发明提供了一种小转弯半径条件下隧道测量方法，本发明能够避免传统竖井联系测量悬挂钢丝或钢带尺传递坐标的繁琐工序，方便、快捷、精确的解决竖井直段的断面测量、超欠挖测量，下弯段的开挖测量放样，解决竖井下弯段的精确转向确保与下平段的顺利贯通。

[0004] 本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的：一种小转弯半径条件下隧道测量方法，包括以下步骤：

[0005] S1在对应小转弯半径的位置处于隧道转弯的两端架设全站仪；

[0006] S2在对应小转弯半径的位置处于隧道转弯处的隧道外侧壁或外顶壁间隔设置3‑5个360°万向棱镜；

[0007] S3在对应小转弯半经的位置处于隧道转弯的一端设置1个360°万向棱镜，作为控制基准；

[0008] S4利用架设在隧道转弯的两端的全站仪通过隧道外侧壁或外顶壁设置的其中2‑4个360°万向棱镜，采用边角交会方法或三边交会方法测定待测点坐标；

[0009] S5利用架设在隧道转弯的两端的全站仪通过隧道外侧壁或外顶壁设置的剩余1个360°万向棱镜测定待测点坐标，以对待测点坐标进行验证，当测定坐标与验证坐标符合误差范围时，测定结果有效。

[0010] 优选的方案中，所述360°万向棱镜安装在基座内，所述基座在隧道开挖时埋设在隧道转弯处的隧道外侧壁或外顶壁上，待洞室收敛稳定后将所述360°万向棱镜安装在基座内。

[0011] 优选的方案中，所述360°万向棱镜为圆柱体，所述360°万向棱镜表面上构造有多个传射镜面。

[0012] 优选的方案中，还包括如下步骤：

[0013] S1将小转弯半径隧道的BIM模型数据进行分析，获取其坐标系统；

[0014] S2测量现场坐标，并获取小转弯半径隧道的现场测量大地坐标系统；

[0015] S3比较BIM模型数据库的坐标系统和现场大地坐标系统，通过坐标转换求导两套坐标系统的转换参数，实现BIM相对坐标系统与施工测量大地坐标相互转化；

[0016] S4在移动设备上安装移动端测量程序，在移动端测量程序中提前导入隧道的形体设计参数，全站仪通过蓝牙连接移动设备，当全站仪测定待测结果后，自动传输至移动测量程序中进行记录，进一步完成测量放样或验收任务。

[0017] 优选的方案中，所述待测结果包括开挖轮廓点偏差，偏差计算公式如下：

[0018]

[0019] 式中：O‑‑‑隧道转弯处纵轴线设计圆心；

[0020] O'‑‑‑隧道转弯处横断面设计圆心；

[0021] P‑‑‑实际测量点或开挖轮廓点；

[0022] P’‑‑‑P点在设计横断面上的轮廓点；

[0023] O'P'‑‑‑隧道转弯处横断面设计半径；

[0024] OO'‑‑‑隧道转弯处纵轴线设计半径；

[0025] SS'‑‑‑P点在斜垂面上的垂直投影值；

[0026] OS'‑‑‑P点在斜垂面上的垂直投影点与纵轴线设计圆心的水平距离值；

[0027] SP‑‑‑P点在设计横断面上平距；

[0028] PP'‑‑‑P点与设计值的偏差值。

[0029] 相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

[0030] 1.本发明提出的一种小转弯半径条件下隧道测量方法，避免了传统竖井联系测量复杂繁琐的工序，解决了竖井平面坐标不易传递的难题，确保了竖井开挖至下弯段时的精确转向。

[0031] 2.本发明提出的一种小转弯半径条件下隧道测量方法，将竖井的实际尺寸与BIM三维设计模型对比，及时反馈超欠挖等测量成果，方便现场施工人员指导施工，保证了竖井开挖的形体尺寸质量。现场出具电子版的测量报告，方便监理及建设单位审核，提高信息化、标准化管理水平，为后续施工提供有利条件。

[0032] 3.本发明提出的一种小转弯半径条件下隧道测量方法，在实施时测量放样现场测站一人即可，镜站由于采用360°万向棱镜控制点，无需人员辅助，施工现场采用全站仪激光点引导，只需施工人员配合即可。作业效率高，人工成本显著降低。

附图说明

[0033] 图1为本发明的控制测量基准传递及施工测量示意图。

[0034] 图2为本发明中360°万向棱镜的安装示意图。

[0035] 图3为本发明中360°万向棱镜的结构示意图。

[0036] 图4为本发明一种优选实施例的测量流程图。

[0037] 图5为本发明中偏差计算模型示意图。

具体实施方式

[0038] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

[0039] 作为本发明的一种实施例，如图1所示，提供一种小转弯半径条件下隧道测量方法，包括以下步骤：

[0040] S1在对应小转弯半径的位置处于隧道转弯的两端架设全站仪；

[0041] S2在对应小转弯半径的位置处于隧道转弯处的隧道外侧壁或外顶壁间隔设置3‑5个360°万向棱镜，图中示意了设置A、B、C、D四个360°万向棱镜；

[0042] S3在对应小转弯半经的位置处于隧道转弯的一端设置1个360°万向棱镜，作为控制基准，即图1中的隧洞测量控制网点；

[0043] S4利用架设在隧道转弯的两端的全站仪通过隧道外侧壁或外顶壁其中的2‑4个360°万向棱镜，例如通过A、B、C三个360°万向棱镜，采用边角交会方法或三边交会方法测定待测点坐标；

[0044] S5利用架设在隧道转弯的两端的全站仪通过隧道外侧壁或外顶壁设置的剩余1个360°万向棱镜D测定待测点坐标，以对待测点坐标进行验证，当测定坐标与验证坐标符合误差范围时，测定结果有效。

[0045] 本发明所述的小转弯半径条件下隧道，既可以是出于水平面内转弯的隧道，也可以是在水平面内转弯的竖井隧道，当然还可以是在空间内进行转弯的隧道，不论隧道如何布置，其由于转弯半径小，从而均存在测量难以实施的共性。

[0046] 由于地下洞室通视条件差、光线照明及折光、水汽、爆破震动等影响，传统的单棱镜及全站仪免棱镜反射片使用中局限性大，因其反射面单向，在使用过程中遇到竖井上弯段或下弯段转向时就会出现照准困难甚至结果错误等严重问题。经过对比研究，我们设计采用一种360°万向棱镜作为控制点基准传递装置，在竖井开挖的顶部合适部位打孔埋设棱镜安装带螺丝孔的基座，待洞室收敛稳定后通过螺杆连接安装360°万向棱镜，一般根据现场规模及通视情况埋设3～4个360°万向棱镜装置，后续根据全站仪设站精度要求可以在不同施工部位埋设更多基准点。

[0047] 待地下控制网测量阶段，将所有布设的360°万向棱镜装置作为等级控制网点纳入控制测量及平差处理，成为地下洞室施工测量的基准网点，也是指导竖井控制测量及施工放样的起算基准。

[0048] 将360°万向棱镜控制测量成果分别编号输入全站仪和移动端手机测量程序，在竖井开挖阶段，全站仪可以任意设站，分别观测2～3个360°万向棱镜控制点的边长和角度(水平角和垂直角)，采用边角交会或三边交会测量方法即可测设出全站仪的测站平面坐标和高程(三维坐标)，完成测量基准的精确传递。全站仪设站完成后在后视检查其他360°万向棱镜控制点，精度满足要求即可开始测量放样。

[0049] 本发明在测量时采用全站仪自由设站法，其设站位置受控制点位置影响较其他设站方式更小，采用全站仪内置边角后方交会或三边后方交会计算程序进行全边全角测量，使得测站平差有更多多余观测值，精度更加可靠，观测完成后全站仪会自动显示测站误差(平面坐标控制≤±5mm)，再经过独立的第三控制点检查方向或实测坐标检查，以验证校核测站的实际精度检测(误差控制≤±5mm)，误差在限差范围内即能满足设站精度要求。

[0050] 作为本发明的另一种优选实施例，如图2所示，360°万向棱镜安装在安装基座内，安装基座上设置螺丝孔，360°万向棱镜上设置有螺杆，通过与螺杆与螺丝孔连接，所述基座在隧道开挖时埋设在隧道转弯处的隧道外侧壁或外顶壁上，待洞室收敛稳定后将所述360°万向棱镜安装在基座内。

[0051] 在一些优选实施例中，为实现光信号的多向传输，避免在测量过程中需反复调整棱镜的角度，本实施例中，如图3所示，所述360°万向棱镜为圆柱体，所述360°万向棱镜表面上构造有多个传射镜面。

[0052] 在一些优选实施例中，如图4所示，还包括如下步骤：

[0053] S1将小转弯半径隧道的BIM模型数据进行分析，获取其坐标系统；

[0054] S2测量现场坐标，并获取小转弯半径隧道的现场测量大地坐标系统；

[0055] S3比较BIM模型数据库的坐标系统和现场大地坐标系统，通过坐标转换求导两套坐标系统的转换参数，实现BIM相对坐标系统与施工测量大地坐标相互转化；

[0056] S4在移动设备上安装移动端测量程序，在移动端测量程序中提前导入隧道的形体设计参数，全站仪通过蓝牙连接移动设备，当全站仪测定待测结果后，自动传输至移动测量程序中进行记录，进一步完成测量放样或验收任务。

[0057] 采用BIM技术设计的竖井三维模型其坐标信息多采用独立的相对坐标(里程桩号、偏距、高度)，与施工测量使用的大地坐标(X、Y、H)有所不同，面临无法精确匹配的问题，所以要先将二者的坐标系统进行统一，通过坐标转换求导转换参数，将BIM设计数据与施工测量坐标二者实现相互转化。

[0058] 竖井BIM模型的信息量较大，包含了信息化和可视化项目设计的全部信息，能为测绘作业使用几何尺寸及形体数据有限，通常其几何与属性存储于同一文件,以主流的Bentley BIM设计平台为例，BIM模型一般没有大地坐标属性，其数据以图层为单位，通过开发数据转换插件将BIM模型导入CAD平台,其数据中的点、线、面、体、几何结构、几何位置等要素直接转换为CAD识别的格式，成为常规电脑客户端、移动端测量数据处理软件接受的格式。

[0059] 竖井采用BIM设计的数据经过转换处理，特别是坐标系统要与施工测量坐标系统统一后，数据格式导出为IFC格式标准数据,或者通过转换插件生成为OBJ、OSG等三维引擎支持的格式，将竖井三维形体尺寸的有效信息保留，其他无效数据则可删除，输入电脑或手机，采用笔记本电脑或移动端手机测量程序直接读取，设置为设计图纸电子数据。

[0060] 在一些优选实施例中，竖井弯段测量工作前，手机测量程序中建立正确的数学模型，见图5所示，通过蓝牙无线通讯与全站仪联机实施一体自动化测量，在测设好测站坐标后，自动测量并计算竖井弯段的开挖轮廓点偏差或超欠挖测量数值，偏差计算公式如下：

[0061]

[0062] 式中：O‑‑‑隧道转弯处纵轴线设计圆心；

[0063] O'‑‑‑隧道转弯处横断面设计圆心；

[0064] P‑‑‑实际测量点或开挖轮廓点；

[0065] P’‑‑‑P点在设计横断面上的轮廓点；

[0066] O'P'‑‑‑隧道转弯处横断面设计半径；

[0067] OO'‑‑‑隧道转弯处纵轴线设计半径；

[0068] SS'‑‑‑P点在斜垂面上的垂直投影值；

[0069] OS'‑‑‑P点在斜垂面上的垂直投影点与纵轴线设计圆心的水平距离值；

[0070] SP‑‑‑P点在设计横断面上平距；

[0071] PP'‑‑‑P点与设计值的偏差值。

[0072] 实测P点的三维坐标(XP,YP,HP))，O点的设计三维坐标已知，点设计值通过里程判断可计算出，应用上述公式即可计算出竖井弯段的实测点与设计的偏差值。

[0073] 手机测量程序通过算例反复验证测试评估后使用。使用时，将竖井上平段、上弯段、垂直段(或斜井段)、下弯段、下平段各段的数学模型按照桩号里程参考线区分编制成测量放样计算程序，将任意竖井测量数据(Xi、Yi、Hi)输入计算程序，根据参考线里程计算判断该点属于上平段、上弯段、垂直段(或斜井段)、下弯段、下平段哪个区域，再套用哪个区域的数学模型对应计算出该点相对坐标(桩号里程i、偏距i、高度i)，并直接与BIM模型设计数据比对，据此计算该点超欠挖情况，综合判断施工的形体质量。

[0074] 本发明中，测量基准布置在竖井顶部，因此避免了施工现场布置笨重的测量基准平台，同时360°万向棱镜控制点布置有一定的冗余，可以实现将全站仪根据现在情况采用边角交会的测量方法任意自由设站，最大限度减少施工测量对施工的直接干扰。采用手机或平板电脑安装竖井测量专项APP后，通过蓝牙无线连接全站仪，之前将BIM设计参数已输入，现场无需参数输入，实现自动测量、自动出具待测结果，及时反馈现场进度及质量状况，指导施工人员及时进行超欠挖处理。如果现场有移动通信互联网络，也可以通过APP发送施工指挥管理部门，如果是竣工验收测量则通过APP出具测量成果报告电子版，正式报送建设单位和监理工程师审核。

[0075] 本发明方法的实施，避免了传统竖井联系测量复杂繁琐的工序，解决了竖井平面坐标不易传递的难题，确保了竖井开挖至下弯段时的精确转向，同时将竖井的实际尺寸与BIM三维设计模型对比，及时反馈超欠挖等测量成果，方便现场施工人员指导施工，保证了竖井开挖的形体尺寸质量。现场出具电子版的测量报告，方便监理及建设单位审核，提高信息化、标准化管理水平，为后续施工提供有利条件。测量放样现场测站一人即可，镜站由于采用万向360°迷你小棱镜控制点，无需人员辅助，施工现场采用全站仪激光点引导，只需施工人员配合即可。作业效率高，人工成本显著降低。

[0076] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。