李海滨
中建二局第三建筑工程有限公司 北京 100070
摘要：在科学技术高速发展的今天，高精度全天候全站仪业已普及，其免棱镜技术也有了质的飞跃，其射程精度和信号强度越来越适应隧道施工，本文简述了拟建直角坐标系以及可编程计算器和全站仪免棱镜技术相结合在地铁隧道施工中的实际应用
关键词：地铁暗挖隧道，超欠挖，免棱镜全站仪，直角坐标法，计算器。
1 引言
开挖轮廓放样是地铁暗挖隧道施工中的一个重要工作，若掌握不好，发生较大偏差，甚至超出整个隧道开挖轮廓线外，就会造成重大损失。就是不超出开挖轮廓线，也会给施工造成一些困难，如锚杆不能打在正确的位置，拱脚悬空等。因此这项工作在隧道施工中是不可忽视的。经常用仪器测量，能保证开挖方向不发生偏差。然而测量频繁，确又影响进度，因为用仪器测量时，运输往往中断，这确是一个矛盾。能否快速、准确地进行隧道开挖轮廓放样，不但直接影响到开挖循环时间、开挖轮廓质量，还会进一步影响到工期和经济效益。
传统的隧道开挖轮廓放样有采用断面支距法（即五寸台法），它是利用经纬仪（或全站仪）、水准仪和钢卷尺进行测量。其测量速度慢，精度低（特别是隧道掌子面凹凸不平时，其测量精度更差），所需人员多。也有采用坐标法，利用全站仪结合小型计算机，在掌子面上开挖轮廓线附近放置棱镜测任一点的三维坐标，用计算机计算出该点至开挖轮廓距离，最后将所有标出的开挖轮廓点连接圆顺，其测量精度虽然有所提高，所需人员也相应减少，但是要想找到所有开挖轮廓点需要测站人员和前视置镜人员配合默契时还需要大量时间，而且有的点置镜人员无法到达。因此断面支距法和传统坐标法已经越来越不适应现在隧道快速施工的需要。
为了提高地铁隧道开挖轮廓放样的速度和质量，采用直角坐标法与徕卡全站仪（带免棱镜功能）和可编程手持计算器相结合。开挖轮廓放样时，在掌子面附近架设全站仪，采用全站仪自由设站功能，后视洞内2个以上导线控制点定向，打开全站仪红外线激光指向和免棱镜测距功能，瞄准需测目标（仅用激光点对准需测开挖轮廓概略位置—激光与望远镜同轴），测出目标三维坐标并计算出激光点离设计轮廓的偏移值，调整激光点位置直至偏移值在允许误差范围内，激光点处位置即可认为是开挖轮廓线上的点。
直角坐标法与断面支距法和坐标法相比，此方法具有以下优点：
（1）测量精度高 测量误差主要受全站仪测量精度控制，一般测量误差可控制在1cm以内。
（2）速度快 地铁单洞隧道一般开挖轮廓放样时间在10分钟以内完成。
（3）适用性强 放样时采用自由设站对施工影响很小，只要通视情况良好就能准确测出任意里程处的开挖轮廓线。
（4）操作简便 由于放样时不需要现场人工计算和拉尺测量，也无需棱镜配合，只要单人操作全站仪和计算器即可，因此操作起来十分简便，这样既能加快测量速度，又能减少测量误差和出错概率，在很大程度上还能保证人员安全。
（5）所需人员少 直角坐标法只需要1个人即可，传统坐标法需要 2~3个人，支距法则需要5~6个人。
2直角坐标法测量原理
2.1测量思路
现场测量放样要求准确快速，因此测量放样的核心技术就是编制一个计算器程序，该程序的功能为方便、准确、快速的计算出空间任一点至隧道开挖轮廓面的距离。隧道开挖轮廓曲面空间位置是由隧道平面图、纵断面图和横断面图组合确定，计算式将三维空间转化为二维平面，首先在隧道平面坐标系中求出实测点投影到隧道中心线的里程(K)和距离线路中线的偏距（E），然后根据所求里程、纵断面坡度（或竖曲线）、隧道横断面要素计算出该里程处隧道轨面线中线标高，最后在隧道横断面上，判断该点在哪段圆弧范围内，求出该点至圆弧的距离，即为该点至隧道开挖轮廓面距离。
2.2超欠挖值的确定
确定所测点对应里程的设计断面轮廓线与其设计中线及标高的相对尺寸，此过程可由设计图量取或计算所需的相对尺寸，在隧道断面测量程序中，所需的相对尺寸基本上是半径和一些相对平距，可根据具体情况获取，目的仅仅是为了下一步求取所测设任意点坐标与该点里程设计断面的相对关系，从而得到此点超欠挖值。
具体方法如下：
在断面图上建立独立坐标系，以轨面线和线路中线交点为坐标原点，线路中线指向拱顶为X轴，右转90°为Y轴建立直角坐标系。就可以根据尺寸关系定义八心圆各圆心直角坐标，以及各圆心所对应的圆弧上的点位直角坐标。如下图所示。
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X值为实测点位标高与设计轨面标高差值H，正值表示在轨面以上，负值表示在轨面以下。Y值为实测点位距离线路中线的水平距离E（根据线路坐标反算程序求得），正值表示在线路中线右侧，负值表示在线路中线左侧。
P点为实测值，假设其X值为H1，Y值为E1，P1为所放样圆弧上一点，其X值为H2，Y值为E2。H1-H2=△H，如果为正值说明实测点在待放样点上方，反之在下方，E1-E2=△E，如果为正值说明实测点在待放样点右侧，反之在左侧。当P点处于n号圆弧区域内，计算程序自动调用该圆弧段直角坐标数据库进行比对，如果是放样特征点，只需根据△H、△E数值向P1处移动激光点，重测其坐标并计算△H、△E，不断修正直至两数值均为0（或小于限值），此时激光点在开挖轮廓线上。当检查隧道超欠挖时，只需计算出P点与对应圆弧圆心点的距离（断面图独立坐标系下），然后和半径比较得出差值d，即为超欠挖量。可以看到，放样一个轮廓线上的点需要进行大量计算，这就要求我们需利用可编程计算器进行程序计算，以代替手工的缓慢操作与计算。
至于如何反算实测坐标的里程和偏距，以及如何正算实测里程设计轨面标高，也均由程序计算，这里不再赘述。
结束语
免棱镜测距的应用，使传统隧道工程测量不易、不能解决的问题得到很好的解决。结合直角坐标法测量隧道断面的方法长春地铁6号线经历了一条隧道的成功实践。此法大大节约了测量施工时间，正常情况下的隧道轮廓线断面测量时间可以控制在10分钟以内，而且由于检测、复查断面超欠挖提供了有利保障。隧道顺利贯通后，贯通面衔接自然、平顺，贯通误差为12mm，满足规范要求。
隧道断面以手持计算器配合全站仪施测，是低成本投入、高效完成工作的典范，并且便于测量的计算、复核，计算程序编制完成后，可以随时检查、优化，工序操作简单，通过任意点三维坐标就可方便、快速的掌握此点与设计点的相对关系，而且可以保障测量数据的准确，能够高效、准确地指导施工。
参考文献：
[1]刘兰利.坐标法隧道开挖轮廓放样在厦门云顶隧道施工中的应用，铁道建筑技术2004（增刊）.2004-7-10；
[2]林海剑、索朝军.全站仪有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2002（11）.2002-8-20；
[3] GB/T 50308-2017.城市轨道交通工程测量规范。
作者简介：李海滨，男，1983年05月出生，一级建造师，测量技师，中建二局三公司基础设施分公司长春地铁6号线项目测量部长