AutoCAD全站仪在长隧洞小断面施工测量放样中的应用

AutoCAD全站仪在长隧洞小断面施工测量放样中的应用
杨庆武
摘要：在永泰县丹云九老溪二级生态电站隧洞施工中，介绍了用全站仪、AutoCAD进行隧洞控制测量的技术要求及隧洞掘进时的测量方法。
关键词：隧洞；施工测量；全站仪；AutoCAD
在水利水电工程建设中为了施工导流、引水发电或修灌溉渠道，常常要修建隧洞。施工测量是隧洞按设计精度贯通的重要保证。隧洞施工前要进行贯通误差设计和施工控制网的布设、测量，并以此为依据把设计图纸上隧洞的平面位置和高程，按精度要求测设到地面上，作为施工的依据。施工测量贯穿于隧洞施工的全过程，施工测量工作直接影响隧洞工程的质量及施工进度。随着科技的进步，测量技术和装备有了很大的发展，全站仪和GPS的普遍使用使隧洞施工测量效率和质量有了很大的提高。本文就新的测量技术和仪器条件下，对隧洞控制测量和隧洞掘进中的测量方法进行探讨。
1、工程概况
永泰县丹云九老溪二级生态电站位于葛岭镇溪西村枝柄，如附图所示，隧洞总长3700多米，总水头300米，不设压力管道，总装机1600KW。
2、设备及功能简介
2．1电子全站仪三维坐标测量
电子全站仪集光电测距仪和电子经纬仪、微处理器、存储器于一体，具有精度高、速度快、操作简便等特点，可在同一测站同时测距和测角，并能计算显示出测点的三维坐标并自动存储，具体操作步骤如下：
（1）架设三角架。三角架顶面近似水平，且位于测站点的正上方，把其中一条腿踩一下固定。
（2）安置仪器和对点。安置好仪器后，调节全站仪的三个脚螺旋，使光学对点器精确对准测站点。
（3）利用圆水准器粗平仪器。调整三角架三条腿的长度，使全站仪圆水准气泡居中。
（4）利用管水准器精平仪器。通过旋转三个脚螺旋，使管水准器气泡在两条相互垂直的线上都居中。
（5）精确对中与整平。仪器精平后，通过对光学对点器的观察，地面点会偏离光学对点器中心，需平移仪器，使仪器精确对准测站点，再拧紧中心连接螺旋，再次精平仪器。此项操作重复至仪器精确对准测站点为止。
（6）设置全站仪（不同的品牌略有不同，下面以宾得R200为例）
打开仪器电源开关，设定现场的温度、湿度和气压自动进行气象改正，通过菜单项选择，创建一个文件，然后选中这个文件，再选择测距功能，输入测站点坐标和仪器高，然后输入后视点坐标或方位角，接着照准后视点的反射棱镜，按“确定”键。修改“P/N”点编号，输入“1或A1”，再修改棱镜高，按“测距”键，仪器将会选用自身内存的计算程序自动计算并瞬时显示出后视点的三维坐标(X，Y，Z)，核对后视点坐标值，如在误差范围内，就可以测量前视坐标了。
2．2 AutoCAD
AutoCAD是Autodesk公司开发的专门用于计算机绘图设计的软件，自面世以来一直以其简便快捷、精确无误等优点深受广大工程技术人员的青睐。随着AutoCAD软件的不断更新和推广，AutoCAD软件已不再是单纯的绘图工具，而是可以用来指导工程施工的管理软件。在现代建筑施工中，会遇到许多不规则的建筑物和构筑物，而这些不规则的建筑物和构筑物在施工测量、放样、工程量计算、工程资料的收集和整理等施工过程中存在许多问题。如果运用传统的施工技术处理这些问题，将要花费大量的人力、物资和时间，而且精度和效果也难以满足现代工程建设的需要。AutoCAD技术的运用，传统工艺存在的问题均可以迎刃而解，并且可以达到事半功倍的效果。
3、隧洞外施工控制测量
3.1隧洞施工控制测量的特点
隧洞施工控制测量的目的，在于保证隧洞两相向开挖方向在贯通面按设计要求正确贯通，即横向贯通误差和高程贯通误差在规定的限差内。隧洞施工控制测量的设计、实施和数据处理与隧洞的长度、形状、施工方法、实地地形地貌、仪器设备等条件有关。隧洞外控制测量应在隧洞施工前完成，它以统一的平面、高程系统将布设在隧洞口附近的控制点连接起来，并根据隧洞中线上点的设计坐标，建立起它们与控制点的坐标关系。由于隧洞是一个狭长的建筑物，两开挖洞口之间的控制点之间一般互不通视，故还要布设中间点。在全站仪问世以前，平面控制测量多采用三角网或导线测量，高程控制测量一般采用水准测量或三角高程测量，存在许多限制条件，如三角网角度限制，需要多边通视，在山高路陡的地方水准测量相当困难等。当今隧洞控制测量中新技术不断得到应用，如全站仪用于洞内外三维导线测量，它只需单边两两通视，再加上计算机辅助设计和数据处理等，不仅提高了测量精度，而且具有显著的经济效益。
3.2隧洞洞外三维控制导线测量
（1）选点
选点的原则：相邻两点要相互通视，两点间距离一般不超过600米，总点数要尽量少。洞口或支洞口附近的点要选在不容易被破坏的地方，其附近的两点距离要控制在100米左右。
（2）埋点
先用锄头在选好点的位置挖一个25cm×25cm深度40cm～50cm左右的坑，接着将拌好的砼倒入其中，捣实抹平，然后再将长约35cm的Φ16钢筋埋入砼中，并应将有打“十”字叉的一端朝上，待砼凝固后用油漆写上点的编号。如果选的点在岩石上，就用钢钎和锤子在岩石上打个“十”字叉，并用油漆写上点的编号。
（3）测量
测量天气尽量选在阴天进行，采用支导线测量。如附图所示，导线点起点高程可以是假设高程或者套用1：1万陆军地形图上的特征高程点（近似值），起点坐标为假设坐标。起始边方位角用罗盘仪测定：先把罗盘仪放在仪器顶上，其侧边方向与望远镜轴线方向平行，水平转动仪器直到罗盘仪指针白色那端指向“N”时，锁紧水平制动螺旋，把全站仪水平度盘置零（宾得R-200全站仪是置零键连续按两下），再顺时针转动仪器瞄准后视点，此时仪器显示的水平角度就是测站点起始边的方位角，参照上述2.1的步骤（6）设置仪器，就可以开始导线测量了。
如果直线隧洞长度小于1000m，则直接用全站仪测量导线点的三维坐标，每一测站要通过变动仪器高测三次坐标，每次三维坐标读数差控制在5mm以内，最终坐标取三次的平均值作为下一测站的原始数据。如附图所示，直线隧洞长度大于1000m，地形较复杂的，可采用GPS卫星定位测量。只须在洞口或支洞口选两点可相互通视的控制点（附图中红色连线两点）即可，控制点距离要在100米左右，点的周围不能有大树或灌木丛覆盖，点的上空不能有高压线路经过。
4、隧洞内施工测量
在隧洞进口和出口（或支洞口）之间的洞外控制导线测量完成之后，再进行洞内测量。
先用全站仪将导线点支到离洞口较近的地方，用全站仪放样功能将洞口中心设计坐标放出来，然后在AutoCAD上1：1000的隧洞平面布置图上获取离设计洞口1m、3m、5m中心线上3点的设计坐标（也可用计算器通过洞线的方位角计算出来），在实地上再放样出这三点坐标，并用油漆在岩石上做标记以指示隧洞开挖掘进方向。待隧洞在指示方向掘进约15米后，再用全站仪把导线点支到洞口，用前面的方法获取离洞口5米（A点）、10米（B点）隧洞中心线的坐标，在隧洞地面把这两点坐标放样出来，用风钻分别钻孔，在孔上打入木桩，木桩顶面高程要与隧洞地面高程大约持平，再通过全站仪的望远镜的观察（需开启十字丝照明功能和矿灯照明），左右移动铁钉，将铁钉准确地钉在木桩上，通过测距功能测出地面上两固定点的坐标，作为以后隧洞中心继续放样的导线点。
将全站仪排在埋设好的固定点A上，照准后视点B，锁定仪器的水平制动螺旋，在全站仪激光指示下，转动望远镜在隧洞顶上再做两个标记，两点相距10米左右，其中离工作面较近的一点要距工作面5米左右。用风钻在标记上钻孔，在孔上打入木桩，在全站仪的激光指示下，在木桩上钉上铁钉，通过望远镜观察，用锤子微调铁钉，使两垂线方向分别与设计隧洞中心线相吻合，以供施工人员控制掘进方向。
待隧洞掘进50米左右后，需再次测量放样。可重复上述步骤，在洞顶做两个固定点用于挂垂球，供开挖隧洞工人目测对中用，在隧洞地面中心线上做两个固定点用于测量。
在开挖坡度大于30°的斜洞时，由于洞底坡度变化大，洞底高程施工不易控制，常出现超挖或欠挖的情况，影响隧洞的贯通精度。为此，在开挖斜洞时，每打10米长左右就必须放样一次，严格控制施工误差。
5、需注意事项
由于隧洞处于地下，阴暗潮湿，操作面较狭窄，开炸后空气中又含有有毒气体，有时还有大量地下水冒出，除了施工人员和测量人员要紧密配合、团结协作外，还需注意以下事项：
（1）要往洞里送新鲜空气半个钟头～一个钟头以后（视隧洞距离长短），才能进入洞内。
（2）要准备好以下几件物品：全站仪设备、安全帽、水鞋、矿灯（要充足电能）、擦镜纸或棉签（用于擦拭仪器对中器和望远镜上的目镜和物镜由于洞内外温差而产生的水气）、笔和笔记本、油漆（用于标记隧洞里程和控制点的位置）、木桩、铁钉。
（3）全站仪最好用测角精度为2”的仪器。
（4）在输入坐标数据时一定要核对后才可进行下一步操作。
（5）隧洞地面和洞顶上的固定点要钉牢固，点离工作面要大于5米，并在洞壁上做易辨认的标记。
6、结束语
随着电子全站仪的普及，及AutoCAD的广泛应用，对于工程测量和放样的速度和精度的进一步提高，创造了有利的条件。使用电子全站仪的三维坐标测量功能、和AutoCAD的全面、快速、精确的绘图及查询功能，在隧洞的测量和放样施工中，可以直观、准确的进行任意断面中心、放样及测控任意点超欠挖情况，为隧洞工程施工提供了全面、快速、精确的测控服务。