激光垂准仪在高速公路隧道竖井中的应用

1工程概况
石牙山隧道通风竖井位于广梧高速公路河口至双凤段RK56+465偏右25m处，距苍梧端洞口1472.37m，井深156.99m，直径7.0m，底部通过联络风道与隧道主洞相连，为我省第一条高速公路竖井。该竖井设计主要考虑隧道远景通风，由送风系统和排风系统组成，整个竖井工程施工分为：开挖、初期支护、井壁衬砌、井口圈、中隔墙、马头门、吊顶板、防排水工程等，其中需要用到激光垂准仪放样定位的主要是开挖、井壁衬砌和中隔墙等。竖井的大致设计如下图：

本文主要介绍的是如何利用激光垂准仪进行竖井施工的测量放样。
2施工方法
结合目前国内、外公路、铁路、水电、矿山竖井施工经验和方法，我们竖井开挖方法采用的是中心扩孔法：
中心扩孔法是先采用钻机自上至下钻出导孔，导孔钻至井底后换上扩孔钻头，再由下向上扩孔形成一定直径的导井。导井形成后，第二次由上往下用钻爆法扩孔开挖到设计轮廓。竖井开挖完成后，再一次由下往上用爬模施工完成混凝土衬砌。
3测量准备
在竖井附近布置三个相互通视的平面控制点，以随时观测和验证各间点的位移及沉降；各点间的相互距离控制在200～300 m之间，且均能与竖井通视，以便从不同点位对竖井进观测和验证，保证放样精度；控制点桩要高度适当，且埋设稳固，以便长期使用和保存。各控制点布置如下图：

由于竖井和隧道主洞是一个工程整体，竖井的局部三角锁在使用前必须并入整个隧道平面控制网，并按三等三角测量精度要求进行整体平差，确定竖井控制点坐标。待导井和联络风道完工后，用激光垂准仪对洞内、洞外进行联系测量，以达到洞内、洞外控制网的统一。
4测量放样
4.1激光垂准仪
激光垂准仪是一种以重力线为基准，给出铅垂直线的光学定位仪器。可用来测量相对铅垂线的微小水平偏差、进行铅垂线的定点传递、物体垂直轮廓的测量等。适用于高层建筑物、烟囱、发射井及高塔架的铅直定位测量。
激光垂准仪的基本构造主要由氦氖激光管、精密竖轴、发射望远镜、水准器、基座、激光电源等部分组成。其基本工作原理是：先在已知控制点上安置激光垂准仪，并严格精平、对中；对中后，由垂准仪向上或向下垂直发射一条激光束，并投射至工作面，工作面上的激光投影点即为放样点。
根据激光垂准仪基本工作原理可知，用激光垂准仪放样主要在两个方面产生较大误差：首先是对中误差，由于消除激光垂准仪的对中误差与普通全站仪相同，本文中不再叙述；然后是由于垂准仪产生的激光束不垂直而产生的投影误差，这类误差跟投影距离成正比，距离越大，误差越大。消除这类误差的办法是：在同一控制点转动垂准仪，每转动90度进行一次投点放样，转动一周完成四次投点放样，然后四点平均即可有效消除该类误差。
4.2导向孔放样
可直接通过井外控制点，使用全站仪准确放出竖井中心点平面位置，操作过程完全在地面进行与其余测量放样无异。本文主要论述的是二次扩孔和混凝土衬砌施工时测量放样。
4.3二次扩孔施工测量
当二次扩孔深度达到20m以上时，先用全站仪在门式井架上放置永久性竖井中心点（即该点的使用时间与井架相同），并通过不同控制点位对竖井中心点进行定期复核，确保竖井中心点位置准确。然后用激光垂准仪将竖井中心点的准确平面位置投射到开挖面井盖上（即导井顶面盖板）。最后以井盖投射点为圆心，用钢尺放出开挖轮廓线及炮眼位置。一次爆破一次投射放样，往复循环至扩孔结束。下面是竖井施工时用井架立面图：

二次扩孔小于20m时，考虑到爆破可能对井架造成较大变形或位移（井架上的永久性中心点位置会随井架产生位移），不能使用井架上的永久性中心点。我们采用的办法是：每次放样均从井外控制点放样出竖井中心点在井架上的平面位置，然后用铅锤将竖井中心点位置投放到扩孔开挖面，接下来的工作与上述相同：用钢尺放出开挖轮廓线和炮孔位置。如投放铅锤时铅锤晃动过大，可采用将铅锤放入盛水或油的桶中，以减小晃动。在这里投点方法采用铅锤而不是垂准仪，主要是考虑铅锤投点使用简便，且投放深度较浅时又能满足精度要求。
4.4砼衬砌施工测量
砼衬砌的施工放样主要是对衬砌模板位置的放样。由于我们采用是爬模施工工艺，爬模的特点是模板主体固定不能伸缩和变形，只有活动模板可通过油压千斤顶进行张开与闭合，以达到装模和拆模的目的。下面是竖井施工爬架平面示意图：

根据爬模特点，要放出模板的准确位置，就必须放样出模板主体至少两个点和每块活动模板至少一个点。为确保放样精度，我们初拟主体模板放样三点，且三点不能在同一直线上（两点定位一点复核），每块活动模板放样两点，也是一点定位，另一点复核。
砼衬砌是由下而上施工的，除第一次砼衬砌施工外，模板下部是紧扣已施工完毕的衬砌砼的，无需放样，需要放样的只有第一次衬砌施工的模板下部和所有衬砌施工的上部模板。第一次衬砌的下部模板放样可通过洞内导线点直接用全站仪放出，操作跟主洞砼衬砌放样相同，在此不再叙述。
我们对爬模上部位置放样的方案是：首先在模板上选定需要放样的点，点位以选在模板外沿与砼面接触为宜，这样更能保证放样质量，点数已在上面的叙述中提到；第二步根据点位所处的空间位置计算出它们各自的设计坐标；第三步是用全站仪通过井外控制点放样出以上各点在井架上的准确平面位置，并在放样位置架设固定的投影平台；第四步是在投影平台上架设激光垂准仪将待放样点在平台上的平面位置投放到爬模上部，并使其准确就位。
在此要特别交代的是：确定模板位置的各点一经选定就不再改变。同样，井架平台上的各投射点也不再变化。除定期对平台投射点的点位复核外，不再每次放样均从井外控制点对各投射点进行放样，而是直接从投射点处直接投影放样。
至于一些附属工程的测量放样，由于精度要求较低，操作比较简便，在此不赘述。
5测量总结
利用激光垂准进行竖井施工放样具有如下几个方面的优势：
5.1放样时间短，缩短工序循环时间
二次扩孔的工序循环是：投点放样---钻孔---爆破---排碴---投点放样。由于每一次投点放样均是直接从井顶已知点进行投射，二次扩孔放样过程只需约10分钟，整个放样过程完全可以在排碴与钻孔两个工序间的交接时间内完成，基本不占用工序循环时间；
混凝土衬砌的工序先王是：投点放样---模板就位---混凝土浇筑---防水板、钢筋等的安装---投点放样。由于衬砌混凝土爬模笨重，就位过程较为缓慢，且模板就位过程中需要不断的放样调整，可以说整个投点放样过程完成不占工序循环时间。
5.2放样精度高
我们通过激光垂准仪对洞内、洞外导线进行联系测量，其导线相对闭合差为1/41807，角度闭合差为11.3秒，其测量精度满足三等平面控制网精度要求。
参考文献：
1、张学军;;我国工程测量技术发展现状与展望[J];中国新技术新产品;2010年