CN107167112A - 一种适用于直线型隧洞轴线定位测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于直线型隧洞轴线定位测量的装置及方法，主要为方法，通过采用全站仪布设直线型隧洞的中轴线控制点，将激光水平仪通过专用连接装置架设在可对中整平的测量三脚架上，将仪器精确对中于轴线控制点上，通过量测仪器高或与预留高程点比对，计算出仪器的视线高，从而实现了激光水平仪的三维绝对精确定位，可为隧洞掌子面施工现场提供两条高精度可见的高程基准线和轴线基准线，方便施工人员现场放样。该方法使用的设备低廉、操作简单、但精度高且适用范围广，放样时与其他工序可交叉作业，显著提高工效。

Description

一种适用于直线型隧洞轴线定位测量的装置及方法

技术领域

本发明涉及隧洞开挖领域，尤其是一种适用于直线型隧洞轴线定位测量的装置及方法。

背景技术

在直线型隧洞钻爆法开挖施工的测量放样方法目前主要有两种，一种是全站仪逐点精确放样，适用于大断面开挖；另外一种是全站仪配合激光指向仪，适用于小半径圆形断面开挖。地下隧洞开挖施工时最频繁的测量作业是掌子面放样，掌子面放样的核心是保证轴线放样正确的前提下上测设开挖隧洞横断面的钻爆孔位，既确保隧洞的精确贯通又要保证开挖断面尺寸的精确，在允许范围内不超挖不欠挖。因此在隧洞开挖时测量放样工作非常重要，通常都是采用高精度全站仪精确逐点放样。

测量作为一道施工工序直接占用直线工期，测量技术人员和施工人员经常因为无法无缝衔接而产生一些矛盾。因为测量作业时对环境要求高，需要排险、除尘、通风、照明等条件下精确作业，因此经常会出现测量人员等待施工人员完成上一道工序，或者施工人员等待测量作业，特别是开挖掌子面周边钻孔逐点放样消耗的时间长，效率不高。同时现场作业是测量人员及配合人员要求多，对测量仪器及测量人员的素质要求高。

后来一些直线型小半径圆形断面隧洞施工过程中，出现了激光指向仪，在掌子面附近已开挖好的的隧道轴线上安装支架，在支架上架设激光指向仪，通过全站仪精确调整激光的发射方向，确保激光束指向隧洞的轴线，施工人员根据投影到掌子面的激光轴线点进行钻孔标定，2~3个循环后测量人员再进行精确调整。该方法的优点是不需要每个循环都要求测量人员现场进行测量放样，提高了的工效，但缺点是激光指向仪固定安装在掌子面附近，受***施工影响非常大，经常会被***时的飞石撞击而受损，此外安装支架锚固在开挖隧洞的顶部或腰部，自身受围岩的收敛变形影响常常出现位移变形，所以这种方法的精度经常难以保证，需要测量人员经常进行调校，反复安装支架，而且仅一个激光点，现场出错难以发现并纠正。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于直线型隧洞轴线定位测量的装置及方法，能够快速标定设计轴线中心点、开挖断面轮廓点和设计钻爆孔位，避免受***影响。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种适用于直线型隧洞轴线定位测量装置，包括激光水平仪，激光水平仪通过连接机构与三脚架对中连接；所述连接机构包括中空杆，中空杆包括上连接部和下连接部，其中，上连接部和下连接部上分别设有外螺纹和内螺纹，外螺纹和内螺纹分别与激光水平仪的对中螺旋孔、三脚架的螺杆相匹配；所述激光水平仪的可见激光下对点与隧洞中轴线的控制点重合。

所述三脚架的支架为可伸缩结构。

所述三脚架上设有可转换轮架，可转换轮架包括折型杆，折型杆的拐点与三脚架铰接，折型杆的较长段底端设有万向滚轮、较短段上设有把手，折型杆的较长段竖直时，三脚架离地且折型杆的较长段通过卡套卡紧。

折型杆的较长段由上下螺纹套和中间螺纹杆连接而成

所述上连接部外螺纹杆的外径与下连接部内螺纹孔的内径均为16mm 。

所述激光水平仪型号为EK-268GJ。

一种适用于直线型隧洞轴线定位测量的方法，包括以下步骤：

步骤一、测设隧道中轴线并标定：采取全站仪测设直线型隧道中轴线并在现场标定隧洞中轴线控制点；

步骤二、精确架设，三维绝对定位激光水平仪：将激光水平仪通过连接机构与普通测量三脚架固定，通过微调移动激光水平仪的可见激光下对点，将激光水平仪架设在隧洞中轴线的控制点上，则激光水平仪中心的二维平面坐标已固定；再量测仪器高，可精确计算激光水平仪的视线高，从而实现了激光水平仪的三维绝对定位。

步骤三、投测隧洞轴线和高程基准线：利用激光水平仪发射的两条高精度基准线，在施工现场投测出两条相互垂直可见激光线，通过精确调整，确保垂直基准线与其他标定的中轴线控制点重合，即可认定垂直基准为隧洞轴线，水平基准线的绝对高程为激光水平仪的视线高。

步骤四、隧洞放样：依据设计要素，计算并标定掌子面轴线中心点或钻爆设计孔位。根据隧洞纵坡的设计参数及开挖横断面设计参数，必要时采用手持测距仪测量仪器至掌子面的距离，依次计算欲放样点位与基准线的差值，现场量测并标定。

步骤五、加强过程检查和复核：首次放样时，需要采用高精度全站仪对放样的掌子面轮廓点和特征点进行现场复核；同时，用全站仪在隧洞的顶部可布设永久轴线点、在两侧布设腰线断面点和高程点，方便激光水平仪在测量过程进行检查复核，降低出错几率。

所述步骤五中全站仪每隔3~4个钻爆循环后进行一次全面复核，同时布控下一阶段的轴线控制点。

所述步骤四中的隧洞放样包括直线型无坡降的隧洞放样、直线型有坡降的隧洞放样，其中，直线型无坡降的隧洞放样根据欲放样点位与基准线的差值，现场量测并标定，可实现快速放样掌子面轴线中心点、设计轮廓点或钻爆设计孔位的具***置；直线型有坡降的隧洞放样根据圆心高程与现场给定水平基准线的差值，可现场量测并标定，其后的工作与直线型无坡降的隧洞放样方法一样。

所述直线型无坡降的隧洞放样包括马蹄形或城门洞型的开挖断面，该开挖断面除标定圆心外，还需要标定一些特殊轮廓点。

本发明一种适用于直线型隧洞轴线定位测量装置及方法，具有以下技术效果：

1）、本申请通过采用全站仪布设直线型隧洞的中轴线并埋设轴线控制点固定标志，利用激光下对点将仪器精确对中于轴线控制点上，通过量测仪器高或与预留高程点比对，计算出仪器的水平视线高，通过精确调整垂直线与中轴线重合，即可为掌子面施工现场提供两条高精度可见的高程基准线和轴线基准线，方便施工人员现场标定设计轴线中心点、开挖断面轮廓点和设计钻爆孔位。

与全站仪逐点放样相比：全站仪工作量大、作业速度慢，严重影响施工进度，只适合大断面作业，而本申请所需人工及时间均比单独使用全站仪少很多，且作业更简单，快速方便，也不影响精度；

与全站仪配合激光指向仪相比：采用精度较高的激光水平仪，可在与掌子面的作业距离大于50m外作业，避免***时与掌子面的作业距离大于50m，同时免受围岩收敛变形的影响，无需调校仪器和频繁埋设安装支架，精度高，进而提高效率。另外激光水平仪具有两条基准线，可进行复核，测量准确性可得到有效保证。

2）、仪器设备低廉，操作简单，现场施工人员经过简单培训即可操作，无需测量技术人员参与，可实现与其他工序交叉作业，无缝对接，节省了测量时间。

3）、利用该装置进行测量不受***及其他工序影响，仪器可即时架设、即时收放，确保安全。且该方法精度高、现场检核条件多，出错几率低，适用范围广。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为发明的示意图。

图2为发明中连接机构的示意图。

图3为发明中折型杆较长段局部示意图。

图4为发明工作状态示意图。

图5为发明中马蹄形或城门洞型的开挖断面放样图。

图中：激光水平仪1，连接机构2，三脚架3，中空杆4，上连接部4-1，下连接部4-2，外螺纹4-3，内螺纹4-4，万向滚轮5，转动把手6，卡套7，折型杆8，控制点9,水平基准线10，隧洞轴线基准线11，钻孔设计点位12，圆形端面设计圆心13。

具体实施方式

如图1-3所示，一种适用于直线型隧洞轴线定位测量装置，包括激光水平仪1，激光水平仪1型号为EK-268GJ，当与掌子面的作业距离大于50m时，其最大偏心差小于±10mm，其相对精度满足一般土建施工放样的要求。这样，在***时可避免受到飞石撞击或围岩的收敛变形影响。所述激光水平仪1通过连接机构2与三脚架3对中连接。所述连接机构2包括中空杆4，中空杆4为一长50mm、中空的铜制圆柱杆。中空杆4包括上连接部4-1和下连接部4-2。上连接部4-1一端与激光水平仪底部对中螺旋孔连接，杆端外径（直径）16mm，中空内径（直径）为8mm，上连接部4-1配套车丝外螺纹4-3，外螺纹4-3长12mm。下连接部4-2与普通测量三脚架的螺杆连接，设计为中空套筒模式，套筒端外径26mm、内径16mm、长20mm，中空车丝内螺纹4-4，内螺纹4-4长15mm，方便与普通测量三脚架中心的螺杆（施工测量领域标准的强制对中连接螺栓孔直径一般为16mm）连接。三脚架3的支架为可伸缩结构，可伸缩结构由多根支杆套接而成，每根支杆内通过弹簧连接有滚珠，滚珠与相邻支杆的限位孔连接。该机构与雨伞支撑杆伸缩原理一致。

由于需要将所述激光水平仪1的可见激光下对点与隧洞中轴线的控制点9（位于地面）重合，因此，需要将三脚架3进行适当移动进行粗调。为了使调节更加灵活，在所述三脚架3上设有可转换轮架，这样可采用滚动来移动，降低搬动带来的劳动强度。可转换轮架包括折型杆8，折型杆8的拐点与三脚架3铰接，折型杆8的较长段底端设有万向滚轮5、较短段上设有把手6，折型杆8的较长段竖直时，三脚架3离地且折型杆8的较长段通过卡套7卡紧。当需要调节时，转动把手6，使折型杆8的较长段竖直且卡入弹性卡套7内，万向滚轮5落地，而三脚架3离地。这样可随意移动激光水平仪1，从而进行快速有效的多点测量和校核，非常方便。当移动到指定位置后，调节万向轮的刹车片使万向轮锁紧。折型杆8的较长段由上下螺纹套和中间螺纹杆连接而成。因此旋动螺纹杆，使万向轮离地而三脚架3落地，再进行测量工作。

一种适用于直线型隧洞轴线定位测量的方法，包括以下步骤：

步骤一、测设隧道中轴线并标定：采取全站仪测设直线型隧道中轴线并在现场标定隧洞中轴线控制点。一般按规范要求每5m或10m间隔、以整数桩号实地测量中桩轴线控制点，在施工底板钻孔并埋设测量标志，便于长期保存使用，也可在隧洞顶部测设一些轴线点，采用钢筋头锚固，刷上反光漆，便于激光水平仪进行轴线校核。

步骤二、精确架设，三维绝对定位激光水平仪： 因为激光水平仪的常规使用模式都是任意架设，相对定位。本方法中需要将激光水平仪绝对定位，因此需要采用可精确整平对中的三脚架，利用设计的专用连接装置，将激光水平仪与普通测量三脚架固定，通过微调移动激光水平仪的可见激光下对点，将激光水平仪架设在隧洞中轴线的控制点（X,Y）上，轴线坐标系一般X为桩号,Y为偏中距离，轴线上Y=0，实际作业过程中有时轴线上施工有遮挡或干扰时，也可偏离一定距离。则激光水平仪中心的二维轴线坐标(X,Y)已固定；再量测仪器高，可精确计算激光水平仪的视线高(H)，还可以通过量测现场预留的高程控制点与水平基准线的差值进行复核或验算，从而实现了激光水平仪的三维绝对精确定位(X,Y,H)。有时需要升降三脚架，让激光水平仪的水平基准调整为整数高程值或特定高程值，方便现场计算。

步骤三、投测隧洞轴线和高程基准线： 利用激光水平仪发射的两条高精度基准线，在施工现场开挖掌子面上投测出两条相互垂直可见的激光线，通过精确调整，确保垂直基准线与其他桩号的中轴线控制点重合，即可认定垂直基准为隧洞轴线，水平基准线的绝对高程为激光水平仪的视线高H。此时，可以采用手持测距仪（测距精度±2mm/100m、带双方向水准气泡），对准激光水平仪在掌子面上投测的正交增强点，实地量测激光水平仪至掌子面的距离S，可计算出掌子面的桩号K(K=X+S)和实际进尺。

步骤四、隧洞放样：依据设计要素，计算并标定掌子面轴线中心点或钻爆设计孔位。根据隧洞纵坡的设计参数及开挖横断面设计参数，必要时采用手持测距仪测量仪器至掌子面的距离，依次计算欲放样点位与基准线的差值，现场量测并标定。直线隧洞放样包括以下两种：

1）、直线型无坡降的隧洞放样：依据之前计算的设计断面参数，依次计算欲放样点位与基准线的差值，现场量测并标定，可实现快速放样掌子面轴线中心点、设计轮廓点或钻孔设计点位的具***置。直线型无坡降的圆形开挖断面，只要标定了圆心位置，则其他轮廓点依据开挖半径即可标定，如果是马蹄形（或城门洞型）的开挖断面，出了标定圆心，还需要标定一些特殊轮廓点。

2）、直线型有坡降的隧洞放样：重点要依据设计坡度计算圆心位置的高程，激光水平仪架设处（桩号X0）的设计开挖圆心高程为H0，如果设计坡降为P%(带正负符合）,通过手持测距仪测量掌子面到仪器的水平距离S，则掌子面开挖设计圆心高程H’=H0+S×P%。计算设计圆心高程与现场给定水平基准线的差值，即可现场量测并标定，其后的工作与直线型无坡降的隧洞放样方法一样。

步骤五、加强过程检查和复核。首次放样时，需要采用高精度全站仪对放样的掌子面轮廓点和特征点进行现场复核，确保采用激光水平仪测量的准确性。同时，用全站仪在隧洞的顶部可布设永久轴线点、在两侧布设腰线断面点和高程点，方便激光水平仪在测量过程进行检查复核，降低出错几率。一般根据钻爆进尺的速度，要求3~4个钻爆循环后用全站仪进行一次全面复核，同时布控下一阶段的轴线控制点。

Claims (10)

1.一种适用于直线型隧洞轴线定位测量的装置，其特征在于：包括激光水平仪（1），激光水平仪（1）通过连接机构（2）与三脚架（3）对中连接；所述连接机构（2）包括中空杆（4），中空杆（4）包括上连接部（4-1）和下连接部（4-2），其中，上连接部（4-1）和下连接部（4-2）上分别设有外螺纹（4-3）和内螺纹（4-4），外螺纹（4-3）和内螺纹（4-4）分别与激光水平仪（1）的对中螺旋孔、三脚架（3）的螺杆相匹配；所述激光水平仪（1）的可见激光下对点与隧洞中轴线的控制点重合。

2.根据权利要求1所述的一种适用于直线型隧洞轴线定位测量装置，其特征在于：所述三脚架（3）的支架为可伸缩结构。

3.根据权利要求1所述的一种适用于直线型隧洞轴线定位测量装置，其特征在于：所述三脚架（3）上设有可转换轮架，可转换轮架包括折型杆（8），折型杆（8）的拐点与三脚架（3）铰接，折型杆（8）的较长段底端设有万向滚轮（5）、较短段上设有把手（6），折型杆（8）的较长段竖直时，三脚架（3）离地且折型杆（8）的较长段通过卡套（7）卡紧。

4.根据权利要求3所述的一种适用于直线型隧洞轴线定位测量装置，其特征在于：所述折型杆（8）的较长段由上下螺纹套（8-1）和中间螺纹杆（8-2）连接而成。

5.根据权利要求1所述的一种适用于直线型隧洞轴线定位测量装置，其特征在于：所述上连接部（4-1）外螺纹杆的外径与下连接部（4-2）内螺纹孔的内径均为16mm 。

6.根据权利要求1所述的一种适用于直线型隧洞轴线定位测量装置，其特征在于：所述激光水平仪（1）型号为EK-268GJ。

7.一种适用于直线型隧洞轴线定位测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、测设隧道中轴线并标定：采取全站仪测设直线型隧道中轴线并在现场标定隧洞中轴线控制点；

步骤二、精确架设，三维绝对定位激光水平仪：将激光水平仪通过连接机构与普通测量三脚架固定，通过微调移动激光水平仪的可见激光下对点，将激光水平仪架设在隧洞中轴线的控制点上，则激光水平仪中心的二维平面坐标已固定；再量测仪器高，可精确计算激光水平仪的视线高，从而实现了激光水平仪的三维绝对定位；

步骤三、投测隧洞轴线和高程基准线：利用激光水平仪发射的两条高精度基准线，在施工现场投测出两条相互垂直可见激光线，通过精确调整，确保垂直基准线与其他标定的中轴线控制点重合，即可认定垂直基准为隧洞轴线，水平基准线的绝对高程为激光水平仪的视线高；

步骤四、隧洞放样：依据设计要素，计算并标定掌子面轴线中心点或钻爆设计孔位；根据隧洞纵坡的设计参数及开挖横断面设计参数，必要时采用手持测距仪测量仪器至掌子面的距离，依次计算欲放样点位与基准线的差值，现场量测并标定；

步骤五、加强过程检查和复核：首次放样时，需要采用高精度全站仪对放样的掌子面轮廓点和特征点进行现场复核；同时，用全站仪在隧洞的顶部可布设永久轴线点、在两侧布设腰线断面点和高程点，方便激光水平仪在测量过程进行检查复核，降低出错几率。

8.根据权利要求7所述的一种适用于直线型隧洞轴线定位测量的方法，其特征在于：所述步骤五中全站仪每隔3~4个钻爆循环后进行一次全面复核，同时布控下一阶段的轴线控制点。

9.根据权利要求7所述的一种适用于直线型隧洞轴线定位测量的方法，其特征在于：所述步骤四中的隧洞放样包括直线型无坡降的隧洞放样、直线型有坡降的隧洞放样，其中，直线型无坡降的隧洞放样根据欲放样点位与基准线的差值，现场量测并标定，可实现快速放样掌子面轴线中心点、设计轮廓点或钻爆设计孔位的具***置；直线型有坡降的隧洞放样根据圆心高程与现场给定水平基准线的差值，可现场量测并标定，其后的工作与直线型无坡降的隧洞放样方法一样。

10.根据权利要求9所述的一种适用于直线型隧洞轴线定位测量的方法，其特征在于：所述直线型无坡降的隧洞放样包括马蹄形或城门洞型的开挖断面，该开挖断面除标定圆心外，还需要标定一些特殊轮廓点。