CN116878459A - 一种隧道开挖断面快速定位与测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工程测量、隧道工程领域，公开了一种隧道开挖断面快速定位与测量方法。传统隧道开挖断面定位于测量的工序包括控制点布设、后视观测、计算定位、定位校正、设站标志、定位验证等繁杂步骤，配合人员多、占用施工时间长，导致施工效率低。本发明旨在解决隧道开挖断面定位与测量过程中操作繁琐，导致无法快速评估开挖断面超欠挖状况的问题，从而影响施工效率。隧道开挖断面快速定位与测量方法的过程包括：设备架设、速测段选定、基准断面设定、自动测量设备相对位置确定和开挖断面测量。该方法可提高开挖断面定位与测量的速度，利于超欠挖情况的快速评估，提高隧道施工效率。适用于隧道工程定位与测量任务。
Description
技术领域
本发明涉及工程测量、隧道工程领域，具体涉及一种隧道开挖断面快速定位与测量方法。
背景技术
随着隧道掌子面不断的掘进与初衬混凝土的跟进，在掌子面与初衬之间始终存在一段刚被开挖处于围岩裸露状态的区段，即为开挖段，其任意断面即为开挖断面。隧道开挖断面的超欠挖是指在隧道施工中，实际开挖的断面尺寸与设计的断面尺寸之间的差异。开挖断面的超欠挖评估是隧道施工的重要环节之一，对隧道工程后续的掘进进展及施工安全由重要意义。若超欠挖不满足规范和设计要求，则会导致围岩失稳或影响隧道的结构安全和使用功能；另一方面，不合理的超欠挖也可导致工程成本的增加，并且严重影响施工进度。因此，对隧道开挖断面的超欠挖情况进行快速的了解与评估，对于保障隧道的安全性、经济性，提高施工效率，保证工程质量具有重要的意义。
进行开挖断面超欠挖测量的传统过程，包括：(1)设站：在进行隧道开挖断面的超欠挖测量之前，通常需要使用后方交汇法确定当前断面的位置。这是一种常用的测量方法，用于建立断面的控制点和基准线。通过在已知控制点上设置测量设备(如全站仪)，将其视线对准后方的参考点(称为后视点或后视标)，记录其水平角度和垂直角度。(2)进行超欠挖测量：测量员使用测量设备测量隧道断面预定好的测点，收集各个开挖断面的测点数据。(3)数据处理和分析：收集完测量数据后并进行数据处理和分析。可得出超欠挖的量和偏差。根据测量结果，确定超欠挖的情况，并进行必要的调整和修正措施。以确保隧道的几何形状和尺寸符合设计要求。
尽管这些传统方法能够在一定程度上确保隧道的准确开挖，但在现代化的建设需求下，它们的效率和准确性却难以满足。采用后方交汇法等传统的设站过程涉及一系列复杂的步骤，如控制点布设、后视观测、计算定位、定位校正、设站标志、定位验证等。这些步骤严重依赖后方水准点，由于施工现场的复杂，经常出现视线遮挡的问题；同时，该过程需要多人配合，由于这些方法的操作复杂，所需的技能和知识较高，如果操作人员不够熟练或经验不足，将可能导致测量过程与定位结果出现概率大，且占用掌子面附近的施工时间长，上述因素综合导致施工效率低。
随着科学技术进步和测量工具的发展，也有其他更先进的测量方法可用，如三维激光扫描仪、全站仪与全球定位***(GPS)的结合等手段，可以提供更高精度和效率的测量结果。但是，这些方法存在数据量大且处理时间成本高的问题，不适用于快速进行测量设备设站定位、开挖断面超欠挖情况快速评估的需求。
因此，如何设计和开发一种更有效、更快速、更简便的隧道开挖断面定位与测量方法，以提高施工效率、减少错误概率，成为了当前隧道工程领域急需解决的问题。
发明内容
为解决开挖断面测量设站工序繁杂、效率低下的问题，本发明目的在于提供一种隧道开挖断面快速定位与测量方法，通过所获测量数据，利用相对坐标定位原理，实现快速获取测量设备和开挖断面位置信息的目的，从而可以提高测量设站定位的效率，利于快速评估开挖断面超欠挖情况，为后续的施工工序提供依据并缩短施工工期，特别适用于隧道工程中的测量定位任务，便于实际应用和推广。
本发明提供了一种隧道开挖断面快速定位与测量方法，主要步骤包括设备架设、方向规定、速测段选定、基准断面设定、测量设备相对位置确定、开挖断面测量、定期校准。具体而言：
步骤S1设备架设：掌子面***出渣后，在开挖断面和初衬断面交界处及隧道中线的交点附近位置架设测量设备,自动测量设备具备自动运行功能，可获取每个断面上每个测点与自动测量设备的距离、角度等测点数据；
步骤S2方向规定：设备后方定为掌子面掘进的反方向，即初衬段；设备前方定为掌子面掘进方向，即掌子面附近的开挖段；
步骤S3速测段选定：选定使用隧道开挖断面快速定位与测量方法的测量区段，称为“速测段”。通常为自动测量设备为中心前后覆盖50～100m范围；
步骤S4基准断面设定：在速测段范围内，可在设备后方设定任意一个初衬断面为基准断面，作为后续自动测量设备进行相对坐标位置计算的基准。
步骤S5测量设备相对位置确定：自动测量设备从基准断面开始，沿设备前方方向，依次测量N个初衬断面上多个测点，测点均匀分布在拱顶、围岩边墙、拱底，可获取N个初衬断面的几何轮廓数据及水平角数据θ1,θ2,…,θN，通过几何计算，可得自动测量设备相对于N个初衬断面、的n组相对定位坐标数据。将n组相对定位坐标数据进行拟合后，可以确定自动测量设备、相对于基准断面的定位坐标位置。
步骤S6开挖断面测量：自动测量设备的测量方向由设备后方变为设备前方。根据自动测量设备的设定，依次测量M个开挖断面上多个测点，测点均匀分布在拱顶、围岩边墙、拱底，可获取M个开挖断面的几何轮廓数据及水平角数据α1,α2,…，αM，几何计算处理后，得每个开挖断面相对于自动测量设备的相对定位坐标位置，并导出M个开挖断面的超欠挖数据，实现开挖段的超欠挖情况的快速评估。
步骤S7定期校准：每间隔一定距离，可进行一次基准断面的精密校准，采用后方交汇法确定基准断面的绝对里程位置，并将步骤S5-S6中的相对位置坐标进行换算。
基于上述发明内容，提供一种隧道开挖断面快速定位与测量方法，即包括有设备架设、方向规定、速测段选定、基准断面设定、测量设备相对位置确定、开挖断面测量、定期校准，主要用于隧道开挖断面测量过程中快速获取测量设备和开挖断面位置信息，利于开挖断面的超欠挖情况的快速评估。为后续的施工工序提供依据并缩短施工工期，特别适用于隧道工程中的测量定位任务，便于实际应用和推广。
本发明的技术效果：
(1)提高工程测量的效率：相对位置方法能够省去复杂的设站步骤，简化了测量过程，从而提高了测量的效率。
(2)提供快速的超欠挖评估：通过快速获取开挖断面的位置信息，可以及时评估超欠挖情况，减少错误概率，有利于保证隧道工程的安全性和质量。
(3)缩短工期：快速定位与测量方法减少了设站和测量的时间，节省了施工时间，有助于加快施工进度，缩短工期。
(4)适用性广泛：该方法结合了先进的测量工具和相对定位原理，适用于不同类型的隧道工程，具有广泛的适用性和推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的隧道开挖断面快速定位与测量方法的步骤示意图。
图2是本发明提供的隧道开挖断面快速定位与测量方法的俯视示意图。
图3是本发明提供的隧道开挖断面快速定位与测量方法的A-A剖切断面示意图。
图4是本发明提供的隧道开挖断面快速定位与测量方法的B-B剖切断面示意图。
图5是本发明提供的隧道开挖断面快速定位与测量方法的C-C剖切断面示意图。
上述附图中：S1-设备架设、S2-方向规定、S3-速测段选定、S4-基准断面设定、S5-测量设备相对位置确定、S6-开挖断面测量、S7-定期校准、1-掌子面、21-围岩边墙、22-拱顶、23-拱底、3-开挖断面、31-第M个开挖断面、32-第二个开挖断面、33-第一个开挖断面、4-开挖断面和初衬断面交界处、5-初衬断面、51-第N个初衬断面、52-第二个初衬断面、53-第一个初衬断面和基准断面、6-已知水准点、7-隧道中线、81-设备后方、82-设备前方、9-速测段、91-初衬段、92-开挖段、911-初衬断面测点、921-开挖断面测点、10-自动测量设备、θ1-自动测量设备测得的第一个初衬断面的水平角、θ2-自动测量设备测得的第二个初衬断面的水平角、θN-自动测量设备测得的第N个初衬断面的水平角、α1-自动测量设备测得的第一个开挖断面的水平角、α2-自动测量设备测得的第二个开挖断面的水平角、αM-自动测量设备测得的第M个开挖断面的水平角。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明示例的实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
实施例一
如图1～4所示，本实施例提供的所述隧道开挖断面快速定位与测量方法，主要步骤包括设备架设(S1)、方向规定(S2)、速测段选定(S3)、基准断面设定(S4)、测量设备相对位置确定(S5)、开挖断面测量(S6)、定期校准(S7)。其中：
步骤S1设备架设：掌子面***出渣后，在开挖断面和初衬断面交界处(4)及隧道中线(7)的交点附近位置架设测量设备(10),自动测量设备(10)具备自动运行功能，可获取每个断面(3，5)上每个测点与自动测量设备(10)的距离、角度等测点数据；
步骤S2方向规定：设备后方(81)定为掌子面掘进的反方向，即初衬段(91)；设备前方(82)定为掌子面掘进方向，即掌子面附近的开挖段(92)；
步骤S3速测段选定：选定使用隧道开挖断面快速定位与测量方法的测量区段，称为“速测段(9)”。通常为自动测量设备(10)为中心前后覆盖50～100m范围；
步骤S4基准断面设定：基准断面设定包括在速测段(9)范围内，可在设备后方(81)设定任意一个初衬断面为基准断面(53)，作为后续自动测量设备(10)进行相对坐标位置计算的基准。
步骤S5测量设备相对位置确定：自动测量设备(10)从基准断面(53)开始，沿设备前方(82)方向，依次测量N个初衬断面(5)上多个测点(911)，测点(911)均匀分布在拱顶(22)、围岩边墙(21)、拱底(23)，可获取N个初衬断面(5)的几何轮廓数据及水平角数据θ1,θ2,…,θN，通过几何计算，可得自动测量设备(10)相对于N个初衬断面(5)的n组相对定位坐标数据。将n组相对定位坐标数据进行拟合后，可以确定自动测量设备(10)相对于基准断面(53)的定位坐标位置。
步骤S6开挖断面测量：自动测量设备(10)的测量方向由设备后方(82)变为设备前方(81)。根据自动测量设备(10)的设定，依次测量M个开挖断面(3)上多个测点(921)，测点(921)均匀分布在拱顶(22)、围岩边墙(21)、拱底(23)，可获取M个开挖断面(3)的几何轮廓数据及水平角数据α1,α2,…，αM，几何计算处理后，得每个开挖断面(3)相对于自动测量设备(10)的相对定位坐标位置，并导出M个开挖断面(3)的超欠挖数据，实现开挖段的超欠挖情况的快速评估。
步骤S7定期校准：每间隔一定距离，可进行一次基准断面(53)的精密校准，采用后方交汇法确定基准断面(53)的绝对里程位置，并将步骤S5-S6中的相对位置坐标进行换算。
如图1～4所示，在所述隧道开挖断面快速定位与测量方法的具体步骤中，所述步骤设备架设(S1)自动测量设备(10)进行架设，可设立在隧道中线(7)与开挖断面和初衬交界处(4)交点位置附近任意位置，尽量靠近隧道中心线(7)，启动自动测量设备(10)。自动测量设备(10)具备自动运行功能，并获取每个测点与自动的距离、角度等测点数据。
优选的，所述步骤方向规定(S2)中，将掌子面掘进的反方向设为自动测量设备(10)的设备后方(81)，即初衬段(91)；将掌子面掘进方向设为自动测量设备(10)的设备前方(82)，即掌子面附近的开挖段(92)。
优选的，所述步骤速测段选定(S3)中，速测段(9)为选定本方法进行快速测量的区段，通常以自动测量设备(10)为中心前后覆盖50-100米范围。
优选的，所属步骤基准断面设定(S4)中，在速测段(9)范围内，将自动测量设备(10)的设备后方(81)的任意一个初衬断面设定为基准断面(53)，作为自动测量设备(10)、开挖段面(3)进行后续相对位置计算的参考，并尽可能将基准断面(53)设定在靠近已知水准点(6)的位置，方便后期的绝对历程校验与数据转换。
优选的，所述步骤自动测量设备的相对坐标位置确定(S5)中，自动测量设备(10)从基准断面(53)开始，沿设备前方(82)方向，依次测量N个初衬断面(5)上多个测点(911)，测点(911)均匀分布在拱顶(22)、围岩边墙(21)、拱底(23)，可获取N个初衬断面(5)的几何轮廓数据及水平角数据θ1,θ2,…,θN，通过几何计算，可得自动测量设备(10)相对于N个初衬断面(5)的n组相对定位坐标数据。将n组相对定位坐标数据进行拟合后，可以确定自动测量设备(10)相对于基准断面(53)的定位坐标位置。其中，测点(911)除均匀分布在拱顶(22)、围岩边墙(21)、拱底(23)外，还可在同一个初衬断面中自定任意个测点数量和位置。
优选的，所述步骤开挖断面测量(S6)中，将自动测量设备的测量方向由设备后方(81)切换为设备前方(82)，测量第一个开挖断面(33)的断面数据，然后测量第二个开挖断面(32)的断面数据，重复此过程，直至测量完毕第M个开挖断面(31)的断面数据，经过几何计算可得到每个开挖断面(3)相对于自动测量设备(10)和基准断面(53)的相对位置坐标，并导出每个开挖断面(3)的超欠挖结果，用于快速评估开挖段(92)的超欠挖情况。其中，测点(921)除均匀分布在拱顶(22)、围岩边墙(21)、拱底(23)外，还可在同一个开挖断面中自定任意个测点数量和位置。
优选的，所述步骤定期校准(S7)中，开挖段(92)快速测量一定距离，通常为50-200米，可通过传统的后方交汇法利用已知水准点(6)测量一次基准断面(53)的精准坐标位置，用于更新前述测得的相对坐标数据。
综上，采用本实施例所提供的隧道开挖断面快速定位与测量方法，具有如下技术效果：
(1)提高工程测量的效率：相对位置方法能够省去复杂的设站步骤，简化了测量过程，从而提高了测量的效率。
(2)提供快速的超欠挖评估：通过快速获取开挖断面的位置信息，可以及时评估超欠挖情况，减少错误概率，有利于保证隧道工程的安全性和质量。
(3)缩短工期：快速定位与测量方法减少了设站和测量的时间，节省了施工时间，有助于加快施工进度，缩短工期。
(4)适用性广泛：该方法结合了先进的测量工具和相对定位原理，适用于不同类型的隧道工程，具有广泛的适用性和推广价值。
最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (9)
1.一种隧道开挖断面快速定位与测量方法，其特征在于，主要步骤包括设备架设(S1)、方向规定(S2)、速测段选定(S3)、基准断面设定(S4)、自动测量设备相对位置确定(S5)、开挖断面测量(S6)、定期校准(S7)。
2.如权利要求1所述的隧道开挖断面快速定位与测量方法，其特征在于，所述步骤S1设备架设包括掌子面***出渣后，在开挖断面和初衬断面交界处(4)及隧道中线(7)的交点附近位置架设测量设备(10),自动测量设备(10)具备自动运行功能，可获取每个断面(3，5)上每个测点与自动测量设备(10)的距离、角度等测点数据。
3.如权利要求1所述的隧道开挖断面快速定位与测量方法，其特征在于，所述步骤S2方向规定包括设备后方(81)定为掌子面掘进的反方向，即初衬段(91)；设备前方(82)定为掌子面掘进方向，即掌子面附近的开挖段(92)。
4.如权利要求1所述的隧道开挖断面快速定位与测量方法，其特征在于，所述步骤S3速测段(9)选定包括选定使用隧道开挖断面快速定位与测量方法的测量区段，称为“速测段(9)”。通常为自动测量设备(10)为中心前后覆盖50～100m范围。
5.如权利要求1所述的隧道开挖断面快速定位与测量方法，其特征在于，所述步骤S4基准断面设定包括在速测段(9)范围内，可在设备后方(81)设定任意一个初衬断面为基准断面(53)，作为后续自动测量设备(10)进行相对坐标位置计算的基准。
6.如权利要求1所述的隧道开挖断面快速定位与测量方法，其特征在于，所述步骤S5自动测量设备相对位置确定包括自动测量设备(10)从基准断面(53)开始，沿设备前方(82)方向，依次测量N个初衬断面(5)上多个测点(911)，测点(911)均匀分布在拱顶(22)、围岩边墙(21)、拱底(23)，可获取N个初衬断面(5)的几何轮廓数据及水平角数据θ1,θ2,…,θN，通过几何计算，可得自动测量设备(10)相对于N个初衬断面(5)的n组相对定位坐标数据。将n组相对定位坐标数据进行拟合后，可以确定自动测量设备(10)相对于基准断面(53)的定位坐标位置。
7.如权利要求1所述的隧道开挖断面快速定位与测量方法，其特征在于，所述步骤S6开挖断面测量包括自动测量设备(10)的测量方向由设备后方(82)变为设备前方(81)。根据自动测量设备(10)的设定，依次测量M个开挖断面(3)上多个测点(921)，测点(921)均匀分布在拱顶(22)、围岩边墙(21)、拱底(23)，可获取M个开挖断面(3)的几何轮廓数据及水平角数据α1,α2,…，αM，几何计算处理后，得每个开挖断面(3)相对于自动测量设备(10)的相对定位坐标位置，并导出M个开挖断面(3)的超欠挖数据，实现开挖段的超欠挖情况的快速评估。
8.如权利要求1所述的隧道开挖断面快速定位与测量方法，其特征在于，所述步骤S7定期校准包括每间隔一定距离，可进行一次基准断面(53)的精密校准，采用后方交汇法确定基准断面(53)的绝对里程位置，并将步骤S5-S6中的相对位置坐标进行换算。
9.如权利要求1-8所述的隧道开挖断面快速定位与测量方法，其特征在于，所述隧道开挖断面(3)快速定位与开挖测量方法基于相对位置原理，用于快速测量隧道断面，利于开挖断面超欠挖情况的快速评估。
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