无棱镜反射型全站仪在隧道净空测量及隧道拱顶沉降和隧道收敛测量中的应secret.docx
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无棱镜反射型全站仪在隧道净空测量及隧道拱顶沉降和隧道收敛测量中的应secret
无棱镜反射型全站仪在隧道净空测量及隧道拱顶沉降和隧道收敛测量中的应用
1前言
在隧道施工中隧道净空是非常关键的控制因素，在开挖控制中，隧道净空的大小影响到超欠挖方量的多少同时也对以后的二衬厚度产生非常大的影响;在二衬中直接关系到成型后的隧道的断面净空是否侵限。
目前国际国内市场上有专门用于净空测量的仪器----隧道断面仪，如北京光电技术研究所的BJSD-2B型激光限界检测仪，它主要用于对断面的快速精确检测，特别是在施工监测，竣工验收，质量控制等工作中能快速获得隧道断面数据。
但是，由于它是专用设备，只在隧道施工中才有用，而且价格昂贵，所以，一般施工企业很少买。
其实利用无棱镜反射型全站仪的自身功能，也可以开发一套用于隧道净空量测的技术。
而且基本上都能实现数据的自动记录、处理及绘图和比较。
2无棱镜反射型全站仪隧道净空测量技术的工作原理
无棱镜反射型全站仪隧道净空测量技术的基本原理是：
操作者把全站仪置镜在所要测量断面的线路中线或隧道中线等特殊点上），也可以置镜在所要测量断面的任意一点上，甚至把全站仪置镜在任意点上测量任意断面（对直线隧道而言，且所测断面距置镜点的距离不得超过无棱镜反射型全站仪的有效测程），测出某一断面上轮廓点相对置镜点的相对坐标或在施工坐标系中的坐标，仪器自动记录所测数据，回到办公室后，把全站仪与计算机联机，利用徕卡测量办公室软件（LeicaSurvey-Office）把仪器内存的断面净空数据下载到计算机里面，再转到Excel中去进行简单的数据处理后，复制到记事本生成脚本文件，再通过AutoCAD运行脚本文件自动生成断面净空实测图，最后把断面设计图套上去，就可以清楚地比较了。
3无棱镜反射型全站仪隧道净空测量系统的组成及工作方法
3.1无棱镜反射型全站仪隧道净空测量系统的组成
无棱镜反射型全站仪隧道净空测量系统组成：
硬件设施有无棱镜反射型全站仪，脚架，棱镜架，计算机，打印机；软件设施有独立坐标系和施工坐标系，LeicaSurvey-Office，Excel，记事本，AutoCAD。
其中无棱镜反射型全站仪与脚架和棱镜架主要用来采集记录断面数据；计算机和打印机用来下载数据、处理数据、绘图、打印；独立坐标系和施工坐标系是用来确定断面轮廓点相对置镜点相对位置或相对断面处的轨面线与线路中线或隧道中线的交点的相对位置；LeicaSurvey–Office是用来下载外业采集的断面数据；Excel是用作绘断面图的简单的数据处理；记事本是用来建立AutoCAD的脚本文件；AutoCAD是用来绘断面净空图和与设计断面净空图进行比较。
3.2无棱镜反射型全站仪隧道净空测量系统的主要技术指标（徕卡TCR702型）
1.测距方式：
短距离无反射棱镜测量模式（RL-SHOTT）
2.检测半径：
1.5~80米
3.检测时方位角范围：
30~330度
4.测距精度：
3mm+2ppm
5.测距时间：
3秒+1秒/10m（>30m）
6.一次充电测距使用时间：
电池GEB121>2000次；电池GEB111>1000次
7.通讯设置：
仪器和徕卡测量办公室（LeicaSurvey–OfficeVersion1.33即徕卡测量办公室1.33版）设置RS232串口行的通讯参数设置为：
端口（COM1）、波特率（19200）、数据位（8）、检验（无）、分行符（CRLF）、停止位
（1）
8.内存容量：
288K=4500数据块=7000个已知点
3.2无棱镜反射型全站仪隧道净空测量系统的工作方法
第一步：
建立坐标系（独立坐标，施工坐标系）：
建立绘图坐标系：
以线路中线（隧道中线）与所测断面轨面线的交点为原点，竖直方向为X轴，向上为正，向下为负；以水平方向为Y轴，向右为正，向左为负。
图1图2
线路中线与轨面线交点为原点隧道中线与轨面线的交点为原点
建立测量坐标系（独立坐标系，施工坐标系）
直线隧道:
建立以线路中线（隧道中线）为X轴，前进方向为X轴的正方向；以线路前进方向顺时针转90度的方向为Y轴（相当于绘图坐标系中的Y轴），竖直向上方向为Z轴（相当于绘图坐标系中的X轴），坐标原点有两种确定方法：
第一种（图1）是以全站仪中心为坐标原点（X=0，Y=0，Z=0，全站仪必须置镜在线路中线（隧道中线）上），用此种方法测量出断面轮廓点的坐标数据表示与全站仪中心的相对坐标，即X代表在前进（后退）方向偏离全站仪的中心为X，Y代表在断面方向偏离全站仪的中心也就是线路中线（隧道中线）的距离为Y，正值表示在前进方向的右侧，负值表示在前进方向的左侧；Z值表示断面轮廓点与全站仪的横轴中心的相对高差（最后须转化成于所测断面的轨面线的高差）。
此种方法因为测量出了断面轮廓点相对全站仪中心的相对位置，而全站仪中心在绘图坐标系中的相对位置在知道全站仪中心的绝对高程和所测断面的轨面线高程后便可知道，从而知道断面轮廓点在绘图坐标系中的相对位置。
第二种方法（图2）是把原点定在里程为零的断面与线路中线（隧道中线）的交点，即X=0，Y=0，其中原点上的标高值（Z值）可以不考虑。
用此种方法测量断面轮廓点的坐标数据为施工坐标，即X值代表置镜点所在断面的里程值。
Y值代表偏离线路中线（隧道中线）的距离为Y，其中正值表示在前进方向的右侧，负值表示在前进方向的左侧。
Z值代表断面轮廓点的绝对高程。
此种方法测出的断面轮廓点的坐标，因为知道了偏离线路中线（隧道中线）的距离Y值，而且知道了点绝对高程和所测断面的轨面线高程，于是便可求出在绘图坐标系中的相对位置。
曲线隧道：
建立以线路中线（隧道中线）在所测量断面的切线方向为X轴，前进方向为X轴的正方向；以线路前进方向的切线方向顺时针旋转90度的方向（即法线方向）为Y轴，竖直向上方向为Z轴（相当于绘图坐标系中的X轴），如图3。
坐标原点是以全站仪中心为坐标原点（X=0，Y=0，Z=0，全站仪必须置镜在线路中线（隧道中线）上）。
用此种方法测量出断面轮廓点的坐标数据表示与全站仪中心的相对坐标，即X代表在切线前进（后退）方向偏离全站仪的中心也就是断面位置为X，正值表示在所测断面的前方，负值表示在所测断面的后方；Y代表在断面方向偏离全站仪的中心也就是线路中线（隧道中线）的距离为Y，正值表示在前进方向的右侧，负值表示在前进方向的左侧；Z值表示断面轮廓点与全站仪的横轴中心的相对高差（最后须转化成于所测断面的轨面线的高差），正值表示在仪器中心的上方，负值表示仪器中心的下方。
此种方法因为测量出了断面轮廓点相对全站仪中心的相对位置，而全站仪中心在绘图坐标系中的相对位置在知道全站仪中心的绝对高程和所测断面的轨面线高程后便可知道，从而知道断面轮廓点在绘图坐标系中的相对位置。
第二步：
架设仪器：
直线隧道架设仪器有两种方法，第一种方法仪器置镜在某一断面既测量此断面，它又分为两种：
a、直接置镜在所测断面的线路中线点（隧道中线点）上（这种方法经常用到）；b、是置镜在所测断面的任意一点上（如果线路中线（隧道中线）不便架设仪器时才用，但此时必须知道此点的坐标值以确定后视方向），对好后视后，拨到与线路前进方向垂直的方位角，测量此断面的轮廓点；第二种方法是置镜在任意一断面测量任意断面（所测断面距置镜点的距离不得超过无棱镜反射型全站仪的测程）：
它也又分为两种：
a、置镜在任意一断面线路中线点（隧道中线点）上（这种方法在所测断面不便架设仪器时经常用）；b、是置镜在任意一断面的任意一点上（但此时同样必须知道此点的坐标值以确定后视方向），对好后视后，拨到与线路前进方向垂直的方位角，测量附近断面（所测断面距置镜点的距离不得超过无棱镜反射型全站仪的测程）的轮廓点。
曲线隧道只可以用第一种方法即仪器置镜在某一断面便测量此断面，直接置镜在所测断面的线路中线点（隧道中线点）上，对好后视后，拨到与此断面的切线垂直的方向，测量此断面的轮廓点。
图3图4
置镜在所测断面线路置镜在所测断面任意点上
中线（隧道中线）点
图5图6
置镜在任意断面线路置镜在任意断面任意点上
中线（隧道中线）点
图7
置镜在所测断面的线路中线（隧道中线）点
第三步：
测量并记录
仪器架设好后，①调出测量程序；②作业设置为JKCL（净空测量）；③测站设置：
输入Stn（测站名称,一般是直接输入置镜点的里程，这样好记录测量断面的里程），输入hi值（=0），输入X0/N值（输入置镜点里程或者0），输入Y0/E值（输入置镜点偏离测量坐标系X轴的距离，如果没有偏，便输入0），输入H0值（输入仪器高绝对高程或者0）；④定向；⑤测量，把仪器的测距方式调到短距离无反射棱镜测量模式（RL-SHORT），常数为34mm,手动仪器控制红色激光在环形断面上每隔一定的距离按ALL键（测量并且能自动记录在仪器内存里面，点号自动+1）测量一个点，点的测量密度视基面的平整度和断面的弧度而定，基面越平顺且弧度越大，点的密度可适当小些，反之，点的密度适当大些，对一些特殊点位（凸出来明显的点位，凹下去明显的点位,转折点）尽量测到，这样测出的一系列点位才能更精确地放映断面的形状。
对于图3和图4的测量方式，宜采用图1或图2的坐标系。
对于图5和图6的测量方式，宜采用图2的坐标系，当中的X值表示里程值，测量任意断面的轮廓点时，先用DIST测量并显示坐标值，通过X的值判断是否在同一断面，当判定在同一断面后，再用ALL键测量并记录在仪器内存里。
对于图7测量方式，宜采用图3的独立坐标系。
第四步：
仪器与计算机联机下载外业测量数据
关闭仪器，将仪器通过徕卡Y型电缆连接到计算机的串口（如果使用存储卡，检查是否正确插入），打开徕卡测量办公室软件（LeicaSurvey–Office）,启动数据交换管理器开始连接，全站仪将会自动开机，系统初始化通讯口，并读取仪器里的数据，用鼠标左键点击COM1，再点击作业组，选择JKCL作业并点击，将里面的“测量数据”拖动到计算机事先设置好的“净空测量外业下载数据”的文件夹里，文件名一般是测量的断面型号（如A型开挖初支后净空，B型二衬后净空），文件格式为IDEX。
第五步：
数据处理
坐标编辑器：
数据下载完后，启动坐标编辑器打开所测断面的数据，系统提示将丢失非坐标信息，是否继续时，选择“是”，打开断面坐标数据。
如表一：
表一
1
2
3
4
5
6
7
8
9
点编号
偏距
里程
高程
与轨面线
高差
偏距
*1000
与轨面线高差
*1000
多段线
命令
相对坐标
1
3.064
700.403
-14.149
1.323
3064
1323
pline
3064,1323
2
3.071
700.403
-13.601
1.871
3071
1871
3071,1871
3
3.039
700.403
-12.951
2.521
3039
2521
3039,2521
4
2.855
700.403
-12.2
3.272
2855
3272
2855,3272
5
2.503
700.403
-11.59
3.882
2503
3882
2503,3882
6
2.039
700.403
-11.049
4.423
2039
4423
2039,4423
7
1.542
700.403
-10.684
4.788
1542
4788
1542,4788
8
0.673
700.403
-10.172
5.3
673
5300
673,5300
9
0.479
700.403
-10.097
5.375
479
5375
479,5375
10
-0.489
700.403
-9.755
5.717
-489
5717
-489,5717
11
-1.427
700.403
-9.53
5.942
-1427
5942
-1427,5942
12
-2.506
700.404
-9.594
5.878
-2506
5878
-2506,5878
13
-3.054
700.403
-9.604
5.868
-3054
5868
-3054,5868
14
-3.683
700.403
-9.695
5.777
-3683
5777
-3683,5777
15
-4.302
700.403
-9.844
5.628
-4302
5628
-4302,5628
16
-5.009
700.403
-10.08
5.392
-5009
5392
-5009,5392
17
-5.773
700.403
-10.485
4.987
-5773
4987
-5773,4987
18
-6.443
700.403
-10.905
4.567
-6443
4567
-6443,4567
19
-7.021
700.403
-11.419
4.053
-7021
4053
-7021,4053
20
-7.382
700.403
-12.04
3.432
-7382
3432
-7382,3432
21
-7.568
700.403
-12.492
2.98
-7568
2980
-7568,2980
22
-7.623
700.403
-12.83
2.642
-7623
2642
-7623,2642
23
-7.631
700.403
-13.382
2.09
-7631
2090
-7631,2090
24
-7.652
700.331
-13.841
1.631
-7652
1631
-7652,1631
25
-7.644
700.309
-14.363
1.109
-7644
1109
-7644,1109
EXCEL：
打开EXCEL，全选以上数据复制粘贴到EXCEL中，通过简单处理后如下：
表二
1
2
3
4
5
6
7
8
9
点编号
偏距
里程
高程
与轨面线
高差
偏距
*1000
与轨面线高差
*1000
多段线
命令
相对坐标
1
3.064
700.403
-14.149
1.323
3064
1323
pline
3064,1323
2
3.071
700.403
-13.601
1.871
3071
1871
3071,1871
3
3.039
700.403
-12.951
2.521
3039
2521
3039,2521
4
2.855
700.403
-12.2
3.272
2855
3272
2855,3272
5
2.503
700.403
-11.59
3.882
2503
3882
2503,3882
6
2.039
700.403
-11.049
4.423
2039
4423
2039,4423
7
1.542
700.403
-10.684
4.788
1542
4788
1542,4788
8
0.673
700.403
-10.172
5.3
673
5300
673,5300
9
0.479
700.403
-10.097
5.375
479
5375
479,5375
10
-0.489
700.403
-9.755
5.717
-489
5717
-489,5717
11
-1.427
700.403
-9.53
5.942
-1427
5942
-1427,5942
12
-2.506
700.404
-9.594
5.878
-2506
5878
-2506,5878
13
-3.054
700.403
-9.604
5.868
-3054
5868
-3054,5868
14
-3.683
700.403
-9.695
5.777
-3683
5777
-3683,5777
15
-4.302
700.403
-9.844
5.628
-4302
5628
-4302,5628
16
-5.009
700.403
-10.08
5.392
-5009
5392
-5009,5392
17
-5.773
700.403
-10.485
4.987
-5773
4987
-5773,4987
18
-6.443
700.403
-10.905
4.567
-6443
4567
-6443,4567
19
-7.021
700.403
-11.419
4.053
-7021
4053
-7021,4053
20
-7.382
700.403
-12.04
3.432
-7382
3432
-7382,3432
21
-7.568
700.403
-12.492
2.98
-7568
2980
-7568,2980
22
-7.623
700.403
-12.83
2.642
-7623
2642
-7623,2642
23
-7.631
700.403
-13.382
2.09
-7631
2090
-7631,2090
24
-7.652
700.331
-13.841
1.631
-7652
1631
-7652,1631
25
-7.644
700.309
-14.363
1.109
-7644
1109
-7644,1109
第1、2、3、4列保持不变，把第4列的值与减去本断面的轨面线，得到第5列，
考虑到设计蓝图是以毫米为单位，故把第2和5列的值都乘以1000变成毫米为
单位，然后把第6和7列合并成CAD绘图的坐标数据：
记事本：
把第8和9列复制粘贴到记事本里面，并存储后缀名为.SCR的净空图数据文件（注意后缀名必须是.SCR，文件名一般是本断面的里程编号），便建立了一个CAD可以调用的脚本文件。
pline3064,1323
3071,1871
3039,2521
2855,3272
2503,3882
2039,4423
1542,4788
673,5300
479,5375
-489,5717
-1427,5942
-2506,5878
-3054,5868
-3683,5777
-4302,5628
-5009,5392
-5773,4987
-6443,4567
-7021,4053
-7382,3432
-7568,2980
-7623,2642
-7631,2090
第六步：
AutoCAD自动成图
打开AutoCAD，在模型状态下，打开菜单栏的“工具（T）”选项，在下拉子菜单中选择“运行脚本（R…）”，或者在命令行中输入“.SCR”，两种方式都是运行脚本，AutoCAD便查找脚本文件。
操作者找到要调用的脚本文件后，直接打开它AutoCAD便自动生成净空图。
点击鼠标右键或确认键（Enter）或返回键（Esc）都可以结束脚本文件的运行，然后在菜单栏中选择“视图（V）”/“缩放（Z）”/“全部（A）”菜单项或执行“ZOOM”/“ALL”同样能看到自动生成的净空图形。
如果要求精度很高，还可以把净空图形拟合，使生成的图形更能放映实际净空。
具体拟合操作如下：
操作者通过工具栏“修改Ⅱ”︱“编辑多段线”、下拉菜单“修改”︱“多段线”、或命令行发出PEDIT命令，AutoCAD给出提示：
“选择多段线：
”，选好AutoCAD自动生成的净空图形后，系统给出如下提示：
打开（O）/合并（J）/宽度（W）/编辑顶点（E）/拟合（F）/样条曲线（S）/非曲线化（D）/线型生成（L）/放弃（U），在命令行提示后面输入“F”或“FIT”后按确认键Enter,AutoCAD便完成对多段线命令生成净空图形的拟合。
图8
实测断面轮廓净空图
第七步：
套设计蓝图的净空图
打开所测断面的设计断面结构蓝图，以“带基点复制（B）”复制所需的断面图（以轨面线和线路中线的交点为基点）粘贴到所自动生成的净空图上，基点必须精确定位在坐标（0，0）上，然后便可以很直观地放映净空是否侵限（如超欠挖），还可以标注差值，计算面积的大小。
图9
套用设计图
“
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