断面分析系统在台金高速公路雪岭隧道施工中的应用

　　摘要：文章主要介绍了断面分析系统的功能与特点，结合在台金高速公路雪岭隧道应用，阐明了断面分析系统应用效果和应用前景
　　关键词：断面分析系统，比较，应用，展望
　　1、工程概况
　　台金高速公路是浙江省交通建设“二纵二横十连一绕二通道”中的一连，是浙江省“十五”规划中实施的主要基础设施之一。其中雪岭隧道全长3788米，是浙江省台金高速公路东段最长的隧道，为东段的控制工程之一。该隧道设计为双线四车道，隧道轮廓设计为半径为587cm的单心圆。
　　雪岭隧道施工初期采用五寸台阶法控制隧道断面，需要测量人员到达开挖面和高空作业，而且测量时间要达到30分钟以上，不利于测量人员的安全，因测量难度较大，测量时间长，而且精度较低，最后经研究后，在隧道开挖400米后改用断面分析系统控制隧道开挖。采用断面分析系统控制开挖隧道后不但节约投资还缩短施工工期，给本工程带来了很好的效益。
　　2、断面分析系统的组成和特点
　　2.1断面分析系统的组成
　　由带无棱镜测距的全站仪（各种品牌都可以），断面分析软件和计算机（台式机和笔记本均可）组成。将软件需要的数据格式（仪器公司随机带）传输到全站仪，用于全站仪采集隧道断面的原始数据，将原始数据传输到计算机使用断面分析软件将测量数据转换成为数据报表和图形报表，供分析和打印。
　　2.2断面分析系统的特点
　　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。并可以用于对护坡挡土墙的验收检验，也可用于对山坡地形的快速扫描并通过与路基设计图的比对，计算出土石方量。
　　(1) 现场检测只需三脚架和主机即可，携带及操作方便。
　　(2) 符合现场使用条件，具有防潮、抗烟尘、电池供电等特点。
　　(3) 检测精度高，速度快，检测一个断面仅须2~3钟。
　　(4) 测量数据自动记录，存储空间大。
　　(5) 无须交流供电，使用充电电池供电，携带方便。
　　(6) 大多数软件功能强，操作简便，中文界面，支持Win9x、Win2000、Windowsxp等操作系统。
　　3、断面分析系统的主要功能
　　主要是针对隧道断面测量和现场测量放样，只要略懂施工测量的技术人员就可以快速准确的进行施工放样和断面测量工作，将平时的断面测量误差减少到几乎为零。其主要功能有以下几项。
　　3.1随机断面检测
　　在检测断面隧道前，将隧道的各种设计断面现输入到断面分析软件中，只要将激光指向隧道的任意一点，轻轻一按，即测得该点偏移理论断面轮廓值（超欠挖值）、偏移隧道中线值、与高程基准面的高差等，使得隧道放样中线、中线平移线、腰线、检查超欠挖、衬砌钢模板等工作变的轻松自如（如图2）；在洞外路基回填（路堑开挖），同样可测得空间任意一点超挖值，轻松放样坡坡角点、开口点和检查边坡任意点与设计位置的距离。在隧道、洞外长大路堑边坡、高填方路基中，充分体现了断面分析系统的灵活性和测量效率。
　　
　　
　　图1图2
　　3.2断面扫描
　　虽然有了随机检测，测量人员对隧道的超欠挖情况了如指掌，但是有时为了更直观的体现隧道的超欠挖情况、积累技术资料、进行技术交底、统计超欠挖量，还需要一张张实测断面图（图1）和数据报表。操作者安置好仪器，将激光逐一指向所测断面的位置，测量并记录，传输到计算机进行处理就可以得到需要的资料。
　　3.3隧道附属洞室放样
　　在长大隧道中，横通道、人通等常见的附属建筑物，轴线往往与隧道中线法线不垂直，当隧道为曲线时，横通道与隧道相交便是一个不规则的曲面，要准确的放样一个其断面，更是令人无从下手，往往造成较大的超欠挖情况，采用断面分析系统，能够轻松解决在横通道的开挖问题，在进行衬砌时精确校模发挥了很大的作用。
　　3.4隧道衬砌厚度检测和工程数量计算
　　隧道衬砌是由初期支护和二次衬砌组成，初期支护是保证围岩施工期间的初步稳定，二次衬砌则是提供安全储备或承受后期围岩压力。因此，隧道混凝土衬砌质量的好坏对隧道的长期稳定至关重要，而衬砌厚度的检测非常重要。现在国内衬砌厚度的检测方法主要有地质雷达法、钻孔法、冲击回波法等，操作方法较复杂、需要较多人力物力的配合、有耗时及检测结果定性化等缺点，采用断面分析系统进行衬砌厚度的检测具有操作方便、快捷、定量化及准确性高等优点。
　　断面分析系统的原理及特点与传统的人工断面测量方式是基本一致的，在已定的隧道中心线的某个基点上，确定基点与断面上若干点的距离，再通过连线与计算，绘出断面图。断面分析系统只是确定基点与断面若干点距离的方式改用激光测距仪来完成，计算和绘图通过电脑编程来完成，具有精度高、效率高、劳动强度低等特点。测距精度误差可缩减至3mm以内，由于能环360~自由选点，根据需要可任意增加检测点，测点越多，误差越小，因而能大大提高检测精度。在单位时间内运用激光检测断面速度大为提高，并减轻操作人员的劳动强度。这在争分夺秒的隧道施工中，对减少各工序相互干扰具有重要意义。
　　断面在进行现场检测之前，首先要遵循以下几个原则：①初期支护断面和开挖断面的检测是位于同一里程桩号处；②确认两次检测激光头的起始转向相一致；③开挖检测断面和初支检测断面的检测点个数及检测角度范围要一致，是使开挖检测断面与初期支护检测断面相同序号检测点在同一径向上，准确地得出两个断面间同一径向的衬砌厚度。在确认遵循以上3个规定之后，就可以启动激光断面仪进行初期支护断面的检测。检测完成后，在进行数据分析和绘制断面图时，调用所测得的同一里程处的开挖断面和初支断面，计算初期支护衬砌混凝土厚度。计算流程为：①打开激光断面仪分析软件；②调出某一里程处已处理好的开挖断面，并把其作为标准断面；③导入所测得的同一里程处的初期支护断面，④使用软件计算即可计算该部位的初支衬砌混凝土厚度和喷射混凝土的断面面积，⑤如果需要计算喷射混凝土的工程数量，只需要计算断面平均面积乘以长度即可。
　　采用同样的方式，可以计算二次衬砌的厚度和混凝土用量，为施工决策提供依据。
　　3.5路基放样
　　虽然随机断面检测在很大程度上可以代替道路放样，但是采用断面分析系统能够实现测量数据的实时采集，测量成果智能分析以及图形、报表自动生成与输出，进一部减轻劳动强度，加快放样速度。
　　5．断面分析系统在雪岭隧道中的应用 
　　雪岭隧道全长3788米，设计为双线四车道，是浙江省台金高速公路东线最长的隧道，隧道采用的是单心圆设计，隧道开挖高度将达到787cm，宽度1215cm,开挖断面85m2，隧道90%为Ⅳ类围岩，隧道施工采用全断面开挖，断面净空较大。考虑到该隧道围岩情况尚好，施工初期采用传统的五寸台阶法控制隧道开挖和断面检查，但是在开挖过程中发现，在进行断面放样和断面检查时精度较低，测量时间长，测量人员需要到达高处进行高空作业，在开挖400米后放弃了五寸台阶法控制测量隧道断面，而采用为断面分析系统控制隧道开挖，断面分析系统只需要将仪器架设在避开干扰的地方，只要能看见所要观测的断面即可进行测量，采用预先设置在仪器与计算机内的程序自动进行计算，分析，在短时间内为施工提供决策，具有速度快，精度高，有利于设备和人员的安全。克服了使用传统方法的缺点。
　　在施工中，我们预先将雪岭隧道的实际线路平终断面参数和理论断面输入仪器与计算机内，在进行隧道断面检测和放样时，现场完成设站后，选择设计相应的的理论断面后，将激光指向隧道内任意待测点，轻轻一按，即可测的该点的里程、偏移理论断面轮廓值（超欠挖值）、偏移隧道中线值、高差等，现场即时调整开挖参数，指导施工，如果需要断面图积累资料，只需要打印即可。根据五寸台阶法控制测量隧道断面及断面分析系统测量隧道断面应用情况，我们可以发现断面分析系统在本隧道应用中有如下的优势：
　　1).在工期节约方面，按照作业循环时间，采用传统的五寸台阶法，需要测量时间在30分钟以上，而且采用断面分析系统在5分钟左右，每个循环节约25分钟，按照每循环进尺3米，全隧道在断面测量时间上节约时间在20天以上。通风费用和管理费用节约将达到30万元以上。
　　2).在隧道断面超挖数量方面，采用断面分析系统和前期的断面进行了比较，每米隧道开挖断面将减少约1～2m3,按照每米1m3综合单价350元考虑，全隧道可以节约200万元左右。
　　3).在节约施工人员方面，采用传统的五寸台阶法一般要3～4人作业，断面分析系统2～3人即可以。按照节约1人计算，人员费用将节约10万元。
　　4).在劳动强度方面，采用传统的测量方法，需要刚尺，竹杆、梯子等辅助工具，需要到达开挖面进行测量，而断面分析系统采用激光测量，测量人员无须到达开挖面，大大的降低了测量人员的测量理论、计算能力和劳动强度。
　　5）.在测量精度方面，免棱镜激光测距，毫米级的精度，完全能够满足施工需要，大大的降低了测量误差。
　　6）.对地形及周边环境的适应性方面，可以将仪器设置在避开干扰的地方，只要能够看见所要测量的断面即可进行测量，无需高空作业，无须其他辅助设备。
　　7）.总造价的节约方面，综合以上因素，我们可以看见，在雪岭隧道采用断面分析系统因超欠挖和人员的减少将节约约240万元左右，而且还加快了施工进度，特别是在关键性控制工程中，节约了时间，为全线通车创造了条件。断面分析系统价格在10～30万元，而传统的设备只需要不到1.5万元左右，雪岭隧道投入了两套徕卡断面测量仪，虽然花费30万元，但是因此而产生的效益将在200万元以上。
　　6结语
　　随着计算机技术和激光技术的发展，使得全站仪及高精度无棱镜测距技术在建筑领域得到了广泛的应用，在隧道施工领域虽然也有小范围的应用，但未得到全面的推广，究其原因，首先是以往缺少适用于隧道施工且功能完备的配套软件系统，其次是很多施工单位对其了解不够，所创造的价值没有得到充分的理解和认识。
　　由于现代的激光技术、计算机技术、全站仪的长足发展，使的断面分析系统得到了长足的发展，在进行隧道断面测量中，断面分析系统在最短时间里为施工决策者提供了可靠的测量数据,而且操作简单易行,较适宜在工程实际中推广。
　　由于国家对基础建设的进一步加快，长大隧道的不断出现，施工现代化不断提高，断面分析系统取代传统的断面测量方法，适应了施工形势的发展，可以预见，在不久的将来，随着技术的进步、断面分析系统设备造价的降低，断面分析系统将在隧道、和路基施工中得到广泛的应用。