国外隧道施工工程质量检测技术的发展

1、国外隧道施工工程质量检测技术的最新发展肖书安CH-8105Regensdorf-WattSwitzerland)1、前言工程测量和工程质量检测技术在过去的十多年里有了长足的发展，其主要表现是自动化程度越来越高，测量仪器的体积越来越小，重量越来越轻，测量速度越来越快，工效越来越高。在大地和工程测量方面，最有代表性的发展是全站仪和GPS的广泛应用，以及这两种技术的融合。隧道测量技术是指针对隧道勘察设计，施工和竣工验收以及隧道运营期间所开展的有关测量活动，这些测量工作有些与通常意义上的工程测量有关，如隧道施工控制测量，贯通测量，放样测量，断面测量等，有些与地质勘察和灾害监测有关，如隧道施工地质超前预

2、报探测和变形监测，还有一些与工程质量检测有关，如混凝土厚度检测，混凝土质量检测，隧道衬砌背后回填检测，运营隧道内表面状态检测。随着科技的不断进步，测量工作所涵盖的范围越来越广，测量工作对工程的成败和盈亏起着举足轻重的地位。本文以瑞士当前正在施工的尤特利山高速公路隧道为例，介绍有关隧道施工测量和工程质量检测技术的发展和最新进展。2、隧道施工测量技术的发展隧道施工测量主要是指施工放样测量、断面测量和竣工验收方面的测量。施工放样测量以线路中线测量为其核心和基本，随着隧道施工技术的发展和对施工质量以及精度要求的提高，施工放样测量所涵盖的领域越来越广，今天，当我们讨论施工放样测量时，很自然地会联想到掌子

3、面炮孔放样、超前注浆孔位放样、激光导向测量、隧道轮廓线放样、钢拱定位、锚杆定位测量、模板放样以及避车洞/横通道放样等。隧道施工放样测量通常需要借助经纬仪/全站仪来完成，普通型的经纬仪/全站仪能较好地满足线路中线测量的需要，但对于隧道施工中的结构放样测量由于缺乏相应的测量软件和自动化功能，使得其测量效率低，难以满足现代化的隧道施工放样测量的需要。为了满足隧道施工放样测量的多种需求，瑞士安伯格技术公司开发了基于LEICATPS1100/1200系列全站仪的隧道施工放样测量软件TMSSETOUT，集多种放样任务于一“人”，大大地提高了隧道施工放样测量的效率。隧道断面测量主要包括断面放样、超欠挖控制、

4、净空检查、实际断面形状测量及断面图绘制等内容。隧道断面测量在过去的十多年里有了长足的发展，对于今天的隧道施工来说，隧道断面测量已不是什么新鲜的东西。尽管如此，很有必要回顾一下隧道断面测量技术的发展。数字化的隧道断面测量开始于上世纪的80年代初期，伴随着计算机技术和电子测距仪(EDM)的发展，瑞士安伯格测量技术公司首先研制出专门针对隧道断面测量的专用测量仪器AMTPROFILE2000断面仪，由于这种仪器大大提高隧道断面测量的工效，一经投放市场，受到用户的热烈欢迎。上世纪90年代，安伯格测量技术公司又推出了更新一代的断面测量产品AMTPROFILE3000和AMTPROFILE4000型，这两种

5、型号的产品于90年代中期被介绍到中国，在中国的许多重点工程中得到了应用，在指导隧道施工和质量控制等方面发挥了重要的作用，如二滩水电站、小浪底水电枢纽工程、秦岭铁路隧道、陕西高速公路隧道等，其中二滩水电站和小浪底水电枢纽工程由国外施工企业负责施工总承包，其在对中国分包施工企业的施工质量管理和控制等方面的许多做法给中国企业留下了深刻的印象。进入21世纪以后，随着全自动全站仪技术的发展，使得以全站仪为基础的隧道断面测量成为可能。一种全新的LEICATMS隧道测量系统应运而生，LEICATMS隧道测量系统是安伯格测量技术公司与保卡测量系统股份公司强强联合的结晶，她吸取了前六代隧道断面测量的精髓，并赋予

6、全新的设计理念，以智能化的应用软件配合LEICATPS1100/1200系列的通用全站仪，实现一机多用，能同时完成隧道断面测量和施工放样测量等多种测量任务。下面以瑞士尤特利山高速公路隧道为例，介绍隧道施工测量技术的最新进展。3、隧道工程概况尤特利山高速公路隧道是一座位于瑞士苏黎世西南方位的双洞三车道公路隧道，是苏黎世西环绕城高速公路的重要组成部分，该隧道长4.4公里，最大埋深320米，隧道为单向坡，东低西高，纵坡为1.6%,通过隧道的车流量按每天7万辆设计，西环绕线的修建将大大减少苏黎世市的过境运输和近郊通勤客流量(图1）。图1尤特利山隧道在苏黎世西环绕线中所处的位置尤特利山隧道穿过埃滕堡山和

7、尤特利山，这两座山丘相互平行，山丘的中间部分由近水平状的砂岩和泥灰岩交替互层所组成。隧道的洞口段和两个山丘之间的明挖段均位于松散的富含水的软岩地层（冰川堆积体），需要采用特殊的施工方法通过（图2）。业尤特山寨图2尤特利山隧道的地质纵剖面图尤特利山隧道设计由瑞士安伯格工程公司负责，在隧道设计阶段，对多种可能的施工方案进行了充分的比选和论证。其中尤特利山隧道的中央硬岩部分的开挖推荐采用混合施工方案（小直径隧道掘进机导洞施工+部分断面掘进机扩挖或钻爆法扩挖），而隧道洞口段软岩部分的施工则需要采用带有超前加固作用的管棚施工法或步步成环的侧壁导坑施工法。隧道施工招标于2000年开展，投标结果显示，上述设

8、计方案得到投标单位的普遍认可，与中标单位最终达成的协议施工方案为洞口软岩段的施工方案采用双侧壁导坑施工法，埃滕堡山中央硬岩部分的施工采用钻爆施工法，尤特利山中央硬岩部分的施工采用隧道掘进机导洞施工+背切扩孔式隧道掘进机扩挖。图3显示采用背切扩孔式掘进机施工示意图。tunnelboreextender图3背切扩孔式掘进机施工示意图背切扩孔式掘进机施工法是这种技术在世界上的首次应用，尽管存在一定的风险和未知因素，但由于经过严格了的技术论证，其风险程度被认为是可以接受的，这也从另一个2001方面体现了瑞士隧道工程技术人员敢为人先，勇于创新的精神。尤特利山隧道施工于年开始，到目前，一切进展顺利，没有遇

9、到大的困难和挫折。4、隧道施工测量尤特利山隧道施工联营体将施工测量工作分包给了专业测量公司完成，实践证明这个举措是非常正确和有效的，也将成为未来施工测量的发展趋势。安伯格测量技术公司承担了隧道施工测量的任务，他们使用了高度智能化的LEICATMS隧道测量系统，该系统由LEICATPS1100系列全站仪及运行其上的TMSSETOUT和TMSPROFILE软件包组成，它的应用为高效生产提供了一套有力、灵活的综合测量工具，隧道施工测量包括断面测量、炮孔放样测量、模板、钢拱安装测量、隧道内设施安装放样、横通道、通风竖井的位置放样测量等。LEICATMS隧道测量系统的概念就是能根据生产任务的需要，在预先

10、定义的数据的指导下自动完成测量工作，这样，就使得那些没有测量专业背景的隧道施工人员也可以顺利执行测量任务。从而保证最大限度地节省完成测量工作所需要的时间，大大提高生产工效和降低成本，施工现场完全不需要等待测量员，工作交给隧道现场的施工人员去完成同样可以获得精确、高效的测量成果。图4应用LEICA TMS进行炮孔放样的示意图5系统用红色激光指出欠挖的断面位置在尤特利山隧道工程施工过程中共有8套LEICATMS隧道测量系统在现场全天候服务。TMSOFFICE是这套系统的核心平台，测量员负责输入和管理设计数据，如平面图、开挖断面的几何形状（理论断面）、横向坡度、钢拱的位置、喷射混凝土的厚度等。测量员

11、把在计算机上准备好的工程数据传输到全站仪上带记忆卡上，在需要的时候将控制测量的遥控器交给隧道施工人员，接下来的工作就完全由施工人员自己去完成，任何人都不必担心测量成果的可靠性，因为这正是整个测量系统的设计目标傻瓜式”的操作流程和专业化”的测量成果。图4给出采用LEICATMS进行炮孔放样的示意图。按照隧道钻爆作业的质量要求，炮孔放样需要按设计图打眼，掏槽孔深度和孔位、周边孔外插角、孔间距和平行度、精度以及实际打眼总数都有详细而准确的描述和要求。常规的炮孔放样是先由测量员按照设计图在工作面上用油漆标出位置，钻孔的深度和插角都由操作钻机的施工人员人为控制，这样的做法一般速度慢、精度差，从而直接造成

12、隧道断面的超/欠挖。在尤特利山隧道是使用LEICATMS按照预先就在办公室中定义好的炮孔布置图开始逐个放样炮孔点位。在钻孔的过程中，红色的激光自动地指出炮孔点位，并且调整凿岩台车的位置以达到正确钻孔插角。图5给出隧道断面测量的示意图。在尤特利山隧道，断面测量任务使用TMSPROFILE同样使工作变得简单，机载应用程序TMSPROscan可在无反射棱镜测距模式下，全自动的扫描表面。TMSPROscan内置了标准测量顺序和过程，可引导无测量经验的施工员正确完成操作、获得精确的专业测量结果。测量结果自动保存在记忆卡上。配合原先在办公室就输入的工程数据来完成断面评估的目的，TMSPROFILE有两种比

13、较方法：实际测量断面和预先定义的理论断面的比较，以获得对超欠挖的评估相同里程上两次的实际测量断面的比较，以获得混凝土衬砌的厚度。即使是在隧道的施工现场，如果发现预先输入的工程数据需要调整，测量员就可以马上解决这个问题，因为TMST以实现在全站仪上管理工程数据。现场人员在全站仪上可以看见图形表示的比较结果（图6）。有问题的部位还可通过红色可见激光直接指示在隧道工作面上。即它能指示出超挖和欠挖区域在开挖断面上的具体位置，进而能达到指导和优化隧道施工的目的（控制隧道超欠挖）。在尤特利山隧道的洞口软岩段施工中，采用了双侧壁导坑施工法，首先进行上导坑开挖，开挖20-40米后，进行下导坑开挖，然后进行拱顶

14、和中央开挖，最后进行隧底仰拱开挖，通过钢支撑形成环状的稳定支撑结构。一个基本循环大约从拱顶工作面开始进行40米结束，当拱顶开挖了12米后，工作切换到中央底部，典型进尺为1.3米/天。这种施工方法要求时刻要有完全符合设计要求的隧道实际开挖断面指导施工作业和安装钢支撑（图7）。对钢拱位置的放样测量至关重要，因为钢拱的位置决定了隧道的平面线形、纵坡和横坡。图7洞口软岩段施工纵剖面示意图图8显示使用TMS指导双侧壁导坑施工法进行隧道轮廓线放样和钢拱安装测量的例子。图8双侧壁导坑法开挖横断面当隧道施工人员将安装钢拱的断面挖好之后，就需要将测量工程师叫到现场，由他精确的确定钢拱的位置，这是测量工程师的基本

15、任务之一。但是，这种情况经常会很严重的拖延时间，因为必须等测量工程师到场后才能根据测量结果进行钢拱精确安装。如果开挖的工作面不够大（欠挖），就需要把钢拱架先拆掉和移开，然后继续开挖。反之，如果工作面开挖的过大（超挖），就必须喷射相当一部分混凝土进行回填。不管是哪种情况，都必然造成隧道施工成本的增加。在尤特利山隧道施工中的钢拱放样采用了TMSSETOUT自动放样技术，通过在隧道掌子面后方的一定距离固定安装一台LEICATCRA1205全站仪来完成对钢拱安装位置的自动放样。每次开始开挖循环作业之前，隧道施工人员先通过TMSSETOUT中的一个称为“轮廓线放样”的“任务”精确地获得开挖部位的设计断面

16、位置，然后根据TMSSETOUI的的红色可见激光的指示将钢拱安放和调整到需要的位置。图9显示采用TMS进行隧道开挖“轮廓线放样”的示意图。图9TMS进行隧道开挖“轮廓线放样”的示意图图10显示施工人员使用遥控器进行钢拱安装的情景。图10隧道施工人员在使用遥控器安装钢拱一旦钢拱被正确安放和固定好，就可以用含有钢纤维的喷射混凝土对钢拱的空隙部分进行充填。完成此项工作之后，还需要对隧道轮廓再进行一次检查，以检查实际断面与设计断面的差异，是否符合设计要求，上述断面测量工作同样可以使用TMSPROsca机载程序来完成。采用上述隧道轮廓线放样和钢拱安装测量方法极大地提高了隧道施工效率，整个钢拱定位的操作只

17、需要大约15分钟，这样的工作用传统的方法可能需要几个小时或更多（包括等待测量员的停工时间）。5、隧道工程质量检测在尤特利山隧道施工中LEICATM骏道测量系统还被用于管棚施工放样，模板放样，隧道内设施安装放样、横通道、通风竖井的位置放样等测量工作。由于采用了上述高度智能化的隧道施工测量技术，承包商只需要聘请2位专业测量师就能完成上述所有的测量任务，真正做到了省时，高效，精干。尤特利山隧道施工中所采用的测量技术代表了隧道施工测量的最新水平和发展方向。尤特利山隧道除了采用上述先进的隧道施工测量技术之外，还采用了一系列其它的先进的隧道工程质量检测技术，其中最有代表性的是应用隧道激光扫描技术作为隧道衬

18、砌竣工质量验收（隧道净空测量，衬砌表面状态影像，数字化图像资料存档）。隧道激光扫描技术是近几年刚刚开发的一种隧道检测技术，它采用LEICAHDS4500超高速相位式三维激光扫描仪为基本硬件平台，配合相应的数据采集和处理软件，能同时获取隧道表面各测量点的距离信息和影像信息，不但能完成各种复杂程度的全自动断面测量、施工放样及竣工验收测量，而且是地下工程施工过程控制、表面平整度检测和完整数字化图像资料存档的理想工具。隧道激光扫描技术有多种模块组合，可以分为静态和动态两种测量方式。隧道施工过程中的测量通常为静态方式，它是将激光扫描仪固定在一个三角架上，通过测量控制软件完成相对于扫描仪前后一定范围内的三

19、维隧道断面扫描测量，这种隧道扫描技术的生产效率是常规隧道断面测量仪器生产效率的1万倍。隧道激光扫描技术用于隧道竣工验收测量通常采用动态测量方式，它是将激光扫描仪垂直于隧道轴线安装在一个特制的带有里程和超高等测量装置的三轮小车上，当小车以一定的速度沿隧道轴线均匀行驶时，扫描仪对隧道表面进行扫描测量（扫描线轨迹为螺旋线）。当前，基于动态测量方式的隧道扫描技术已广泛应用于瑞士的许多既有铁路隧道的状态检测，借以指导实施全方位的隧道维护战略，提高隧道设施维护的经济效益。隧道激光扫描技术为隧道工程质量检测提供了一种新的检测手段和新的选择，尤特利山公路隧道中大胆采用了这种先进的工程质量检测技术，再次向人们展示