1、国外隧道施工工程质量检测技术的最新发展 肖书安 （瑞士安伯格工程公司CH-8105 Regensdorf-Watt Switzerland） 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
2、地质勘察和灾害监测有关，如隧道 施工地质超前预报探测和变形监测，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
3、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LEICA TPS1100/1200系列全站仪的隧道施工放样测 量软件TMS SETOUT ，集多种放样任务于一
4、“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、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 AMT PROFILE2000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
5、伯格测量技术公司又推出了更新一代的断 面测量产品AMT PROFILE3000和 AMT PROFILE4000型，这两种型号的产品于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LEICA TMS 隧
6、道测量系统应运而生，LEICA TMS 隧道测量系统 是安伯格测量技术公司与徕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%
7、，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)。 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
8、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。 tunnel bore extender cutting diameter 14.20 - 14.40 图 3背切扩孔式掘进
9、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 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2001 年开始，到目前，一切进展顺利，没有遇到大的困难和挫折。 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
10、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。
11、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。 TMS OFFICE 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 ”
12、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 隧道断面的超/ 欠挖。在尤特利山隧道是使用LEICA TMS 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
13、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。 图 6 全站仪上显示超欠挖，水平轴线以上表示超挖，反
14、之为欠挖 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TMS 可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
15、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。 掘进方向 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任务之一。但是，这种情况经常会很严重的 拖延时间，
16、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位置，然后根据TMSSETOU
17、 的T 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 9 TMS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TMSPROscan 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
18、定位的操作只需要大约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LEICA TMS 隧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
19、代表性的是应用隧道激光扫描技术作为隧道衬砌竣 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
20、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
21、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，再次向人们展示了瑞士工程技术 人员勇于创新和敢为人先的精神。 6、结束语 中国目前正在进行大规模的铁路、公路等基础设施建设，需要修建大量的铁路和公路 隧道。瑞士作为一个多山的国家，在隧道的设计，施工和测量等方面积累了丰富的经验。 本文以瑞士正在施工中的尤特利山隧道为例，重点介绍了隧道施工测量技术和工程质量检 测技术的最新进展，这些技术和经验很值得中国同行学习和借鉴。作为从事隧道工程质量 检测技术的工作者，需要熟悉和了解隧道测量技术和工程质量检测技术的最新发展，并在 实践中充分利用这些新技术、新标准和新工具，为提高隧道工程质量作出自
22、己的贡献。 参考文献 (1) O. Schnelli, M. Jeangros, R. GassnerPlanning the Uetliberg Motorway Tunnel 隧道杂志 1999 年 04 月中文版 (2) 肖书安Design and construction of the Uetliberg Expressway Tunnel in Switzerland 2001 年国际隧道研讨会暨公路建设交流大会论文 作者简介 肖书安，男， 1962 年出生，德国克劳斯技术大学工学博士。现任瑞士安伯格技术公司市场部经理兼任安 伯格工程公司远东区经理。 地址： Amberg Technologies AG，Trockenloostrass 21, CH-8105 Regensdorf Watt, Switzerland 电话： (0041) 44 870 9165传真： (0041) 44 870 0618 Email： sxiaoamberg.ch
