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铁道建筑

2005年第2期RailwayEngineering51

文章编号:100321995(2005)0220015203

计算机辅助测量在铁路隧道断面测量中的应用

冯洁1,王国辉2,杨望星1,山巍1

(11北京科技大学信息工程学院,北京100083;21广东工业大学,广州510650)

摘要:铁路隧道断面测量及洞室变形监测的数字化已经成为人们重点研究的课题,文章介绍了如何利用
计算机辅助测量技术来测量铁路隧道断面的新方法,同时将断面量测与洞室位移监测相结合,实现了隧
道断面测量的数字化。在此理论基础上开发的计算机辅助隧道断面测量系统完成了隧道断面轮廓曲线
的拟合、超、欠挖面积和体积、变形的监测。
关键词:计算机辅助测量技术隧道断面变形监测曲线拟合
中图分类号:U45211+4文献标识码:B

铁道隧道施工中,隧道中线位置和开挖洞室及其先在隧道的轮廓上放置若干标志点,然后从不同角度
衬砌后的形状、大小是决定隧道施工质量的重要因素。对隧道挖掘现场拍摄一组照片(3～25张),照片数字
目前所采用的测量方法和使用的测量仪器能对隧道中化以后输入计算机。利用数字化近景摄影测量系统对
线位置进行及时的测量和监测,确保了相向开挖隧道每张照片上的标志点进行标识,并进行空间立体恢复,
顺利地贯通。隧道洞室开挖形状与大小的测定工作也计算出各标志点的空间坐标值。第三步,利用所得的
开始被人们所重视,当隧道开挖洞室断面过大时,要在离散点的空间坐标,拟合出实测隧道轮廓曲线,并计算
围岩和衬砌之间增加填充;当开挖断面过小时,需要人出隧道断面实际施工的面积。标准隧道断面的数据和
工和机械刨凿。若衬砌后的实际断面比设计断面大,断面轮廓可根据《铁路隧道衬砌设计标准图集》求出和
必然会增加施工成本;反之,实际断面小于设计要求绘出。系统对两个隧道断面进行分析比较,从而得出
时,会危及列车安全。由此可见,隧道断面测量的质量隧道断面的实际超、欠挖量和超、欠挖面积,进而算出
事关隧道施工质量的验收、施工成本和列车运营的安挖方体积以及超、欠挖体积。
全,同时,隧道断面测量的结果还是优化隧道设计和施
工的重要依据。输出输出
现场照片近景摄影数据隧道断面输出测量
传统的隧道断面测量的方法是人工测量,手工绘摄影测量系统测量系统结束
图测算与比较,此方法耗用时间多,测量工作量大,受
图1隧道断面测量新技术流程图
现场环境制约,往往会影响检验精度和施工进度。近
些年来,已有激光断面仪投入测量使用,该仪器尽管在
断面测量领域取得了一定的成果,但由于采用激光漫2隧道断面测量系统的核心理论
反射原理来测定距离,测距精度较低。本文所介绍的
隧道断面测量的新方法,以数字化近景摄影测量为基计算机辅助隧道断面测量系统由4个模块组成,
础,采用计算机辅助测量的方法进行隧道断面测量,并即实际隧道断面生成模块、标准隧道断面生成模块、断
使之与设计断面对比,计算出总的超、欠挖面积和任意面比较模块和结果输出模块。整个系统采用Visual
点的超、欠挖量,另外,本系统还可以兼顾隧道洞室的C++610语言编程实现。
变形监测。实际隧道断面生成模块利用数字化近景摄影测量
系统测量出实际隧道上标志点的空间坐标,将其拟合
1新方法的工艺流程成光滑的隧道断面轮廓曲线,并以数学公式表示之。
首先,系统要将所有的标志点的坐标投影到xoz平面
铁路隧道计算机辅助断面测量系统是利用数字化上,然后进行坐标的转换与修正,使所有的坐标都在轨
近景摄影测量系统开发出的一种新的对隧道断面进行道设计顶面和隧道设计断面对称中心为基准的标准坐
测量和检验的方法[1,2]。新方法的流程为(见图1):首标系下。其转换过程见图2(其中xoz坐标系为基于轨
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道顶面为基准的标准坐标系)。算法实现时,采用自然边界条件,按照标志点的顺序逐
一对各标志点进行插值拟合。此时,样条函数在两端
点处不受力,呈自然延伸状态,所得的曲线在段与段之
间就会更自然、更光滑地连接(见图3)。

注:图中XOZ为绝对坐标系,xoz为标准坐
图3拟合前、后的曲线
标系(比较时所用的坐标系),x′o′z′为测量

坐标系。在坐标转换过程中,工程人员提
供点A和洞顶中心点B,或者提供C、o点标准隧道断面数据可根据《铁路隧道衬砌设计标
在XOZ绝对坐标系下的坐标,系统利用工准图集》提供的公式计算,并绘出其图形。隧道断面的
程人员提供的数据,将位于测量坐标系下比较模块完成标准断面和实际隧道断面面积和偏差量
和位于绝对坐标系下的点的坐标转换到标的计算。隧道断面面积可以用数学积分公式求出。其
准坐标系下。
中(xi,yi)为曲线上点的坐标,分别由上述两模块求
图2坐标转换示意图
出。在超、欠挖面积的计算中系统采用如下办法