隧道超欠挖计算原理与程序设计

浅谈隧道超欠挖计算原理与程序设计

浅谈隧道超欠挖计算原理与程序设计

摘要：随着铁路、公路建设的快速发展，我国隧道建设的施工技术也大幅度提高，由于工期紧迫促成测量放样的过程也是一个重要环节，如果再采用普通的尺距法不仅仅降低了放样效率还造成了轮廓线的放样精度，导致开挖掘进造成隧道超欠挖，所以现在通过卡西欧编程计算器结合带红外线的全站仪进行配套操作，这样不仅提高了施测效率还保证了放样精度，现通过本文给大家讲解隧道超欠挖的计算原理和程序设计。

关键词：隧道超欠挖计算原理程序设计

何为超欠挖？：隧道超欠挖分为（超挖和欠挖），超挖即为隧道开挖轮廓线大于隧道设计轮廓线，欠挖即为隧道开挖轮廓线小于隧道设计轮廓线。

超欠挖的影响：隧道超欠挖不止直接影响到了施工进度、安全质量，还会让开挖费用增加，更重要的是由此造成了过量超填混凝土的费用。超挖在实际施工中由于重视不够或方法不当，以至于在施工过程中会不知不觉地提高工程成本，从而也减少了应得的利润。

超欠挖是如何产生的？

在目前的隧道施工中，掘进技术有两种方法，一种是传统的“钻爆法（开挖台阶法）”；一种是“全断面掘进法（盾构掘进法）”。受各种条件的制约，“钻爆法”仍是隧道施工的主要掘进方法。所以隧道超欠挖的形成也是不可避免的，下面讲述一下形成超欠挖的三种情况。

1、岩层变化：由于隧道开挖过程中随着岩层的变化，地质条件和围岩裂隙的发生会出现不可避免的超欠现象，所以岩体是超欠挖的主要因素之一。

2、爆破方式：由于工作面（掌子面）是一个不平整的岩体面，导致钻孔间距控制不当或间距过大、过小，容易影响其他孔位的爆破效果，或者由于装药结构控制不当和掏槽不合理也会造成隧道超欠现象。

3、测量放线：由于隧道测量放线过程中能见度低，操作有限，测量人员进入隧道测量时导致前后视照准误差，同时因为掌子面的凹凸不平画轮廓线时也会产生偏离现象。

如何正确实施隧道测量工作？

隧道测量工作由公司专业测量人员组织成立测量小组，根据设计院给定的坐标控制点和高程控制点进行建立导线控制网。并按规定程序检查验收，对施测组全体人员实行详细的图纸交底和方案交底，明确分工，所有施测的工作进度根据项目进度计划进行安排。

在隧道施工过程中，为了保证开挖、初期支护及二次衬砌后的净空满足设计规范要求，必须对已完工的主体工程进行全断面检查，常规的检查一般采用带红外线的全站仪在现场实测三维坐标进行检查，由于保证精度要求建议使用智能隧道断面仪在现场采集数据，然后导出数据输入到电脑，利用仪器配套专业软件一次成图对比隧道轮廓线所形成的超欠挖。对于测量数据应及时反馈到现场施工管理人员，以便及时控制开挖及衬砌净空标准。

通过以上对隧道超欠挖的了解及形成和影响，如何正确施测和控制等，现在谈谈隧道超欠挖的计算原理。

许多测量人员会把超欠挖点位检测和掌子面轮廓线放样程序颠倒不分，其实隧道超欠挖计算属于检测点至该圆弧所对的圆心的半径与设计圆心半径的差值，而隧道轮廓线放样则是放样点至设计轮廓线边缘的水平距离差值。

超欠挖计算原理：

隧道超欠挖检测的计算原理主要是通过三角函数所求，即由三角形的边角关系求出对应的边长和理论边长值产生的差值。

超欠挖检测数学模型

超欠挖实测模型

从“超欠挖检测数学模型”图中可以看出x为大于设计轮廓线位置，表示该点为超挖，可以通过以下方式及公式进行求解得出x差值。

1、先通过tan-1求出∠α夹角。

2、再通过cos求出边长c。

3、用边长c减去r半径得出x差值。

示例：假如a=4.8142、b= 6.026m、r=6.96m，求x？计算公式如下：

x=a÷cos（tan-1(b÷a)）-r

x=0.753m

从计算式得出该检测点比隧道设计轮廓线大0.753米，属于隧道超挖。

轮廓线放样原理：

隧道开挖轮廓线放样的计算原理主要通过直角三角形的两直角边的平方和等于斜边的平方原理进行求解。（俗称勾股弦定理）数学公式中常写作a2+b2=c2（即勾的平方加股的平方等于弦的平方）。

勾股定理图示

轮廓线放样数学模型

说明：放样点为现场开挖实测掌子面实际点位，x为超挖宽度，通过计算出x宽度然后将该点水平移动到设计标准轮廓线位置即可。方式：

1、通过全站仪（配合红外线或反射片）直接测出放样点坐标X、Y和高程Z。

2、用卡西欧编程计算器（或PDA、手机软件等）反算出放样点的实际里程和该点距隧道中心线水平距离d。

过程：

a）用放样点实测高程Z减去O1点圆心设计理论高程得出高度a。

b）斜长c等于圆心理论半径R，求b长度，公式：

c）求x宽度，公式：

示例：放样点至隧道中心间距d= 6.026m、放样点实测高程Z=314.8142m、O1圆心高程H=310.0000m、O1圆心理论半径c=6.96m，通过以下公式求解！

x=

x=1.000m

从以上计算式中得出现场放样点距设计理论轮廓线的水平距离为1m，说明放样点需要向设计轮廓线内移动1m才是放样的标准位置，然后将所有放样的点位用线形链接起来即成了掌子面开挖轮廓线。

轮廓线放样数学模型

轮廓线放样掌子面效果图

超欠挖程序设计：

通过以上了解相信各位对隧道超欠挖和隧道轮廓线放样的方式并不陌生了，现在对隧道轮廓线的放样程序进行设计。

程序适用：CASIO fx-5800P工程测量编程计算器

程序主题：直线隧道开挖轮廓线放样程序

准备工作：

1、公式：直线坐标正算、反算公式，直线纵坡计算公式，勾股定理公式。

2、工具：CASIO fx-5800P工程测量编程计算器。

3、数据：隧道标准设计图、放样点实测三维坐标X、Y、Z数据。

铁路双线隧道横断面设计图