隧道斷面測量技術

隧道斷面測量主要包含空間位置以及方向兩種資料，這些資料做為下列應 用所需(Clark, T. A., 1996)：

(一) 估計隧道淨空 (二) 檢視定線之方向 (三) 監測位移變化

(五) 測定開挖襯砌之體積 (六) 指出結構是否受到破壞 (七) 收集作為整修之資訊 (八) 檢核隧道堀進是否正確 (九) 監控工程進展

隧道斷面收方為根據隧道斷面測量成果，進行斷面之土方計算。然而有許 多不同的儀器與不同的方法可以測量隧道斷面，概略可分為接觸式與非接觸式 兩大類，以下對於較常見的儀器及方法依其發展狀況做一簡介。

2.6.1 接觸式(Contact methods)

顧名思義，接觸式測量方法其測量儀器需要與被測體有接觸，在斷面測量 中，主要是以探針、量角器以及伸張計構成，由探針接觸隧道壁經由量角器紀 錄測點之相對角度並由伸張計讀取距離，由人工手繪斷面圖(Clark, 1996)。

2.6.2 非接觸式(None-contact methods)

非接觸式測量方法分為兩類，手動式與全自動式。手動式：即在測量程序 中必頇依靠人員的操作；全自動式：只需對儀器做有限的管理與監督，對測點 之觀測以及資料處理與輸出皆為自動執行。以下分別對手動式與全自動式儀器 做介紹。

(一) 手動式

(1) 經緯儀(theodolite)、電磁波測距(Electro-magnetic Distance measurement, EDM) 或電子測距儀(electronic tacheometer)：一般而言，經緯儀負責測量角度，電磁波 測距(EDM)用以測量距離，然而為了因應儀器之功能性，多將測角與測距功能結 合在一起發展，如電子測距儀或是全測站儀。測量所得之點皆以 x、y、z 座標 表示，其測角之精度可達 1 秒，測距精度可到正負 1 至 10mm。主要特性為在可 在現場執行資料之收集與處理，潛在精度高。其缺點則是若要達到理想觀測狀 況而逐點測量，將會花費大量的時間，故多取具代表性之測點做測量(Clark, 1996)。

(2) 光學測距(optical tacheometer)：目前光學測距已被取代，但是其功能可以做 為斷面測量，精度依不同測量方法介於 1:500~1:1000。主要特性為便宜、使用快 速且堅固，可用於具危隩性之環境。缺點為精度有限，勞力密集且由人工紀錄，

被測體需要一定的照明(Clarke, & Lindsey, 1992)。

(3) 雷射測距(laser tacheometer)：主要特性為便宜且操作簡單，應用於不同的用 途皆能有良好的精度。缺點為人工操作且頇手動紀錄，必頇遵守雷射安全規範 (Clark, 1996)。

(4) 攝影測量(photogrammetry)：由於數值資訊的發展，攝影測量可由單相攝影 或是雙相攝影達成快速且非接觸式之影像數值資料紀錄。運用非量測型照像機 或是量測型照像機於現地快速取得照片，再由實驗室做後置處理及分析。攝影 測量之成果可提供一完整之檔案資料庫，在任何時間皆可調出檔案視需要進行 再次的測量，精度高且相片資料取得快速。其缺點為需要有專業的人員進行資 料分析且需要昂貴之分析設備；在現場必頇要有均勻的照明，而在建立測量標 點時多需要昂貴之量測型照相機(Clark, 1996)。

(5) 光切法測量(light sectioning)：近年來在攝影測量中最重要的發展便是光切法 測量，光切法測量是以帄面光投射至待測物體，受到投射的部位具有明顯之亮 帶與暗帶，可顯示出待測物體之斷面形狀，利用各種形式的照相機做攝影，經 過分析即可得知斷面之數值資料。

運用於隧道斷面之測量時，運用雷射定位確保光源保持在同一值線上，由比例 尺訂出比例；光源經由電鍍鋁盤投射至斷面上，斷面之輪廓經由照相機攝影曝 光至底片上。精度可高達到 30mm，具有不錯的測量速度，每小時可得 25-40 張 斷面資料，後續之測量可以了解隧道之位移狀況。其缺點在於需要專業人員操 作，在使用雷射線測量法時，其曝光時間較長(Clarke, & Lindsey, 1992)。

(6) 三維雷射掃描：主要原理分為三種，計算飛行時間法(time-of-flight)是利用計 算雷射撞擊待測點反射回感應器之往返飛行時間求得掃描頭至待測點之距離觀 測 量 ， 據 此 計 算 待 測 點 之 座 標 位 置 。 雙 相 機 三 角 量 測 法 (triangulation

principle-double camera solution)，利用雷射光撞擊於待測點上時，瞬間由兩側之 相機攝影該光點形成三角關係，而兩相機位置為固定基線長度，藉以計算待測 點之座標位置。單相機三角量測法(triangulation principle-single camera solution)：

利用雷射光撞擊於待測點上時，瞬間由另一側之相機攝影該光點形成三角關 係，而雷射頭與相機位置為固定基線長度，藉以計算待測點之座標位置。主要 特性為廣視野掃描，高精度（最高可達 0.1mm），高密度的蒐集三維座標級影 像資料。方便攜帶、可遙控及機動地定點操作，室內外皆宜。對環境適應性強，

直接蒐集目標的結構及表面屬性(張裕民、吳瑞一、洪本善、高書屏，2003)。

(二) 全自動式

(1) 免反射稜鏡電子測距儀(reflectorless EDM)：一般的電子測距儀受限於反射稜 鏡，因此無法測量斷面上所有的點；而免稜鏡電子測距儀經由廠商的改良，增 加自動化測量的設備並視需要可擴充，如伺服馬達驅動定位裝置可依照設定的 角度自動旋轉進行測量，以及附帶後級處理系統，自動收集資料並做後處理，

達到快速完成斷面測量，且能測得以往受限於反射稜鏡所無法測量到的斷面 點。操作簡單，測量速度中等且全自動紀錄資料，非常適合隧道斷面測量。主 要的缺點為設備昂貴，且使用在隧道之外的場合其精度並不高(Collett, 2005)。

(2) 自 動 化 經 緯 儀 (automated theodolites) ： 將 經 緯 儀 之 望 遠 鏡 頭 改 良 為 CCD(Charge Coupled Device，感光耦合元件)鏡頭，加上佈置一系列可識別之準 標，經由設定，經緯儀可以由準標至準標自動觀測。優點為精度高且能夠自動 運作，缺點為測量速度相對較慢，需要設定，昂貴且不適合用於隧道測量。

(3) 光學三角測量(Optical triangulation)：將光學測距儀加以改良，使用 CCD 線 性感應器，經由這樣的電眼系統，使得觀測速度可達到每秒 100 點以上，精度 可達到+/-2mm，超過隧道測量所要求之精度。測量速度快，可自動紀錄，堅固

但是輕便，必頇符合雷射使用安全規範(Clarke, & Lindsey, 1990)。

(4) 軌道測量車(Railway gauging train)：於軌道載具上架設一定數量之相機以及 儀器，一邊移動一邊測量，具有一定的照明。主要用途為檢查隧道淨空以及軌

道週邊之建築界線是否符合標準，測量速度極快但只適用於特殊狀況而且十分 昂貴。針對以上所提及測量技術，其相對精度與可測量範圍。