隧道監(jiān)控量測中平板測微器結(jié)合鋼卷尺進行測量的方法應(yīng)用

劉世飛 錢小波 張東明 史華林 杜力立 邱 鵬

（1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院，云南 昆明 650051；2.昆明冶金高等專科學(xué)校，云南 昆明 650051）

0 前言

隧道監(jiān)控量測作為新奧法的三大核心之一，通過監(jiān)控量測了解各施工階段地層與支護結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，把握施工過程中結(jié)構(gòu)所處的安全狀態(tài)，判斷圍巖的穩(wěn)定性、支護、襯砌的可靠性；通過監(jiān)控量測現(xiàn)場實測的結(jié)果彌補理論分析過程中存在的不足，并把監(jiān)測結(jié)果反饋設(shè)計，指導(dǎo)施工，為修改施工方法，調(diào)整圍巖級別、變更支護設(shè)計參數(shù)提供依據(jù)；通過監(jiān)控量測對施工中可能出現(xiàn)的事故和險情進行預(yù)報，以便及時采取措施，防患于未然；通過監(jiān)控量測，判斷初期支護穩(wěn)定性，確定二次襯砌合理的施作時間，對工程施工可能產(chǎn)生的環(huán)境影響進行全面的監(jiān)控；通過監(jiān)控量測了解該工程條件下所表現(xiàn)、反映出來的一些地下工程規(guī)律和特點，為今后類似工程或該施工方法本身的發(fā)展提供借鑒，依據(jù)和指導(dǎo)作用。

1 測微器基本工作原理

本文所采用的徠卡NA2精密水準儀，適用于三等以下水準測量，其讀數(shù)的精確值為1毫米級，估讀值為0.1mm；如果配對上測微器的話，就適用于三等以上水準測量，其讀數(shù)的精確值為0.1mm級，估讀值為0.01mm。其測微器的配對是儀器自身精度提高的一種有力的措施，其測微器的使用原理是將1cm的刻度通過光學(xué)折射進而擴大至100倍，細致到0.1mm的刻度，進而讀取更精確的數(shù)值。首先，將自動安平水準儀和測微器進行組裝，之后安置于三腳架上，并將機器安置在適當?shù)奈恢脺蕚錅y量。接下來，立好尺子，并將儀器對準尺子開始調(diào)焦至清晰，物鏡清晰，目鏡的十字絲要清晰。調(diào)節(jié)測微器反光鏡的螺旋，直至十字絲的中絲對準厘米的刻度。調(diào)節(jié)的結(jié)果大多是對準的同一個厘米的刻度，這是因為測微器的光學(xué)折光將1cm只能擴大100倍，超不出1cm，所以調(diào)節(jié)的時候活動范圍為1cm，讀數(shù)加和的結(jié)果是唯一的，如果理論值正好是整公分數(shù)值的時候，會出現(xiàn)可以對準兩個刻度，但是結(jié)果仍然是相同的，這時，調(diào)節(jié)測微器的目鏡至清晰，讀出數(shù)值，并估讀數(shù)值。將水準儀的讀數(shù)如4.23m，和測微器讀出的0.235cm（讀出的是23.5，除以一百之后得到0.235cm），加起來結(jié)果是4.23235m，達到的最小精確是0.01mm。通過光學(xué)折射擴大尺寸間距就是測微器所產(chǎn)生的效果。

2 拱頂下沉監(jiān)測方法

本文拱頂下沉施測方法是以隧道臺階法施工為例，隧道每個監(jiān)測斷面分別在拱頂及軸線左右各2.5m設(shè)3個帶掛鉤的錨樁，錨樁埋設(shè)深度30cm，鉆孔直徑Φ42，埋設(shè)拱頂下沉監(jiān)測點（如圖1、2所示）。

圖1 監(jiān)測斷面布置圖

圖2 監(jiān)測點埋設(shè)圖

隧道拱頂下沉量測采用自動安平萊卡NA2精密水準儀，F(xiàn)S1平板測微器，變形專用銦鋼尺（工作基點正立），鋼卷尺（倒掛）進行水準測量，測量方法如圖3所示。

圖3 隧道拱頂監(jiān)測方法示意圖

依上述測微器讀數(shù)方法，在隧道內(nèi)我們采取的是如圖3所示的測量方法，用水準儀讀取后視銦鋼尺左右讀數(shù)（如圖4所示）并計算校核后再用水準儀的十字絲與鋼卷尺（如圖5所示）的整厘米位置對齊，通過測微器讀數(shù)窗口讀取測微讀數(shù)，鋼卷尺讀數(shù)加上微讀數(shù)就是測量值。圖4中銦鋼尺后視Df（本圖中銦鋼尺的尺常數(shù)K為450）的量測數(shù)據(jù)計算公式為:

中數(shù)=左尺讀數(shù)-（右尺讀數(shù)+K）/2

圖5中鋼卷尺前視Db的量測讀數(shù)為401，測微器的讀數(shù)為424，完整測量數(shù)值為-401424（測量中一般對倒立的尺子讀數(shù)前加負號表示）。

表1

此時對于測微器的讀數(shù)方法我們很好掌握，但在測微器使用說明書中對倒掛尺子的測微讀數(shù)沒有說明，以至在實際測量工作中大多數(shù)測量人員在倒掛鋼卷尺時依然采用鋼卷尺讀數(shù)加上測微讀數(shù)的計算方法。計算公式為:

高差（h）=后視Df(銦鋼尺+微讀數(shù))-前視Db(掛鋼尺一微讀數(shù))

圖4 銦鋼尺讀數(shù)示意圖

圖5 鋼卷尺讀數(shù)示意圖

3 測微器讀數(shù)計算分析

3.1 倒掛鋼卷尺測微器讀數(shù)的正確計算方法

在隧道監(jiān)測中關(guān)于測微器的使用問題，多數(shù)爭議主要出現(xiàn)在倒掛鋼卷尺時測微讀數(shù)的計算方法上。采用同種測量儀器對倒掛鋼卷尺測微讀數(shù)進行計算有兩種可能處理方式:

然而對于監(jiān)測測量的唯一結(jié)果性，顯然與事實是相矛盾的，本人就上述兩種處理方式在實踐中分別采取同一測站變換儀器高度對如圖3隧道的拱頂A點下沉在短時間內(nèi)進行多次測量，采取兩種不同的計算方法分別計算，具體測量成果如表所示（單位為mm）。

表2

在隧道監(jiān)測中使用測微器可以提高測量精度，使其測量精度達到0.1mm，從上述測量數(shù)據(jù)和結(jié)果對比分析可以直觀的發(fā)現(xiàn)，按方法①的計算方式，其第3次測量高差值與第2次測量高差值的差值為14.02 mm，而按方法②的計算方式，最大高差值差值為0.05mm，從測量數(shù)值的對比分析可以看出如果按方法①的計算方式明顯不能滿足隧道監(jiān)測的精度要求，而從表中的數(shù)值分析和大量現(xiàn)實中實踐的數(shù)值分析對比，按方法②的計算處理方式是正確可行的。

3.2 倒掛鋼卷尺測微器讀數(shù)計算方法理論分析證明

上面通過實踐證明了其計算方法的正確性，下面通過理論的分析方法給予證明。我們通過水準放樣的方式兩把相同且互為相反的毫米刻度鋼卷尺固定在同一個水準平面上的固定支架上，總長度為2m，在一個固定的鋼筋混凝土支架上安設(shè)水準儀并配上測微器進行測量，具體測量方式如圖6所示。

圖6 正立/倒立尺測量示意圖

首先調(diào)整儀器觀測正立刻度尺，通過測微器調(diào)節(jié)水準儀使其十字絲中絲對準刻度尺的整厘米處，如圖5所示，從圖可知正立刻度尺整數(shù)讀數(shù)為120cm，假設(shè)此時測微器的讀數(shù)為X，然后我們轉(zhuǎn)動儀器，把水準儀對準倒立的刻度尺，因為兩個刻度尺立在同一水平面上，所以此時倒立刻度尺的整數(shù)讀數(shù)為80cm，設(shè)其測微器讀數(shù)為Y，設(shè)正立刻度尺總讀數(shù)為A，倒立刻度尺總讀數(shù)為B，其計算如公式③、公式④所示:

由上圖可知A+B=200，則通過公式③，公式④相加為A+B=200+X+Y 得Y=-X

此時倒立的刻度尺B=80-X，由現(xiàn)場實際觀測值記錄為A=120452，B=080452，（X=452，Y=452）， 由上述理論推導(dǎo)則 A=120452，B=079548，由此也A+B=200。此時充分證明了倒立塔尺的實際值應(yīng)該是整數(shù)讀數(shù)減去測微器讀數(shù)，所以計算公式②從理論上是成立的。

4 結(jié)論

通過實踐和理論分析證明可以得出測微器的正確讀數(shù)方法以及注意的事項:

1）當在測量中前視和后視都采用的是正立的形式，則均用讀取尺子的整讀數(shù)加上測微器的讀數(shù)，其高差遵循后視減前視的計算方法即得兩點的高差。

2）當在測量中前視和后視采用的是一個正立，一個倒立的形式，則正立采用上面第a條的處理方式，倒立的尺子采用讀取的整讀數(shù)減去測微器的讀數(shù)，再在計算數(shù)值前加上負號，其高差遵循后視減前視的計算方法即得兩點的高差。

3）當在測量中前視和后視采用的是均倒立的形式，則倒立的尺子采用讀取的整讀數(shù)減去測微器的讀數(shù)，都在其計算數(shù)值前加上負號，其高差遵循后視減前視的計算方法即得兩點的高差。

d.當在測量中測微器通過手輪旋轉(zhuǎn)后，水準儀的分劃板水平橫絲與尺子相鄰上下整厘米都比較接近重合時，通常應(yīng)該重新調(diào)整儀器高度，整平，可有效減小其測量誤差。

4）在同一測站的測量過程中，依據(jù)規(guī)范其銦鋼尺的讀數(shù)誤差為≤0.3mm。通過實踐如其中有倒掛鋼卷尺的形式，則該測站通過變換儀器高度的方式進行兩次測量，計算其兩次測量的高差，如超過0.2mm時，則測量值作廢，重新測量；如果兩次測量高差值小于0.2mm時，則采取兩次測量結(jié)果的平均值為此次測量的最終數(shù)據(jù)。該方法可以消除人為讀數(shù)錯誤，同時可減小測量誤差。

［1］GB 50307-1999地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范[S].

［2］GB 50308-1999地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范[S].

［3］GB 50026-2007工程測量規(guī)范[S].

［4］JG J8-2007建筑變形測量規(guī)范[S].

［5］JTG F60-2009公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

［6］張鳳舉,邢永昌.礦區(qū)控制測量(上冊)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1991.

［7］羅小龍.倒尺水準測量原理[J].地礦測繪,2005,21(4):12.