自由設(shè)站邊角交會與反射片在隧道變形監(jiān)測中的結(jié)合應(yīng)用

張萬平

摘 要：在一些大型工程項目建設(shè)期間，為了掌握其在建設(shè)期受溫度變化和自然地理、環(huán)境影響、以及檢核設(shè)計參數(shù)，需要掌握該工程各階段的變形量和變形趨勢，常常需要對其進行變形觀測。通過自由設(shè)站邊角交會設(shè)站，并利用彎管目鏡配合全站儀進行人工觀測目標(biāo)反射片在沈丹客運專線監(jiān)測項目中的應(yīng)用，能夠達到垂直及收斂變形1mm精度的監(jiān)測目的。

關(guān)鍵詞：自由設(shè)站；后方交會；前方交會；自動照準(zhǔn)；彎管目鏡

中圖分類號：U456 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0186-02

沈丹客專TJ-2標(biāo)項目部為了掌握無砟軌道鋪設(shè)前隧道拱頂是否存在變形，確保鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)質(zhì)量，施工期間按照設(shè)計要求進行了系統(tǒng)的沉降變形動態(tài)觀測，保證隧道工程達到規(guī)定的變形控制要求，分析推算出最終沉降量和工后沉降，合理確定無砟軌道鋪設(shè)時間，特要求對隧道拱頂區(qū)域開展三維變形觀測，并要求能夠反映隧道拱頂沉降監(jiān)測點和側(cè)壁收斂監(jiān)測點毫米級的變形量。

道扎子隧道變形觀測為應(yīng)用對象，該隧道為單洞雙線隧道。位于本溪市南芬區(qū)下馬塘境內(nèi)，進口里程為DK99+350，出口里程為DK99+461.67，全長為111.67m，圍巖級別Ⅴ級，考慮到隧道內(nèi)條件有限，為了保障隧道施工正常進行，不影響施工進度安排和工序銜接，本隧道通過多種監(jiān)測方案比選，最終選擇自由設(shè)站測量方法配合反射片完成本項目監(jiān)測實施方案。本項目監(jiān)測方案實施的整體思路為：

（1）首先對反射片的觀測精度進行驗證：通過查閱相關(guān)資料，我們所使用Leica公司生成的尺寸40mm*40mm的反射片在距離儀器9米測量時誤差穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)差為0.14mm，內(nèi)符合精度較高[1]。在距離反射片9米時，我們利用Leica TCA1201+全站儀對反射片中心從入射角分別為-60°、-30°、-0°、-30°、-60°進行連續(xù)20次的三維坐標(biāo)觀測，通過三維坐標(biāo)差計算的標(biāo)準(zhǔn)差為0.54mm。說明在利用全站儀對反射片進行觀測時，在9m左右距離的內(nèi)符合精度較高。但從不同視線入射角度測量時，測量的距離有所差別。且通過試驗觀測發(fā)現(xiàn)，雖然儀器有反射片測量模式，由于反射片的反射能力有限，儀器自身的自動搜索功能無法找到反射片中心并獲取坐標(biāo)，只能通過人工照準(zhǔn)的方式瞄準(zhǔn)反射片中心進行測量。為了在隧道內(nèi)觀測隧道頂二襯的監(jiān)測點，我們專門配置了彎管目鏡用于瞄準(zhǔn)目標(biāo)。

（2）建立監(jiān)測基準(zhǔn)，以保證監(jiān)測點的測量有穩(wěn)定可靠的起算基準(zhǔn)。因隧道內(nèi)現(xiàn)場條件有限，各影響因素較多，須在較短時間內(nèi)完成監(jiān)測，通過方案比選、研究，我們在隧道內(nèi)監(jiān)測區(qū)域外穩(wěn)定的地方建立了平面高程基準(zhǔn)網(wǎng)，基準(zhǔn)網(wǎng)形見圖1。平面網(wǎng)采用自由設(shè)站邊角交會的方式建立，高程采用二等水準(zhǔn)測量方法建立，每個基準(zhǔn)點都有平面和高程值。

（3）自由設(shè)站邊角交會。每次自由設(shè)站時，儀器架設(shè)在固定位置，通過三維后方交會獲得儀器中心的三維坐標(biāo)并進行設(shè)站。因每次的設(shè)站位置和后視基準(zhǔn)點相同，設(shè)站精度控制指標(biāo)為X、Y、Z均≤0.7mm，定向精度≤2″。

（4）由于布設(shè)的反射片監(jiān)測點均位于隧道二襯頂部，每次儀器設(shè)站后，只有利用彎管目鏡人為照準(zhǔn)反射片中心進行觀測。為了保證觀測精度，每次觀測均正倒鏡觀測兩個測回，取其平均值坐標(biāo)單期觀測成果。隧道內(nèi)監(jiān)測反射片布設(shè)位置如圖2所示。

綜合考慮時效性和精度指標(biāo)，選取2013年2月23日至2013年10月30日9期觀測數(shù)據(jù)，通過對各監(jiān)測點高程累計變形情況和邊墻監(jiān)測點三維坐標(biāo)差計算的累計距離變化情況（即收斂量）的分析，看是否存在明顯的變形趨勢。統(tǒng)計出各期監(jiān)測點的累計沉降量見表1，隧道邊墻左右兩側(cè)監(jiān)測點三維坐標(biāo)差計算的收斂量統(tǒng)計見表2。

從統(tǒng)計的斷面監(jiān)測點累計沉降量數(shù)據(jù)看，監(jiān)測點相鄰周期變形量最大為2mm，各期累計沉降變形量最大為1.6mm，累計沉降變形曲線如圖3所示。從統(tǒng)計的斷面監(jiān)測點累計沉降量數(shù)據(jù)看，監(jiān)測點相鄰周期變形量最大為2mm，各期累計沉降變形量最大為1.6mm。累計收斂曲線如圖4所示。

由于各監(jiān)測點的沉降量及收斂量都很小，從變形過程曲線及擬合曲線看也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的變形趨勢。假設(shè)所有監(jiān)測點均沒有變形或變形量很小可忽略不計，則監(jiān)測數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的波動可認(rèn)為全部來自測量誤差。則可通過各期變化量計算儀器自由設(shè)站誤差和觀測誤差的累加測量精度，由監(jiān)測點沉降測量誤差計算的高程測量標(biāo)準(zhǔn)差為0.88mm，由監(jiān)測點三維坐標(biāo)差反算的收斂標(biāo)準(zhǔn)差為0.26mm。所以，利用全站儀自由設(shè)站配合彎管目鏡進行人工瞄準(zhǔn)目標(biāo)反射片進行變形觀測的方法，能夠反映超過1.76mm的變形。

在現(xiàn)場監(jiān)測點布設(shè)不受其他條件限制的情況下，可以利用照準(zhǔn)精度更高、能夠?qū)崿F(xiàn)自動化觀測的精密棱鏡代替反射片進行觀測，自由設(shè)站時已知點和監(jiān)測點間可全自動觀測，能夠完成監(jiān)測精度要求更高的測量任務(wù)。

通過文章的分析，可以得到如下結(jié)論：（1）通過自由設(shè)站并利用彎管目鏡配合全站儀觀測反射片的監(jiān)測方法，能夠在鐵路建設(shè)期間實現(xiàn)變形觀測任務(wù)。（2）通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，在假設(shè)沒有變形的前提下，通過此種方式獲取的收斂變形觀測數(shù)據(jù)和沉降觀測數(shù)據(jù)的觀測標(biāo)準(zhǔn)差均能達到1mm。（3）以后類似的監(jiān)測項目，在條件允許的條件下可以將反射片用棱鏡代替，實現(xiàn)更高精度全自動變形監(jiān)測。

參考文獻：

[1]樊鋼，李懷萍.反射片測量精度的檢測[A].2004年全國測繪儀器綜合學(xué)術(shù)年會論文集[C].成都：中國測繪學(xué)會，2004：120-121.

[2]李宗春，李廣云，范生宏，等.全站儀近距離測距精度檢驗方法的探討[J].測繪信息與工程，2002（4）：37-38.

[3]張忠良，楊友濤，劉成龍.軌道精調(diào)中后方交會點三維嚴(yán)密平差方法研究[J].鐵道工程學(xué)報，2008（5）：33-36.

[4]鐵建設(shè)[2006]158號.客運專線鐵路無碴軌道鋪設(shè)條件評估技術(shù)指南[Z].

[5]鐵建設(shè)[2006]189號.客運專線無碴軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定[S].

[6]TB10101-99.新建鐵路工程測量規(guī)范[S].

[7]GB12897-91.國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范[S].

[8]沈丹客專鐵路工程設(shè)計文件[Z].