全站儀在隧道監(jiān)控量測中的應(yīng)用研究

■陳秀強(qiáng)

(福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004)

全站儀在隧道監(jiān)控量測中的應(yīng)用研究

■陳秀強(qiáng)

(福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004)

圍巖變形監(jiān)測是監(jiān)控圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要手段，是保證施工安全，合理確定支護(hù)參數(shù)不可或缺的重要工作，是設(shè)計(jì)和施工的連接點(diǎn)和必要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的接觸量測已經(jīng)無法滿足隧道施工的要求，社會對全站儀量測的準(zhǔn)確性和量測精度存在質(zhì)疑，影響了全站儀量測的推廣。本文通過現(xiàn)場比對試驗(yàn)，對全站儀對邊測量、全站儀三維坐標(biāo)測量結(jié)果進(jìn)行了分析，得出的結(jié)論是：全站儀對邊測量、全站儀三維坐標(biāo)測量可用于隧道拱頂沉降監(jiān)測，全站儀對邊測量可用于隧道周邊收斂監(jiān)測。

隧道 監(jiān)測 全站儀 應(yīng)用

1 引言

隨著隧道修建技術(shù)的提高，隧道修建長度越來越長，修建過程中遇到的水文地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜，這將使隧道建設(shè)面臨更大的挑戰(zhàn)。隧道工程是處于千變?nèi)f化的巖體之中，在隧道開挖之前，無論事前的勘察工作做得多么細(xì)，都不可能將隧址地段的諸多地質(zhì)信息、涌水情況、施工中可能出現(xiàn)的不良因素搞得足夠清楚。隧道工程的設(shè)計(jì)根本無法實(shí)現(xiàn)一步到位，施工中普遍存在很大的不確定性和高危性。為確保隧道工程的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，就必須加強(qiáng)施工階段的監(jiān)控量測。

現(xiàn)階段隧道工程普遍采用新奧法施工。新奧法是應(yīng)用巖石力學(xué)原理，以充分維護(hù)和利用圍巖的自穩(wěn)能力為基點(diǎn)，采用以錨桿和噴射砼為主的柔性支護(hù)，通過監(jiān)測控制圍巖的變形，形成以圍巖和支護(hù)體系共同承擔(dān)荷載的結(jié)構(gòu)體系。監(jiān)控量測是新奧法的靈魂，在施工過程中，對圍巖受力和變形進(jìn)行跟蹤量測，對數(shù)據(jù)加以系統(tǒng)分析，并及時反饋到施工中，為隧道在不同地質(zhì)條件下選擇合理的開挖方法、支護(hù)方式、支護(hù)時間提供科學(xué)的依據(jù)；為修改支護(hù)參數(shù)、變更設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工提供直接信息。

目前隧道所采用的圍巖變形監(jiān)測方法為經(jīng)典的接觸量測——拱頂下沉采用精密水準(zhǔn)儀監(jiān)測，凈空收斂采用收斂計(jì)監(jiān)測。這種方法量測勞動強(qiáng)度大、效率低，常與施工互相干擾。當(dāng)采用拱部留核心土環(huán)形開時，在核心土未開挖前，由于核心土的阻擋，接觸法將無法進(jìn)行，這就造成初測的滯后。隨著大斷面隧道的日益增多，施工方法多變，傳統(tǒng)的接觸量測已無法滿足現(xiàn)代長大隧道施工的要求，有必要尋求一種快速、簡便、準(zhǔn)確的非接觸式隧道圍巖變形量測的方法。

2 接觸式量測

(1)水準(zhǔn)儀量測拱頂下沉

采用倒尺法，主要設(shè)備有鋼尺、掛竿、水準(zhǔn)儀、標(biāo)尺、掛鉤等。先在拱頂埋設(shè)掛鉤，再將鋼尺掛在掛竿上，通過掛竿將鋼尺掛在拱頂?shù)膾煦^上。圖1為拱頂下沉觀測示意圖，通過計(jì)算前后兩次拱頂測點(diǎn)的高程差來求拱頂?shù)淖兾恢怠?/p>

圖1 水準(zhǔn)儀觀測拱頂下沉

(2)收斂計(jì)量測凈空收斂

收斂計(jì)是一種能夠量測兩點(diǎn)間距離和距離變化的儀器。觀測手段基本上是在隧道壁面上埋設(shè)測點(diǎn)，然后用收斂計(jì)進(jìn)行測定。收斂計(jì)若采用帶孔普通鋼尺，必須進(jìn)行溫度修正，消除溫度對量測結(jié)果的影響。收斂計(jì)也有采用錮鋼絲作為傳遞介質(zhì)的，不過造價較高。

3 全站儀量測

接觸式量測勞動強(qiáng)度大，量測空間易受限，有研發(fā)、利用無尺監(jiān)測系統(tǒng)的必要。一般的可采用全站儀和與全站儀配合使用的反射片來監(jiān)測隧道圍巖變形，全站儀量測能否滿足要求?

全站儀主要有以下特點(diǎn)：①采用同軸雙速控制、微動結(jié)構(gòu)，使照準(zhǔn)更加快捷、準(zhǔn)確；②控制面板提供了良好的人機(jī)界面，具有強(qiáng)大的人機(jī)對話功能，操作簡便，能有效減少按鍵時出現(xiàn)的錯誤，另外也有助于減輕作業(yè)人員的疲勞感；③設(shè)有雙向傾斜補(bǔ)償器，可以自動對水平和豎直方向進(jìn)行修正，以消除豎軸傾斜誤差的影響；④機(jī)內(nèi)設(shè)有測量應(yīng)用軟件，可以方便地進(jìn)行三維坐標(biāo)測量、后方交會、對邊測量及其他測量等工作；⑤設(shè)有雙路通訊功能，可將量測數(shù)據(jù)傳輸給外部計(jì)算機(jī)，也可接受外部計(jì)算機(jī)的指令和數(shù)據(jù)。全站儀量測一般采用自由設(shè)站三維量測或?qū)厹y量量測。

全站儀自由設(shè)站三維量測原理：從任意測站觀測若干已知點(diǎn)(兩個以上)的方向和距離，通過坐標(biāo)變換，按最小二乘法平差算出該測站上的儀器中心的坐標(biāo)，然后以此測出其余點(diǎn)的坐標(biāo)。根據(jù)監(jiān)測出的位移變形矢量Δx、Δy、Δz以及測線收斂變化量ΔD對圍巖變形進(jìn)行分析。圖2為全站儀自由設(shè)站三維坐標(biāo)量測示意圖。

圖2 全站儀自由設(shè)站三維坐標(biāo)量測示意圖

全站儀對邊測量量測原理：全站儀可以放置在任何點(diǎn)(元需對中)設(shè)站，測定斜距、豎直角和水平角，然后通過三角高程測量原理和三角余弦定理得出任意點(diǎn)之間的水平距離、高差和斜距。圖3為全站儀對邊測量示意圖。

變形監(jiān)測的基本思想是通過對比測點(diǎn)在不同時刻與基準(zhǔn)點(diǎn)的高差，得到該測點(diǎn)相對初始狀態(tài)在一定時間段內(nèi)的下沉值；對比收斂測線在不同時刻的斜距值，得到收斂測線的收斂值。

圖3 全站儀對邊測量示意圖

4 量測結(jié)果比對分析

利用蘇一光RTS010高精度1″全站儀，分別采用全站儀對邊測量、全站儀三維坐標(biāo)測量和水準(zhǔn)儀對南陽隧道YK121+926斷面進(jìn)行監(jiān)測，拱頂沉降曲線見圖4，周邊收斂見圖5。由圖4可知，三種測量方法拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果是基本一致的，時態(tài)變化趨勢也是一致的；全站儀對邊測量、全站儀三維坐標(biāo)測量結(jié)果與水準(zhǔn)儀測量結(jié)果相比較，每次監(jiān)測值波動在±0.2mm范圍內(nèi)。由圖5可知，周邊收斂量測中全站儀對邊測量與收斂計(jì)監(jiān)測結(jié)果是基本一致的，時態(tài)變化趨勢也是一致的；全站儀對邊測量與收斂計(jì)計(jì)量測結(jié)果相比較，每次監(jiān)測值波動在±0.2mm范圍內(nèi)：全站儀三維坐標(biāo)測量結(jié)果較離散，與全站儀對邊測量與收斂計(jì)計(jì)量測結(jié)果相比較，波動很大，波動范圍在0.5mm左右。

圖4 南陽隧道YK121+926斷面拱頂下沉曲線

圖5 南陽隧道YK121+926斷面L1測線周邊收斂曲線

5 結(jié)語

通對對現(xiàn)場的對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行全面分析，主要得出如下結(jié)論：

(1)可采用全站儀對邊測量、全站儀三維坐標(biāo)測量對隧道拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)測。全站儀對邊測量、全站儀三維坐標(biāo)測量與水準(zhǔn)儀監(jiān)測結(jié)果基本一致，時態(tài)曲線基本吻合，三種量測方法都能準(zhǔn)確反映隧道的變形規(guī)律。

(2)全站儀三維坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)離散性大，與全站儀對邊測量和收斂計(jì)監(jiān)測結(jié)果相比較，波動性很大；全站儀對邊測量和收斂計(jì)監(jiān)測結(jié)果基本一致，準(zhǔn)確反映隧道的變形規(guī)律。

建議在隧道變形監(jiān)測中可用全站儀對邊測量法替代水準(zhǔn)儀法與收斂計(jì)法。全站儀對邊測量在隧道變形監(jiān)測中具有如下優(yōu)勢：

①測量時不需要接觸測點(diǎn)，測量過程更快速，降低勞動強(qiáng)度。

②測量過程中不干擾其它工序的正常有序進(jìn)行。

③操作簡單，監(jiān)測結(jié)果直觀，并可及時反饋監(jiān)測信息。

④收斂測線布設(shè)靈活。

⑤可克服接觸量測的初測滯后性，確保數(shù)據(jù)的完整。