對(duì)邊測(cè)量及其在隧道凈空位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

陳軍紅，王炳燕

(1.新疆工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830091；2.海南靈宇地理信息有限公司，?？?571138 )

隨著“一帶一路”倡議逐漸落實(shí)，新疆作為絲綢之路的核心區(qū)，與國(guó)內(nèi)外開展經(jīng)濟(jì)合作日趨頻繁，經(jīng)濟(jì)得到高速發(fā)展[1]．但據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)人民政府發(fā)布的政府工作報(bào)告顯示，基礎(chǔ)設(shè)施滯后一直是制約新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展最大短板[2]．近年來(lái)，為彌補(bǔ)短板，新疆大力推進(jìn)絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)交通樞紐中心建設(shè)，加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)置投入力度，相繼京新高速公路、蘭新高鐵等項(xiàng)目開建，眾多項(xiàng)目涉及隧道建設(shè)廣泛采用新奧法進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，已是在軟弱破碎圍巖地段修筑隧道的一種普遍方法．

由于巖體生成條件與地質(zhì)作用的復(fù)雜性，施工條件的復(fù)雜性，以及對(duì)工程設(shè)計(jì)參數(shù)的精確要求，采用新奧法必須需要通過(guò)多種量測(cè)手段，在施工過(guò)程中對(duì)圍巖動(dòng)態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)．監(jiān)測(cè)結(jié)果可作為施工現(xiàn)場(chǎng)分析參數(shù)和修改設(shè)計(jì)的依據(jù)，為預(yù)見(jiàn)事故和險(xiǎn)情，采取措施，防患于未然起到關(guān)鍵性作用．

凈空收斂量測(cè)是隧道監(jiān)控量測(cè)中的一項(xiàng)重要量測(cè)內(nèi)容，施工現(xiàn)場(chǎng)普遍利用全站儀自由設(shè)站對(duì)邊測(cè)量(RDM)方法對(duì)隧道凈空收斂量測(cè)．本文從全站儀的對(duì)邊測(cè)量原理，隧道非接觸凈空監(jiān)測(cè)方法、某工程應(yīng)用等三個(gè)方面對(duì)邊測(cè)量的理論、技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)性介紹，對(duì)工程建設(shè)與專業(yè)教學(xué)具有一定的指導(dǎo)意義．

1 全站儀對(duì)邊測(cè)量功能

1.1 基本原理

所謂對(duì)邊是指一個(gè)角對(duì)面的那條邊．對(duì)邊測(cè)量，是指在不搬動(dòng)儀器的情況下直接測(cè)量多個(gè)目標(biāo)與某一個(gè)起始點(diǎn)間的斜距[3]、平距和高差.其測(cè)量基本原理如圖1所示.在三維空間中有任意兩個(gè)目標(biāo)A與B，為測(cè)定A、B間的斜距SAB、水平距離Dab、高差h，在A、B兩側(cè)點(diǎn)安置反光棱鏡，在與A、B兩點(diǎn)均通視的任意點(diǎn)O上安置全站儀，觀測(cè)至A、B兩點(diǎn)的斜距S1、S2和豎直角α1、α2以及水平角β，分別根據(jù)三角余弦定理、三角高程測(cè)量、勾股定理計(jì)算得出A、B兩點(diǎn)的水平距離Dab、高差h、斜距SAB.具體計(jì)算公式如(1)、(2)所示．

圖1 對(duì)邊測(cè)量基本原理

(1)

h=S1sinα1-S2sinα2+vA-vB

(2)

式中，v1、v2分別為A、B測(cè)點(diǎn)的棱鏡高.

1.2 操作過(guò)程

全站儀的對(duì)邊測(cè)量功能，有兩種測(cè)量模式選擇：折線式與射線式，如圖2所示.

圖2 全站儀對(duì)邊測(cè)量模式

以NTS391R10型全站儀為例，說(shuō)明射線式的施測(cè)過(guò)程：

第1步：在距離測(cè)量模式下，單擊[對(duì)邊]按鍵，進(jìn)入對(duì)邊測(cè)量功能；

第2步：用筆針選擇A-B,A-C(射線式)；

第3步：照準(zhǔn)棱鏡P1，單擊[測(cè)距]按鍵，顯示屏顯示全站儀與棱鏡P1之間的平距；

第4步：?jiǎn)螕鬧繼續(xù)]按鍵；

第5步：照準(zhǔn)棱鏡P2，單擊[測(cè)距]按鍵；

第6步：?jiǎn)螕鬧繼續(xù)]按鍵，顯示屏顯示棱鏡P1和棱鏡B之間的平距(dHD)、高差(dVD)和斜距(dSD)；

第7步：要測(cè)定P1與P3、P4之間的距離，可分別照準(zhǔn)棱鏡P3、P4，參照上述步驟，依次單擊[測(cè)距]、[繼續(xù)]、[測(cè)距]等按鍵，則顯示屏可顯示棱鏡P1與P3、P1與P4之間的平距(dHD)、高差(dVD)和斜距(dSD).

圖3 射線式的施測(cè)過(guò)程

2 全站儀自由設(shè)站對(duì)邊測(cè)量的隧道非接觸凈空監(jiān)測(cè)方法

隧道凈空，是指隧道內(nèi)輪廓線所包圍的空間，包括隧道建筑限界、通風(fēng)及其功能所需的斷面面積．隧道工程在人工鉆破及TBM開挖時(shí)，隧道圍巖周邊各點(diǎn)趨向隧道中心變形，即收斂，凈空收斂量測(cè)(隧道壁面兩點(diǎn)間水平距離量測(cè))可提供圍巖動(dòng)態(tài)變形程度的判斷信息．

因?yàn)槠渚哂辛繙y(cè)結(jié)果直觀，測(cè)試數(shù)據(jù)可靠、量測(cè)儀表長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、抗外界干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，一直是隧道開挖過(guò)程中監(jiān)控量測(cè)的首選與必測(cè)項(xiàng)目．其量測(cè)方法有收斂?jī)x量測(cè)與全站儀量測(cè)兩種．由于收斂計(jì)量測(cè)方法效率低，實(shí)施過(guò)程與現(xiàn)場(chǎng)施工相互干擾，一般施工企業(yè)較多使用全站儀對(duì)邊測(cè)量法．為提高測(cè)量精度，該方法主要包括四個(gè)步驟[4]：

1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)：按照規(guī)范要求，將兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)左右對(duì)稱布設(shè)在監(jiān)測(cè)斷面最大開挖線處，并進(jìn)行保護(hù)，避免監(jiān)測(cè)點(diǎn)在隧道施工中被影響破壞．

2)全站儀設(shè)站：一般在施工現(xiàn)場(chǎng)允許的條件下，采用自由設(shè)站方式，將全站儀架設(shè)在所要測(cè)量斷面的隧道中心線處．若不允許，應(yīng)該根據(jù)全站儀望遠(yuǎn)鏡放大率、有效測(cè)程、距隧道監(jiān)測(cè)斷面與距隧道中心線的距離等參數(shù)，選擇任意斷面合理位置架設(shè).比如，在兩車道公路隧道，將全站儀架設(shè)在隧道監(jiān)測(cè)斷面40～60 m，距隧道中心線5.25 m的范圍之內(nèi)．[5]

3)監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)：設(shè)站完成后，按照規(guī)范要求，利用全站儀對(duì)邊測(cè)量功能完成觀測(cè)斷面測(cè)線之間長(zhǎng)度量測(cè)數(shù)據(jù)讀取，并進(jìn)行記錄．

4)凈空收斂值計(jì)算：根據(jù)測(cè)線觀測(cè)值，比較不同周期同一條測(cè)線長(zhǎng)度的變化，可反映隧道凈空收斂變形情況．

3 新疆某輸水隧道工程凈空變化監(jiān)測(cè)

3.1 工程概況

項(xiàng)目位于新疆，主體為輸水隧洞工程，輸水隧洞采用TBM與鉆破法結(jié)合的施工方式，包括隧洞開挖、一次性支護(hù)、鋼筋混凝土襯砌和回填、固結(jié)灌漿和1#支洞施工．1#支洞長(zhǎng)2 596.59 m，縱坡10.4%，為直墻圓拱型斷面，施工排水為逆坡．施工過(guò)程依據(jù)新奧法基本原理，通過(guò)專用儀器和鞏固對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、變形以及它們之間的關(guān)系進(jìn)行觀測(cè)，依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)其穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)．凈空變化監(jiān)測(cè)是必測(cè)項(xiàng)目之一．

3.2 凈空收斂量測(cè)方案設(shè)計(jì)

測(cè)點(diǎn)布設(shè)：根據(jù)《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》(SL 2792002)、《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL 52-2015)規(guī)定，為了準(zhǔn)確測(cè)定隧道圍巖力學(xué)形態(tài)變化情況，凈空變化量測(cè)應(yīng)需在同一斷面上進(jìn)行，量測(cè)斷面的間距與測(cè)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)根據(jù)隧道埋深、巖石級(jí)別、隧道斷面大小、開挖方法、支護(hù)形式等確定，一般依據(jù)表1選用．在隧道開挖、初次襯砌完成后的24 h內(nèi)，對(duì)開挖處進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)，要求各測(cè)點(diǎn)應(yīng)距開挖面2 m的范圍內(nèi)盡快安設(shè)，并保證在每次開挖12 h內(nèi)取得初讀數(shù)，最遲不得超過(guò)24 h，且在下一循環(huán)開挖前必須完成，測(cè)點(diǎn)應(yīng)牢固可靠，易于識(shí)別．本項(xiàng)目隧道巖石屬于ⅢJ級(jí)，凈空收斂量測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖4所示．1#支洞凈空變化測(cè)點(diǎn)布設(shè)在線路中線位置，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為A，沿里程前進(jìn)方向，中線左側(cè)點(diǎn)編號(hào)B、D，右側(cè)為C、E．TBM開挖段測(cè)點(diǎn)布設(shè)在斷面A、B、C、D處．

表1 斷面間距和每斷面測(cè)點(diǎn)數(shù)量

圖4 輸水隧道測(cè)點(diǎn)布設(shè)與編號(hào)

量測(cè)工具與量測(cè)頻率：對(duì)于隧道凈空變化量測(cè)，本項(xiàng)目采用索佳STE1030R全站儀進(jìn)行．觀測(cè)點(diǎn)上應(yīng)該預(yù)埋鋼板，鋼板埋設(shè)時(shí)應(yīng)盡量使鋼板面正對(duì)測(cè)站方向.鋼板上粘貼膜片式回復(fù)反射器(反射片)．通過(guò)全站儀對(duì)邊測(cè)量功能，直接量測(cè)兩點(diǎn)之間水平距離作為測(cè)線長(zhǎng)度，即為凈長(zhǎng)，求出兩次量測(cè)的增量(減量)ΔL，即為此處的凈空變化量．監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)根據(jù)測(cè)點(diǎn)距開挖面的距離及位移速度按照表2中的規(guī)定執(zhí)行，兩種情況所列觀測(cè)頻率不同時(shí)應(yīng)取較高的觀測(cè)頻率.若出現(xiàn)異常情況或者不良地質(zhì)條件時(shí)，應(yīng)加大觀測(cè)頻率.

表2 監(jiān)控量測(cè)頻率

3.3 隧道收斂數(shù)據(jù)處理分析

《規(guī)范》要求，現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)所得的原始數(shù)據(jù)，具有一點(diǎn)的離散性，其中包含測(cè)量誤差，需對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理．在取得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，及時(shí)量測(cè)整理分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制各種變形-時(shí)間關(guān)系曲線，預(yù)測(cè)變形發(fā)展趨向及隧道圍巖結(jié)構(gòu)的安全性[6-7]．新疆某工程輸水隧道圍巖共40條測(cè)線，本文以ZK0+580斷面中AB測(cè)線的收斂數(shù)據(jù)說(shuō)明數(shù)據(jù)處理與分析方法，BC、CD等其它測(cè)線相同，這里再贅述．該斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示．

表3 ZK0+580斷面AB測(cè)線凈空收斂實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表4 凈空收斂值回歸分析模型選擇與評(píng)價(jià)(Coefficients with 95% confidence bounds)

圖5 左線ZK0+580斷面凈空收斂時(shí)態(tài)曲線

其次，隧道圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定性判斷．《規(guī)范》規(guī)定，隧道圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)根據(jù)量測(cè)結(jié)果，結(jié)合以下兩個(gè)條件判斷：

條件1：隧道周邊收斂速度有明顯減緩均勢(shì)，收斂量已達(dá)到總收斂量的80%以上；

條件2：根據(jù)位移變化速度判別(表5).

表5 位移變化速度與隧道圍巖穩(wěn)定關(guān)系

對(duì)AB測(cè)線回歸指數(shù)函數(shù)曲線求極值，得到該斷面凈空收斂量的位移終值：

(3)

從表6可看出，工作面開挖20天后，隧道凈空收斂量以達(dá)到總收斂值的80%以上，70天以后，凈空收斂量基本完成．

表7 時(shí)間(T))-位移變化速率(U′)關(guān)系

依據(jù)規(guī)范，對(duì)比上表，在0～19天之間，ZK0+580斷面凈空收斂位移處于急劇變化階段，應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施．經(jīng)過(guò)31天，凈空收斂位移基本達(dá)到穩(wěn)定，即隧道圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)趨于基本穩(wěn)定，可停止測(cè)量，施作二次襯砌．

4 結(jié)論

在新疆“一帶一路”大背景下，公共基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目增多，隧道工程也會(huì)隨之增多．針對(duì)隧道的凈空變化監(jiān)測(cè)問(wèn)題，本文基于全站儀對(duì)邊測(cè)量的功能，依據(jù)工程作業(yè)規(guī)范，通過(guò)工程案例詳細(xì)介紹隧道凈空變化監(jiān)測(cè)的布點(diǎn)方法、數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理模型選擇與處理方法、隧道圍巖穩(wěn)定性判斷方法等內(nèi)容，為今后其他項(xiàng)目開展實(shí)施提供參考，為專業(yè)院校工程測(cè)量?jī)?nèi)容教學(xué)提供案例．