全站儀遙測技術在洛香鐵路隧道圍巖變形監測中的應用

陳惠霞

(中鐵十八局集團公司， 天津 300222)

圍巖凈空位移量測是新奧法隧道施工過程中一個重要環節,是判斷圍巖穩定性和指導施工的重要依據。圍巖凈空位移量測傳統上采用機械式或機械-電子式收斂計等接觸方式進行，這些方法具有成本低、簡便可靠、能適應惡劣環境等優點,但對施工干擾大,人為因素對測量精度影響較大,測量速度慢,越來越難以滿足現代軟弱圍巖隧道快速、安全、高效的施工要求。隨著科學技術的發展,全站儀在工程施工測量中得到了普及,大大提高了測量的精度和速度,特別是近幾年來,全站儀應用自動精確照準、鎖定跟蹤、聯機控制、免棱鏡測距等許多新技術,給測量工作帶來了一場技術革命,特別是全站儀的遙測技術,為圍巖凈空位移量測提供了新的量測工具和技術手段。

全站儀遙測技術作為觀測圍巖凈空位移量測技術,其基本原理是利用全站儀自由設站遠距離測定量測點位不同時段相對的三維坐標,將測量數據輸入計算機通過軟件進行后處理,最后輸出監測成果,準確、快速地為施工提供數據參考。

1 工程概況

洛香特長隧道為貴廣鐵路重點控制工程之一,為雙線隧道,全長11 232 m,位于貴州省凱里從江縣,進口里程DK278+125,出口里程DK289+357,全隧位于半徑5 500 m偏左曲線上,洞內按人字坡設置。

出口施工區圍巖均為Ⅲ～Ⅴ級,主要為沉積巖(砂頁巖互層)、變質巖(板巖、千枚巖、片巖、變質砂巖)和第四系殘坡積黏性土和堆積土,屬于華夏構造體系和新華夏構造體系聯合影響帶,普遍具風化帶網狀裂隙水特征,水質具有酸性侵蝕。

由于地質條件差、埋深大、施工難度大，為確保隧道施工安全、穩妥、高效、快速,對圍巖量測提出了更高的要求,必須做到準確、及時、快速和安全。要滿足監測的高要求,采用常規的機械式監測系統很困難,為此選用全站儀遙測技術作為觀測圍巖凈空位移量測技術。實踐表明,該技術在洛香隧道取得了良好的量測結果和經濟效益。

2 量測前準備

2.1 儀器設備

徠卡TCRA1102全站儀一臺；反射膜片(貼片),選用Lecai尺寸為4 cm×4 cm貼片若干片；機載Deformation軟件及圍巖收斂分析后處理軟件。

2.2 貼片安裝

根據規范有關要求及圍巖條件、開挖方法等,確定圍巖凈空位移量測斷面的位置及間距,以及每個斷面的基線布置形式。貼片安裝過程：對于完整性較好的巖石,可直接在其表面貼片,但安設貼片前必須清洗欲置貼片位置的巖面,粘貼必須牢固,能滿足量測周期要求；對于不穩定巖石可用錨桿焊接角鋼，在角鋼上粘貼貼片,或用膨脹螺栓錨固鋼板以粘貼貼片。貼片表面法線方向最好垂直隧道軸向,以使儀器接收到最強的反射信號。

3 監測精度及儀器參數設置

量測規范要求：測距取位至0.1 mm,角度0.1″,空間位置(X、Y、H)0.1 mm。采用該技術系統的監測精度完全可以滿足量測規范的要求。

對應量測規范精度要求的儀器參數設置：ΔD測距較差限差0.5 mm；角度歸零差限差5″；水平角2C差限差15″；i角指標差限差30″；2C差互差限差6″；Δi指標差互差限差10″；測回數6個。

4 外業數據采集

針對隧道內不同圍巖及地質情況,按相關規范及有關要求對不同地段進行圍巖量測。下面就隧道出口施工區DK289+330斷面的量測過程做詳細闡述。

該段為軟弱沉積巖地質,開挖時圍巖出現較大變形,待工作面素噴后,選擇了5測點、6條基線法來測設(見圖1)。

圖1 斷面基線布置

4.1 儀器安置

量測內容主要是各量測點間相對距離,全站儀可以自由安置(對中整平就可以,不需要建站及大地坐標輸入,也不需進行儀器對中、量儀器高等),但為了消除貼片傾斜對測距的影響,每次量測時測站位置應大致相同。同時，為了加強反射片對儀器激光反射效果和量測準確性,應把儀器設置在量測斷面前后5 m內較為合適。先選擇適當的位置安置儀器,精確整平后,打開儀器電源,按儀器Prog鍵進入Deformation量測程序,按圍巖量測參數規范要求對儀器各項參數進行調整。

4.2 觀測

完成儀器設置工作后,首先對各目標點進行儀器確認,照準時可用儀器激光導向功能,激光點指向貼片正中,防止每次測量照準不同而產生圍巖變化誤導信息。按DIST鍵,將該點位置信息(角度、平距、X、Y、H等)電子記錄存入儀器內存(或PC卡),并輸入點號(如編號為1、2、3、4、5等)。按次序對其余各點進行目標識別,儀器內置獨特的ATR(Automatic Target Recognition)自動目標識別功能,可自動識別目標，自動瞄準目標，自動跟蹤目標,自動測量,利用程序實現人工智能數據采集(見圖2)。

圖2 全站儀畫像攝影觀測圍巖凈空位移量測示意

為了確保隧道DK289+330斷面量測的精度,便于對同一基線進行相互檢校,測設時在DK289+335隧道軸線的左右側相對位置處,設置左右兩測站,左右測站的距離可自由設置。具體觀測如下。

左站測量：在DK289+335處左側設置儀器,并選擇目標點后準備量測,啟動儀器LEFT MEASURE功能,儀器伺服馬達自動按目標順序測量各點信息6測回(正倒鏡全圓觀測法)。

右站測量：左站測量完畢后,儀器搬至DK289+335處右側,同左站測量順序一樣進行右站測量。測量完畢后,可以在儀器中調用CHECKING功能檢查左右測站同一基線長度,若發現基線左右站測量長度較差超限(0.5 mm),可以對這條基線重測。

按照規范要求,對于DK289+330量測斷面,在開挖后1 h進行了第一次量測,而后在開挖后4 h、9 h、18 h、48 h,共進行了5次觀測。每次觀測均取測站名為DK289+330,儀器會依據內置時間不同,自動對每次觀測數據文件進行編號。

5 內業數據處理

5.1 數據輸出

用數據連接線把儀器與計算機相連(外業數據存儲在儀器內存內)或將儀器內的PCMCIA卡插入計算機PC卡插槽(外業數據存儲在PC內),將各次量測原始數據在觀測后導入計算機,同時在程序內填入斷面的形狀、開挖方法、覆蓋厚度、地質描述、圍巖類別、隧道支護設計等資料。計算機圍巖收斂分析軟件將對量測數據進行自動分析處理,輸出圍巖位移成果,如測線1位移速度-時間變化曲線(見圖3)、測線的位移趨勢圖及回歸分析(見圖4)、各測點在不同時間段的位移值等,以及自動對成果進行分析,判斷圍巖的穩定性(顯示“該測線穩定至少×天”),為支護提供參數。

圖3 測線1位移速度-時間變化曲線

圖4 測線1位移-時間曲線

5.2 數據的處理與分析

所有分析計算都在計算機上自動進行,對于測線1,第5次量測數據輸入后,經分析處理,顯示該測線穩定至少1 d。對外業數據分別采用指數函數、對數函數、冪函數進行人工回歸分析,與計算機分析處理進行比較,得出相同的結論。其計算過程如下：

(1)指數函數

該測線穩定至少1 d，

回歸方程為:指數函數U0=a×bt

式中,a=0.026,b=12.284,總誤差Q=0.000 1,回歸方程標準差為σ=(Q/(n-k))0.5

對于給定的t0,當置信度為95%時,u0的預測區間為

12.284×lg(t+1)-σ

12.284×lg(t+1)+σ

1 d周邊收斂量：a×pow(b,t)=3.815 mm

(2)對數函數

該測線穩定至少1 d，

回歸方程為:對數函數U0=a+b×lg(t)

式中,a=0.207,b=0.135,總誤差Q=0.000 1,回歸方程標準差為σ=(Q/(n-k))0.5

對于給定的t0,當置信度為95%時,u0的預測區間為

0.135×lg(t+1)-σ

0.135×lg(t+1)+σ

1 d周邊收斂量：a+pow(b,t)=3.957 mm

(3)冪函數

該測線穩定至少1 d,

回歸方程為:冪函數U0=a×tb

式中,a=14.668,b=1.289,總誤差Q=0.000 1,回歸方程標準差為σ=(Q/(n-k))0.5

對于給定的t0,當置信度為95%時,u0的預測區間為

1.289×lg(t+1)-σ

1.289×lg(t+1)+σ

1 d周邊收斂量：y=a×pow(t,b)=3.025 mm

最后根據時態回歸結果,結合監控量測管理等級(見表1),進行位移、速率綜合分析判斷。

表1 監控量測管理等級

6 信息反饋

鑒于該段隧道為軟弱沉積巖地段,通常變形量較大,對于以上量測成果,及時把圍巖變形情況反饋給現場施工,要求加強該段初期支護措施,控制圍巖與支護收斂變形。

(1)鎖腳錨桿：在拱墻腳以上0.5 m、1.0 m、1.5 m處設鎖腳錨桿,采用R32N自進式錨桿或φ42鋼花管并注漿。

(2)臨時卡口梁：當開挖下部或變形較大時,在起拱線或地面以下50 cm處增設I16型鋼卡口梁,局部地段在地面以下施做鋼筋混凝土卡口梁。

(3)套拱：當圍巖或變形較大或增長加快時,沿初期支護內緣設I16型鋼鋼架,并在拱墻腳打鎖腳錨桿,與其焊接在一起。

對于隧道開挖、支護，都按施工規范要求進行了圍巖量測,并建立了相應數據庫,為隧道施工的安全、質量、進度，提供了準確有力的技術保證。

7 結束語

在洛香隧道的施工中,采用全站儀遙測技術觀測圍巖凈空位移量測技術,為隧道施工提供了科學合理的數據依據，保證了施工安全和施工質量，加快了施工進度，是指導隧道施工方案，修正隧道設計和保證隧道施工安全的重要依據,是評價隧道穩定性和支護效果,發現變異等問題的重要措施。

[1] TB 10101—99 新建鐵路工程測量規范[S]

[2] 鐵建設[2006]189號 客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定[S]

[3] TZ204—2008 鐵路隧道工程施工技術指南[S]

[4] 關寶樹.隧道施工要點集[M].北京：人民交通出版社,2003