隧道變形無尺量測技術(shù)誤差分析

張文新，張文強(qiáng)，張民慶，蔣永強(qiáng)

(1.中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南洛陽 471009;2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009;3.鐵道部工程管理中心，北京 100844)

0 引言

隨著鐵路、公路的快速發(fā)展，行車速度的大幅提高，隧道斷面不斷加大，施工中采用有尺量測的難度也不斷增大，無尺量測越來越受重視。無尺量測是在開挖斷面內(nèi)埋設(shè)反光片，采用全站儀對反光片進(jìn)行坐標(biāo)測量，利用坐標(biāo)的相對關(guān)系進(jìn)行拱頂下沉和水平收斂的監(jiān)控量測。在已修建的隧道工程中，圓梁山隧道采用無尺量測主要體現(xiàn)其自動化程度高、系統(tǒng)精度高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)［2］;曾家坪子1號隧道是3線大跨車站隧道，采用的是無尺量測，提出當(dāng)測角誤差為±1″，測距誤差為±10 mm時，收斂基線長度的中誤差為±0.89 mm，拱頂下沉的中誤差為±0.27 mm，但由于基準(zhǔn)點(diǎn)的物理狀態(tài)不夠穩(wěn)定，引起測站點(diǎn)坐標(biāo)誤差很大，而觀測過程中并沒有進(jìn)行平差處理，所以觀測點(diǎn)的坐標(biāo)誤差＞±1.0 mm［3］;鄭西客專高橋隧道采用無尺量測，體現(xiàn)了操作方便、干擾少，系統(tǒng)精度高等特點(diǎn)［4］;瀏陽河隧道采用無尺量測技術(shù)，對如何提高隧道監(jiān)控量測的精度、提高監(jiān)控量測作業(yè)效率及實(shí)用性、可靠性方面有了較深入的了解［5］;在廈門翔安隧道施工中，無尺量測和有尺量測相結(jié)合使用，既體現(xiàn)出接觸量測作業(yè)的靈活機(jī)動，避免過多的從后視點(diǎn)向各個部大量的倒點(diǎn)工作和司鏡長時間倒鏡作業(yè)，又體現(xiàn)出無尺量測在大跨度空間、自動化程度、系統(tǒng)高精度方面的優(yōu)越性，并對有尺量測和無尺量測的優(yōu)先適用提出了建議［5］;葡萄山隧道采用無尺量測進(jìn)行隧道拱頂下沉量測，體現(xiàn)其方便性［6］。而上述工程都沒有對誤差的產(chǎn)生過程進(jìn)行詳細(xì)描述，對精度的高低沒有一個量化的概念，另外，少數(shù)隧道采用有尺和無尺相結(jié)合方式測量，也沒有對二者精度進(jìn)行對比，只是達(dá)到了數(shù)據(jù)收集連續(xù)、操作方便的目的。本文通過在建的蘭渝鐵路木寨嶺隧道導(dǎo)洞試驗(yàn)段采用的無尺量測和有尺量測相結(jié)合量測方法，從無尺量測可靠度進(jìn)行研究和無尺量測與有尺量測的對比2方面進(jìn)行論述。

1 無尺量測原理

無尺量測主要是利用全站儀自由設(shè)站遠(yuǎn)距離測定量測點(diǎn)位不同時段相對的三維坐標(biāo)，將測量數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，并通過處理輸出監(jiān)測成果，準(zhǔn)確、快速地為施工提供數(shù)據(jù)參考。

1.1 拱頂下沉量測

將全站儀架設(shè)于后視點(diǎn)與量測斷面的中間位置，對中整平，后視后視點(diǎn)1，得到相對高程z1，再前視量測斷面拱頂反射片，得到相對高程z0，而后后視后視點(diǎn)2，得到相對高程z2，則量測斷面拱頂反射片中心的高程式中:z0，z1，z2均為盤左盤右量測后取得的平均值，H1和H2分別為后視點(diǎn)1，2的高程。

前次量測該點(diǎn)的高程為H′，則本次拱頂下沉量:h= H′－H。

1.2 凈空收斂量測

在能看到測點(diǎn)的地方自由架設(shè)全站儀，對中整平，量測收斂水平線兩端點(diǎn)的相對坐標(biāo)。盤左盤右取平均值得到收斂水平線兩端點(diǎn)相對坐標(biāo)分別為(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)。計(jì)算收斂水平線兩端點(diǎn)的對邊距離

2 無尺量測的誤差分析

監(jiān)測方法的精度對數(shù)據(jù)的分析影響很大。試驗(yàn)采取無尺量測，且必須對無尺量測精度進(jìn)行研究分析，查找影響精度的原因，制定提高監(jiān)測精度的措施，從而使數(shù)據(jù)采集得更加準(zhǔn)確。

測量儀器采用TC1201全站儀，誤差分析從系統(tǒng)誤差(儀器誤差)和偶然誤差2個方面進(jìn)行對比量測校核。

2.1 系統(tǒng)誤差(儀器誤差)

1)數(shù)據(jù)采集。選用DyK187+998斷面進(jìn)行量測試驗(yàn)，測量儀器采用TC1201全站儀。量測人員對該斷面按“測點(diǎn)c—測點(diǎn)c′—測點(diǎn)b—測點(diǎn)b′”的順序重復(fù)量測5次(每個測點(diǎn)均用盤左、盤右量測)。測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 儀器誤差分析量測數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data analysis in terms of instrument errors

2)數(shù)據(jù)計(jì)算。采用量測數(shù)據(jù)計(jì)算水平收斂值，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 水平收斂計(jì)算結(jié)果表Table 2 Calculation results of horizontal convergence

2.2 偶然誤差

偶然誤差可分為測量誤差和人為誤差2部分。

2.2.1 測量誤差

1)數(shù)據(jù)采集。選用DyK187+998斷面作為監(jiān)測斷面，由量測人員分別在監(jiān)測點(diǎn)與基點(diǎn)的L/4，L/2，3L/4 3處不同的位置進(jìn)行量測。具體布置如圖1所示，測試數(shù)據(jù)見表3。

圖1 無尺量測換點(diǎn)測量試驗(yàn)布置示意圖Fig.1 Layout of transposition measurement in non-ruler measurement

表3 換位量測數(shù)據(jù)表Table 3 Data of transposition measurement

2)數(shù)據(jù)計(jì)算。采用量測數(shù)據(jù)計(jì)算水平收斂值，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 水平收斂計(jì)算結(jié)果表Table 4 Calculation results of horizontal convergence

3)誤差分析。由誤差計(jì)算式可算得:bb′斷面測量儀器最大誤差為0.25 mm，cc′斷面測量儀器誤差為0.397 mm。可取換點(diǎn)量測最大誤差為0.397 mm，約為0.4 mm。

2.2.2 人為誤差

1)數(shù)據(jù)采集。選用DyK187+998斷面進(jìn)行量測試驗(yàn)。由兩個量測人員(甲、乙)分別對該斷面按“測點(diǎn)c—測點(diǎn)c′—測點(diǎn)b—測點(diǎn)b′”的順序量測。測試數(shù)據(jù)見表5。

表5 換人量測數(shù)據(jù)表Table 5 Data of measurement carried out by different persons

2)數(shù)據(jù)計(jì)算。采用量測數(shù)據(jù)計(jì)算水平收斂值，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 水平收斂計(jì)算結(jié)果表Table 6 Calculation results of horizontal convergence

3)誤差分析。由誤差計(jì)算式可算得bb′斷面測量儀器最大誤差為0.5 mm，cc′斷面測量儀器誤差為0.07 mm。可取換人量測最大誤差為0.5 mm。

通過系統(tǒng)誤差和偶然誤差的分析，可知，偶然誤差=測量誤差+人為誤差=0.4+0.5=0.9 mm

綜合以上分析，采用無尺量測可能引起的最大總誤差=系統(tǒng)誤差+偶然誤差=0.2+0.9=1.1 mm，說明無尺量測的精度還是相當(dāng)高的，實(shí)際測量數(shù)據(jù)可靠。

3 無尺量測與有尺量測的對比

3.1 精確性

選取木寨嶺隧道DyK187+998，DyK188+001和DyK188+019里程正洞邊墻位置進(jìn)行無尺量測和有尺量測方法進(jìn)行水平收斂量測的對比研究。根據(jù)量測數(shù)據(jù)繪制水平收斂變形曲線如圖2所示。

圖2 木寨嶺隧道3個里程正洞邊墻位置水平收斂變形曲線(2010)Fig.2 Curves of horizontal convergence at sidewall at 3 different measurement positions in Muzhailing tunnel in 2010

由圖2可看出，采用無尺量測和有尺量測進(jìn)行水平收斂監(jiān)控量測，其曲線型態(tài)、測量結(jié)果均相似。另外，從測試終值上看，二者差值為1～5mm，在收斂值的3%以內(nèi)，2種方法都是可靠的。

3.2 安全性

監(jiān)控量測的安全性主要是指儀器架設(shè)量測、數(shù)據(jù)記錄和施工的干擾來闡述。

1)無尺量測。①儀器選取與測點(diǎn)通視的任意位置架設(shè)，靈活性強(qiáng)，對中之后儀器自動讀數(shù)。②數(shù)據(jù)自動記錄在全站儀自帶的PC卡上，待量測完畢后在辦公室通過讀卡器將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦上進(jìn)行分析處理。③可根據(jù)實(shí)際情況選擇施工干擾小，機(jī)動車通行少的位置架設(shè)，受施工影響極小，安全隱患少。

2)有尺量測。①測點(diǎn)較低時，受來回走動工作人員以及來回車輛干擾較大，容易造成儀器的損壞;測點(diǎn)較高時，需架設(shè)梯子到達(dá)測點(diǎn)位置，周圍環(huán)境和高度對測量工作人員的心理產(chǎn)生較大影響，安全隱患多。②人工讀數(shù)后通過手工記錄量測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場或辦公都可處理。③臺階法施工時，掌子面附近測點(diǎn)受施工工序影響過大，容易被擋，必須在特定的工序時間里進(jìn)行量測。機(jī)動車輛、人員、施工機(jī)械以及其他堆積物對量測的干擾也很大。

通過比較分析，無尺量測的安全性要明顯高于有尺量測。

3.3 功效性

針對有尺量測和無尺量測的功效問題，通過對10個實(shí)驗(yàn)斷面的下臺階測點(diǎn)(有尺量測掛尺時不需要架梯子)分別用采用有尺量測和無尺量測的方法進(jìn)行量測并記錄數(shù)據(jù)，最后根據(jù)使用的總時間。計(jì)算出每個測點(diǎn)量測的平均用時。測量時間統(tǒng)計(jì)如表7所示。

表7 測量時間統(tǒng)計(jì)表Table 7 Statistics of measurement duration

由表7可知，在同樣沒有干擾的情況下，下臺階測點(diǎn)無尺量測的功效是有尺量測的2.6倍。對有尺量測而言，由于下臺階不需要架設(shè)梯子，顯然加快了測試速度，而無尺量測，對不同位置的測點(diǎn)測試速度基本相同，所以無尺量測的功效要遠(yuǎn)大于有尺量測。

4 工程應(yīng)用案例

無尺量測技術(shù)通過在木寨嶺隧道7#斜井正洞進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，從2010年9—10月對40 m試驗(yàn)段進(jìn)行了測量，現(xiàn)取3個斷面測量結(jié)果予以說明。測線布設(shè)見圖3。其典型測點(diǎn)收斂歷時曲線見圖4。

由圖4可知:通過對各測點(diǎn)歷時曲線進(jìn)行擬合，測點(diǎn)實(shí)際變形與理論相符合，量測數(shù)據(jù)離散性較小，數(shù)據(jù)呈規(guī)律性變化，各測線經(jīng)過開挖變形階段后，圍巖變形趨于收斂。

5 結(jié)論與體會

通過分析，對無尺量測誤差產(chǎn)生進(jìn)行了深入分析，使其產(chǎn)生量化概念，說明無尺量測精度高，實(shí)際測量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。無尺量測明顯優(yōu)越于有尺量測，適合大力推廣，特別是對大跨度隧道更有優(yōu)勢;但無尺量測技術(shù)依然存在一些不足，如抗干擾能力差、對測量環(huán)境要求高、測點(diǎn)絕對位移值量測困難等。

在測量中為減少無尺量測引起的測量誤差，首先應(yīng)加強(qiáng)以下幾個方面的管理:指定熟練的量測人員專人進(jìn)行量測，減小人為誤差;盡量將儀器固定在相對固定的位置，減少位置更換引起測量誤差;定期對儀器校核，減少儀器誤差;改善洞內(nèi)量測環(huán)境，減少對量測的干擾。

總之，無尺量測技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)進(jìn)一步對其量測測點(diǎn)絕對位移方法、測點(diǎn)設(shè)置、軟件功能與實(shí)際需要相配套以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等方面進(jìn)行研究，使無尺量測技術(shù)更加完善。

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