全站儀在隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

盧坤鵬

廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司 廣東 廣州 511431

前言

監(jiān)控量測(cè)作為隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容，是評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性和施工方案的可行性與適宜性的重要依據(jù)，是追蹤隧道圍巖在施工中的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)及其變形的關(guān)鍵手段，對(duì)隧道的后續(xù)工序的施工時(shí)間確定等具有非常重要的意義，因此，它是保證隧道安全、快速建成的重要手段[1-2]。

全站儀法監(jiān)測(cè)是一種非常行之有效的方法，是一種非接觸式的測(cè)量方法，能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)出各測(cè)點(diǎn)的三維絕對(duì)坐標(biāo)值，直觀地反映三維變化量，克服了以前用收斂計(jì)只能測(cè)量相對(duì)變化量的缺點(diǎn)，也大大地減少了監(jiān)測(cè)任務(wù)量和提高了工作效率，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于隧道變形監(jiān)測(cè)當(dāng)中[3]。

1 監(jiān)測(cè)原理和測(cè)量步驟簡(jiǎn)述

1.1 自由設(shè)站法

1.2 固定設(shè)站法

（1）先在隧道洞口外做一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)D1作后視點(diǎn)，再在洞內(nèi)合適位置D2做一個(gè)觀測(cè)墩，作為固定測(cè)站點(diǎn)；

（2）在洞內(nèi)所需監(jiān)測(cè)斷面布置若干測(cè)點(diǎn)P1、P2…Pi；

（3）在固定測(cè)站點(diǎn)架設(shè)全站儀。以已知后視點(diǎn)設(shè)站即可測(cè)量各個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)；

（4）當(dāng)隧道進(jìn)尺一定距離后，可以在洞內(nèi)合適位置再做一個(gè)固定測(cè)站點(diǎn)，重復(fù)上述方法測(cè)量后續(xù)斷面的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值；

（5）測(cè)點(diǎn)的凈空收斂變形量計(jì)算方法同自由設(shè)站法的第五步。

2 測(cè)點(diǎn)布置與連續(xù)監(jiān)測(cè)測(cè)量

2.1 洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，我們?cè)诿恳粋€(gè)觀測(cè)斷面布置7各測(cè)點(diǎn)（3個(gè)拱頂沉降和4個(gè)水平收斂測(cè)點(diǎn)）。測(cè)點(diǎn)制作：截取一段15～20cm的Φ8的鋼筋，然后在鋼筋任一端焊接一小段角鐵，然后在角鐵的一個(gè)外面貼上反光片。測(cè)點(diǎn)安裝時(shí)將貼有反光片的鋼筋打入圍巖中，將反光片部分留在外面，且反光片面朝向測(cè)站。每個(gè)斷面的測(cè)點(diǎn)布置如圖1。

（1）在隧道洞口外做兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)D1和D2，并通過(guò)其他基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)出的絕對(duì)三維坐標(biāo)；

（2）在洞內(nèi)所需監(jiān)測(cè)斷面布置若干測(cè)點(diǎn)P1、P2…Pi；

（3）在基準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)之間適當(dāng)位置O’點(diǎn)架設(shè)全站儀。以后方交匯法建站即可測(cè)量各個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)；

（4）當(dāng)隧道進(jìn)尺一定距離后，我們可以在隧道里合適位置再做兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，重復(fù)上述方法測(cè)量后續(xù)斷面的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值；

（5）將不同次測(cè)量的相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值與第一次測(cè)值相比較即可測(cè)得各測(cè)點(diǎn)的三維變形量。例如，P1測(cè)點(diǎn)的第一次坐標(biāo)為（x0,y0,z0），第i次坐標(biāo)為（√xi,yi,zi），即Si為P1測(cè)點(diǎn)的第i次凈空收斂量

圖1 斷面測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 測(cè)點(diǎn)觀測(cè)頻率

根據(jù)公路隧道施工技術(shù)規(guī)范（JTG F60-2009），可以知道地表下沉和周邊位移收斂量測(cè)頻率為表1。

表1 地表下沉及周邊位移量測(cè)頻率

2.3 拱頂下沉和水平收斂檢測(cè)

按照上述自由設(shè)站或固定設(shè)站的方法根據(jù)上述頻率對(duì)各觀測(cè)斷面中的各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)于拱頂上的三點(diǎn)可以不斷測(cè)讀出其變化，計(jì)算其相應(yīng)的拱頂下沉量；對(duì)于拱腰處的4個(gè)測(cè)點(diǎn)組成的兩條水平測(cè)線，可以計(jì)算出實(shí)時(shí)的隧道收斂速率和收斂總量。

3 量測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理與相應(yīng)措施

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集完畢后，應(yīng)及時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析、剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并立即進(jìn)行復(fù)測(cè)校正。對(duì)校正完成后的數(shù)據(jù)重新整理，并繪制成沉降和收斂的位移一時(shí)間曲線圖。

圖2 位移—時(shí)間曲線簡(jiǎn)圖

若位移一時(shí)間曲線在一段時(shí)間后逐漸趨于平緩時(shí)（如圖2-a），則說(shuō)明此時(shí)圍巖變形開(kāi)始穩(wěn)定，此時(shí)隨著時(shí)間的推移，位移會(huì)有一個(gè)極限值，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸曲線擬合分析，以得到圍巖位移變化規(guī)律和其位移極限值；若位移一時(shí)間曲線在某一時(shí)點(diǎn)突然出現(xiàn)反彎點(diǎn)時(shí)（如圖2-b），則表明此時(shí)圍巖的位移急劇增大并處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)加大監(jiān)控量測(cè)頻率、密切關(guān)注圍巖動(dòng)態(tài)，并及時(shí)報(bào)告項(xiàng)目部，分析可能的原因，及時(shí)采取有效的相關(guān)措施以保證施工安全，嚴(yán)重時(shí)應(yīng)停止隧道施工、疏散人群。

3.2 數(shù)據(jù)分析

利用已經(jīng)得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以對(duì)圍巖位移的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)，這樣才能及時(shí)對(duì)后續(xù)的隧道施工提出指導(dǎo)性意見(jiàn)和積累相似工程經(jīng)驗(yàn)。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測(cè)主要通過(guò)以下兩個(gè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）回歸分析法

回歸分析法是最常用的數(shù)據(jù)分析方法，根據(jù)實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以對(duì)位移選用下列函數(shù)中的一種類型進(jìn)行建模，然后擬合分析并求解其參數(shù)和擬合程度。

式中 a、b ——回歸常數(shù)；

t ——測(cè)點(diǎn)初讀數(shù)后的時(shí)間(h)；

μ ——位移累計(jì)值(mm)。

根據(jù)回歸擬合曲線，可以掌握各測(cè)點(diǎn)的位移變化規(guī)律，能夠預(yù)測(cè)出某時(shí)點(diǎn)的位移值及其最終的極限位移值。

（2）灰色預(yù)測(cè)分析法

灰色預(yù)測(cè)分析法同回歸分析法相似，也是對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，判斷圍巖變形是否穩(wěn)定。該方法主要根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)利用最新的數(shù)據(jù)對(duì)圍巖位移進(jìn)行推斷預(yù)測(cè)，隨著數(shù)據(jù)的更新不斷地實(shí)時(shí)更新預(yù)測(cè)，使預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確。

在實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)中，時(shí)常將這兩種方法綜合使用，以相互對(duì)比驗(yàn)證，使預(yù)測(cè)工作更加準(zhǔn)確。

3.3 實(shí)際工程數(shù)據(jù)分析

（1）一般數(shù)據(jù)案例分析

圖3是梅平高速TJ2標(biāo)人子石隧道左洞ZK8+990斷面拱頂中心的累計(jì)沉降回歸分析圖。選用的是雙曲線函數(shù)模型，擬合曲線為Y=X/(2.97149+0.0436X)，相似度為98.1%。利用數(shù)學(xué)極限知識(shí)可以計(jì)算出擬合曲線S的極限值為22.94mm，所以由目前已測(cè)的數(shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)該拱頂中心的最終沉降量為22.94mm。

圖3 人子石隧道ZK8+990拱頂中心沉降-時(shí)間回歸擬合分析圖

（2） 異常數(shù)據(jù)案例分析

圖4是梅平高速TJ2標(biāo)人子石隧道左洞ZK9+010斷面左拱頂?shù)睦塾?jì)沉降回歸分析圖。圖中A點(diǎn)（t=408h）出現(xiàn)了反彎點(diǎn)，左拱頂突然加速變形[4]。我們立即通知項(xiàng)目部，分析異常原因。分析結(jié)果為ZK9+010斷面屬于偏心受壓的淺埋段，在當(dāng)天的幾場(chǎng)大暴雨的影響下，圍巖位移發(fā)生了較大的變形。采取的措施為在暴雨天氣下停止該段的施工，并且之后支護(hù)減少鋼拱架的間距、增加錨桿數(shù)量、減少每次進(jìn)尺長(zhǎng)度、及時(shí)盡早噴護(hù)支撐、加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)以隨時(shí)掌握圍巖變形。采取相關(guān)措施后，我們不斷的監(jiān)測(cè)改點(diǎn)，從圖中可以看出，該點(diǎn)在10天后開(kāi)始變形逐漸穩(wěn)定[5]。隨后，開(kāi)始對(duì)其圖形進(jìn)行回歸擬合分析，仍然采用雙曲線函數(shù)模型，擬合曲線為Y=X/(4.2394+0.0305X)，相似度為96.3%。利用數(shù)學(xué)極限知識(shí)可以計(jì)算出擬合曲線S的極限值為32.79mm，所以由目前已測(cè)的數(shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)該拱頂中心的最終沉降量為32.79mm。

圖4 人子石隧道ZK9+010左拱頂沉降-時(shí)間回歸擬合分析圖

4 結(jié)束語(yǔ)

全站儀監(jiān)測(cè)法是一種新的無(wú)尺量測(cè)法，是今后隧道變形監(jiān)測(cè)的主要發(fā)展方向。實(shí)踐證明，全站儀法完全可以滿足隧道變形監(jiān)測(cè)的要求，但是為了進(jìn)一步提高觀測(cè)的精度和預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，還有很多方面需要繼續(xù)改進(jìn)完善，如：監(jiān)測(cè)方案、量測(cè)方法、量測(cè)數(shù)據(jù)的處理利用等方面[6]。所以實(shí)際工作當(dāng)中，我們應(yīng)該綜合實(shí)施其余的傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，相互對(duì)比和驗(yàn)證全站儀的觀測(cè)結(jié)果，使預(yù)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，能夠真正發(fā)揮監(jiān)控量測(cè)的目的，服務(wù)于隧道施工。