基于TM50的大型地下洞室施工期變形監(jiān)測方法研究

嚴(yán)良平，馬明剛，夏萬求，彭澤豹

(浙江寧海抽水蓄能有限公司，浙江寧波315000)

0 引 言

地下洞室工程施工不可避免地會(huì)對巖土體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起隧道周邊巖土體的移動(dòng)與變形[1]，在施工過程中具有很大的危險(xiǎn)性和不確定性，為確保地下洞室工程的可靠性與安全性，地下洞室施工期間變形監(jiān)測尤為重要。傳統(tǒng)地下洞室圍巖監(jiān)測方法(如多點(diǎn)位移計(jì))為接觸式測量，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，且因受到施工的影響，測量過程易受干擾[2]，造成設(shè)備損壞，無法繼續(xù)實(shí)施準(zhǔn)確有效的監(jiān)測。全站儀量測是一種快速、簡便、準(zhǔn)確可靠的非接觸式隧洞圍巖變形監(jiān)測方法。機(jī)內(nèi)設(shè)有測量應(yīng)用軟件，方便進(jìn)行三維坐標(biāo)測量，并可將測量數(shù)據(jù)傳輸給外部計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)同步計(jì)算[3]。高精度全站儀因其極高的角度和距離測量精度以及其便捷的使用方法而在變形監(jiān)測等中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文在研究全站儀相對和絕對2種監(jiān)測方法精度的基礎(chǔ)上，考慮施工期地下洞室環(huán)境特點(diǎn)，研究和設(shè)計(jì)監(jiān)測點(diǎn)保護(hù)裝置，結(jié)合某施工期大型地下洞室項(xiàng)目監(jiān)測，開展施工期地下洞室形變?nèi)緝x監(jiān)測實(shí)踐研究，可為類似工程監(jiān)測提供技術(shù)和設(shè)備參考。

1 TM50全站儀精度測試

1.1 TM50全站儀

瑞士Leica公司生產(chǎn)的TM50全站儀技術(shù)參數(shù)為：測角精度0.5″、測距精度0.6 mm+1 ppm、測程3 km。Leica TM50具備IP65高防塵防水等級、高分辨率的圖像測量技術(shù)、智能電源管理系統(tǒng)和高效便捷的WLAN傳輸模塊等特點(diǎn)，保障了儀器在惡劣環(huán)境下高精度、高效率，全天候智能化地完成監(jiān)測工作[4]。Leica TM50智能全站儀見圖1。

圖1 TM50智能全站儀

1.2 精度測試

對TM50全站儀的測距中誤差、測水平角中誤差進(jìn)行測試(假設(shè)垂直角中誤差等于水平角中誤差)，測試內(nèi)容包括：①離全站儀一定距離貼1個(gè)反射片，進(jìn)行TM50的測距中誤差檢驗(yàn)；②在不同方向上貼2個(gè)反射片，對目標(biāo)進(jìn)行多測回水平角測量，求得全站儀測量水平角中誤差。對測試結(jié)果采用白賽爾公式檢驗(yàn)測量精度，即

(1)

式中，σ為均方誤差；VV為改正數(shù)的平方；n為觀測次數(shù)；[]為求和符號。由于所測距離真值極難獲取，在等精度觀測條件下，取算數(shù)平均值代替真值，由改正數(shù)代替真誤差計(jì)算中誤差。

對反射片進(jìn)行斜距測量，每次測量均重新照準(zhǔn)，共測量10個(gè)測回。通過白塞爾公式算得測距中誤差σ=0.36 mm，距離誤差分布見圖2。從圖2可知，檢測目標(biāo)點(diǎn)最大誤差為0.58 mm，最小誤差為0.08 mm。

圖2 距離測量誤差分布

分別對2個(gè)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行水平角測量，每次測量均需要重新照準(zhǔn)，共測量10個(gè)測回。用白塞爾公式計(jì)算得水平角中誤差σ=0.25″。測量水平角誤差分布見圖3。從圖3可知，測量最大誤差為0.4″，最小為0。

圖3 水平角測量誤差分布

2 全站儀地下洞室變形監(jiān)測方法

2.1 相對位移觀測法及精度

相對位移觀測法采用假定三維坐標(biāo)系統(tǒng)和采用極坐標(biāo)法，在o-xyz直角坐標(biāo)系中，獲得被測點(diǎn)P的三維坐標(biāo)，觀測值分別為水平角α、垂直角β、斜距S，則P(xp，yp，zp)點(diǎn)坐標(biāo)表示為

(2)

對洞室選定斷面監(jiān)測點(diǎn)用相對位移觀測法進(jìn)行三維坐標(biāo)測量，計(jì)算出測線長度及隧道的收斂值，即

(3)

Δk-1，k=ΔSk-ΔSk-1

(4)

式中，k為觀測期數(shù)；ΔS為2點(diǎn)間距離；Δk-1，k為不同期圍巖測線的變形值。顯然，Sk的長度不隨坐標(biāo)系的變化而變化，所以ΔSk的變化能精確地反映出斷面測線的收斂情況。

設(shè)全站儀水平角觀測中誤差mα等于豎直角觀測中誤差mβ，ms為距離觀測中誤差，常數(shù)ρ=206 265″。根據(jù)誤差傳播定律得

(5)

式中，σxp、σyp、σzp分別為監(jiān)測點(diǎn)P的點(diǎn)位誤差三軸分量；σp1、σp2分別為監(jiān)測點(diǎn)P的二維和三維坐標(biāo)點(diǎn)位誤差；D為平距；S為斜距。從式(5)可看出，監(jiān)測點(diǎn)P點(diǎn)的坐標(biāo)精度不僅與全站儀的測角精度和測距精度有關(guān)，還與監(jiān)測點(diǎn)和設(shè)站點(diǎn)間的相對位置有關(guān)。

圖4直觀展示了TM50全站儀在不同的位置關(guān)系下點(diǎn)位誤差與觀測垂直角和斜距的關(guān)系。從圖4可以看出，當(dāng)斜距小于200 m時(shí)，點(diǎn)位誤差小于1 mm。

圖4 TM50測點(diǎn)精度與垂直角和斜距的關(guān)系

2.2 絕對位移觀測法及精度

該方法采用自由設(shè)站獲取測站絕對坐標(biāo)，通常在隧道口設(shè)置多個(gè)穩(wěn)定牢固的后視點(diǎn)，在隧道內(nèi)合適位置架設(shè)全站儀，測量后視點(diǎn)，算出設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而測出監(jiān)測點(diǎn)相對于后視點(diǎn)的絕對坐標(biāo)。

絕對位移觀測的點(diǎn)位精度與2個(gè)因素有關(guān)，一是，設(shè)站點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)交會(huì)角的大小；二是，后視點(diǎn)數(shù)量對設(shè)站點(diǎn)精度的影響。增加已知后視點(diǎn)數(shù)目，有利于提高設(shè)站點(diǎn)的點(diǎn)位精度[5]。

(6)

(7)

(8)

式中，φ0、E、F為誤差橢圓元素，分別代表P點(diǎn)位差的極值方向、極大值和極小值；K為計(jì)算的中間變量。

設(shè)站點(diǎn)P的點(diǎn)位精度除了與后視點(diǎn)數(shù)目有關(guān)系外，還與交會(huì)角的大小有關(guān)。下面探討交會(huì)角γ和β對設(shè)站點(diǎn)P的平面點(diǎn)位精度影響。設(shè)站點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)交會(huì)示意見圖5。圖5中，P′表示P移動(dòng)后的位置，A、B為后視基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖5 設(shè)站點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)交會(huì)示意

設(shè)起初方位角αPA=30°、SAB=30 m，用TM50全站儀進(jìn)行觀測，交會(huì)角γ從10°到150°，β從10°到90°，畫出交會(huì)角γ和β對設(shè)站點(diǎn)點(diǎn)位精度的影響，結(jié)果見圖6。從圖6可知，隨著交會(huì)角γ的增大，設(shè)站點(diǎn)的精度越來越高。γ角度越大，說明后視基準(zhǔn)點(diǎn)相對于設(shè)站點(diǎn)位置越發(fā)散。因此，施測時(shí)應(yīng)盡量將基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在架站點(diǎn)兩側(cè)。然而，在隧道監(jiān)測中視線條件及場地條件較苛刻，往往難以滿足該方法對后視點(diǎn)數(shù)量和空間分布的要求。類似分析表明，不同的方位角初始值對點(diǎn)位精度mp沒有影響，只是對點(diǎn)位誤差在x、y軸的分量mxP、myP有影響。

圖6 交會(huì)角γ和β對設(shè)站點(diǎn)點(diǎn)位精度的影響

3 工程應(yīng)用

某抽水蓄能電站地下廠房洞室開挖尺寸為179.0 m×25.0 m×57.0 m(長×寬×高)。為確保地下洞室在開挖過程中的安全及正常運(yùn)營，需對洞室進(jìn)行監(jiān)測。地下洞室監(jiān)測現(xiàn)場見圖7。

圖7 地下洞室監(jiān)測現(xiàn)場

為防止爆破沖擊對監(jiān)測棱鏡的破壞，需對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行引出和保護(hù)。因此，設(shè)計(jì)并制作了防爆破沖擊監(jiān)測點(diǎn)保護(hù)裝置，見圖8。將“L”形棱鏡置于保護(hù)筒內(nèi)，該棱鏡較小且可自由旋轉(zhuǎn)，使其正對全站儀激光束。無需測量時(shí)，連桿結(jié)構(gòu)端部懸掛重物，以杠桿的方式，保護(hù)罩下蓋閉合；測量時(shí)，取下重物，保護(hù)罩下蓋在重力的作用下自行打開。

圖8 防爆破沖擊監(jiān)測點(diǎn)保護(hù)裝置與實(shí)物

在地下洞室中部2個(gè)斷面各布設(shè)5個(gè)“L”形棱鏡作為監(jiān)測點(diǎn)，在拱頂、曲線與直線交接部位、側(cè)壁對稱布置棱鏡監(jiān)測點(diǎn)。考慮現(xiàn)場實(shí)際情況，采用相對測量法，且用雙測站對稱觀測2次提高斷面監(jiān)測精度。為減小觀測角度對測距的影響，每期量測時(shí)測站平面位置應(yīng)大致相同。監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)及測線示意見圖9，在設(shè)站1、2分別獨(dú)立測量各監(jiān)測點(diǎn)1～7的三維坐標(biāo)，計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)連線(測線)之間的距離平均值，通過測線距離隨時(shí)間的變化實(shí)現(xiàn)洞室的變形監(jiān)測。

圖9 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)及測線示意

圖10展示了2個(gè)斷面4期測量部分測線的變形過程，1、4號監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)用1- 4表示，以此類推，解算的位移是由設(shè)站1、2獲取的平均值。從圖10可知，斷面變形均小于1 mm，與內(nèi)觀監(jiān)測資料一致。

圖10 斷面測線變形過程

4 結(jié) 語

全站儀隧洞監(jiān)測具有測量速度快、精度高，操作簡便等特點(diǎn)，智能全站儀TM50還可以自動(dòng)搜索、識別、跟蹤、照準(zhǔn)并進(jìn)行測量，極大提高了隧洞施工期測量效率。本文設(shè)計(jì)并制作了一種防爆沖擊位移引出保護(hù)裝置，可在施工期保護(hù)監(jiān)測目標(biāo)，且不影響測量精度。

采用高精度全站儀的相對測量法，對施工期間地下洞室圍巖進(jìn)行非接觸收斂監(jiān)測完全可行，儀器不需要對中，監(jiān)測期間不影響隧道施工，且設(shè)站靈活，快速簡便，節(jié)約時(shí)間，相對精度可達(dá)1 mm。