全站仪遥测技术在洛香铁路隧道围岩变形监测中的应用

2010-05-17陈惠霞

铁道勘察 2010年3期

陈惠霞

(中铁十八局集团公司，天津 300222)

围岩净空位移量测是新奥法隧道施工过程中一个重要环节,是判断围岩稳定性和指导施工的重要依据。围岩净空位移量测传统上采用机械式或机械-电子式收敛计等接触方式进行，这些方法具有成本低、简便可靠、能适应恶劣环境等优点,但对施工干扰大,人为因素对测量精度影响较大,测量速度慢,越来越难以满足现代软弱围岩隧道快速、安全、高效的施工要求。随着科学技术的发展,全站仪在工程施工测量中得到了普及,大大提高了测量的精度和速度,特别是近几年来,全站仪应用自动精确照准、锁定跟踪、联机控制、免棱镜测距等许多新技术,给测量工作带来了一场技术革命,特别是全站仪的遥测技术,为围岩净空位移量测提供了新的量测工具和技术手段。

全站仪遥测技术作为观测围岩净空位移量测技术,其基本原理是利用全站仪自由设站远距离测定量测点位不同时段相对的三维坐标,将测量数据输入计算机通过软件进行后处理,最后输出监测成果,准确、快速地为施工提供数据参考。

1 工程概况

洛香特长隧道为贵广铁路重点控制工程之一,为双线隧道,全长11 232 m,位于贵州省凯里从江县,进口里程DK278+125,出口里程DK289+357,全隧位于半径5 500 m偏左曲线上,洞内按人字坡设置。

出口施工区围岩均为Ⅲ～Ⅴ级,主要为沉积岩(砂页岩互层)、变质岩(板岩、千枚岩、片岩、变质砂岩)和第四系残坡积黏性土和堆积土,属于华夏构造体系和新华夏构造体系联合影响带,普遍具风化带网状裂隙水特征,水质具有酸性侵蚀。

由于地质条件差、埋深大、施工难度大，为确保隧道施工安全、稳妥、高效、快速,对围岩量测提出了更高的要求,必须做到准确、及时、快速和安全。要满足监测的高要求,采用常规的机械式监测系统很困难,为此选用全站仪遥测技术作为观测围岩净空位移量测技术。实践表明,该技术在洛香隧道取得了良好的量测结果和经济效益。

2 量测前准备

2.1 仪器设备

徕卡TCRA1102全站仪一台；反射膜片(贴片),选用Lecai尺寸为4 cm×4 cm贴片若干片；机载Deformation软件及围岩收敛分析后处理软件。

2.2 贴片安装

根据规范有关要求及围岩条件、开挖方法等,确定围岩净空位移量测断面的位置及间距,以及每个断面的基线布置形式。贴片安装过程：对于完整性较好的岩石,可直接在其表面贴片,但安设贴片前必须清洗欲置贴片位置的岩面,粘贴必须牢固,能满足量测周期要求；对于不稳定岩石可用锚杆焊接角钢，在角钢上粘贴贴片,或用膨胀螺栓锚固钢板以粘贴贴片。贴片表面法线方向最好垂直隧道轴向,以使仪器接收到最强的反射信号。

3 监测精度及仪器参数设置

量测规范要求：测距取位至0.1 mm,角度0.1″,空间位置(X、Y、H)0.1 mm。采用该技术系统的监测精度完全可以满足量测规范的要求。

对应量测规范精度要求的仪器参数设置：ΔD测距较差限差0.5 mm；角度归零差限差5″；水平角2C差限差15″；i角指标差限差30″；2C差互差限差6″；Δi指标差互差限差10″；测回数6个。

4 外业数据采集

针对隧道内不同围岩及地质情况,按相关规范及有关要求对不同地段进行围岩量测。下面就隧道出口施工区DK289+330断面的量测过程做详细阐述。

该段为软弱沉积岩地质,开挖时围岩出现较大变形,待工作面素喷后,选择了5测点、6条基线法来测设(见图1)。

图1 断面基线布置

4.1 仪器安置

量测内容主要是各量测点间相对距离,全站仪可以自由安置(对中整平就可以,不需要建站及大地坐标输入,也不需进行仪器对中、量仪器高等),但为了消除贴片倾斜对测距的影响,每次量测时测站位置应大致相同。同时，为了加强反射片对仪器激光反射效果和量测准确性,应把仪器设置在量测断面前后5 m内较为合适。先选择适当的位置安置仪器,精确整平后,打开仪器电源,按仪器Prog键进入Deformation量测程序,按围岩量测参数规范要求对仪器各项参数进行调整。

4.2 观测

完成仪器设置工作后,首先对各目标点进行仪器确认,照准时可用仪器激光导向功能,激光点指向贴片正中,防止每次测量照准不同而产生围岩变化误导信息。按DIST键,将该点位置信息(角度、平距、X、Y、H等)电子记录存入仪器内存(或PC卡),并输入点号(如编号为1、2、3、4、5等)。按次序对其余各点进行目标识别,仪器内置独特的ATR(Automatic Target Recognition)自动目标识别功能,可自动识别目标，自动瞄准目标，自动跟踪目标,自动测量,利用程序实现人工智能数据采集(见图2)。

图2 全站仪画像摄影观测围岩净空位移量测示意

为了确保隧道DK289+330断面量测的精度,便于对同一基线进行相互检校,测设时在DK289+335隧道轴线的左右侧相对位置处,设置左右两测站,左右测站的距离可自由设置。具体观测如下。

左站测量：在DK289+335处左侧设置仪器,并选择目标点后准备量测,启动仪器LEFT MEASURE功能,仪器伺服马达自动按目标顺序测量各点信息6测回(正倒镜全圆观测法)。

右站测量：左站测量完毕后,仪器搬至DK289+335处右侧,同左站测量顺序一样进行右站测量。测量完毕后,可以在仪器中调用CHECKING功能检查左右测站同一基线长度,若发现基线左右站测量长度较差超限(0.5 mm),可以对这条基线重测。

按照规范要求,对于DK289+330量测断面,在开挖后1 h进行了第一次量测,而后在开挖后4 h、9 h、18 h、48 h,共进行了5次观测。每次观测均取测站名为DK289+330,仪器会依据内置时间不同,自动对每次观测数据文件进行编号。

5 内业数据处理

5.1 数据输出

用数据连接线把仪器与计算机相连(外业数据存储在仪器内存内)或将仪器内的PCMCIA卡插入计算机PC卡插槽(外业数据存储在PC内),将各次量测原始数据在观测后导入计算机,同时在程序内填入断面的形状、开挖方法、覆盖厚度、地质描述、围岩类别、隧道支护设计等资料。计算机围岩收敛分析软件将对量测数据进行自动分析处理,输出围岩位移成果,如测线1位移速度-时间变化曲线(见图3)、测线的位移趋势图及回归分析(见图4)、各测点在不同时间段的位移值等,以及自动对成果进行分析,判断围岩的稳定性(显示“该测线稳定至少×天”),为支护提供参数。