FS1平板测微器在隧道监测中的应用

林全坤，张文东，李宇翔

0 引言

隧道监控量测作为新奥法的三大核心之一，对评价隧道施工方法的可行性、设计参数的合理性，了解隧道实际围岩级别及其变形特性等能够提供准确、及时的依据，对隧道二次衬砌的施作时间具有决定性意义。因此，它是保障隧道建设成功的重要手段。隧道监控量测的主要任务应做到提高安全性，修正设计、指导施工、积累建设经验，并通过实测数据的现场分析、处理，及时向施工方、监理方、设计方和业主提供分析资料，掌握该工程客观条件下所表现出来的一些地下工程施工规律和特点，为今后类似工程或工法本身的发展提供借鉴，以提高地下工程的设计和施工水平，并为隧道运营后的养护与维修提供可靠的原始数据。为节省工程投资，提高大断面公路隧道的设计和施工水平提供科学依据和技术保证。

1 拱顶下沉监测方案及原理

本文拱顶下沉的监测方案以全断面法开挖为例，拱顶布置三个监测点，具体布置方式如图1所示。

本次测量采用DSZ2精密水准仪，FS1平板测微器进行水准测量，仪器如图2、图3所示。

在水准仪上安装上测微器可使其测量精度达到0.1 mm估读到0.01 mm，隧道拱顶下沉测量采取基点正立塔尺，拱顶倒挂钢卷尺的方式进行测量，具体测量方式如图4所示。

图1 全断面法施工时量测断面布置图

图2 DSZ2精密水准仪

2 测微器使用方法

关于测微器的使用方法问题，说明书上的表述是，在水准仪上安装好测微器并调平仪器，调节测微器旋转按钮，使水准仪的十字丝与塔尺或钢卷尺的整厘米位置对齐，然后通过测微器观察口读取微读数，塔尺或钢卷尺读数加上微读数就是测量值。其计算方法如公式(1)所示:

图3 FS1平板测微器

图4 拱顶下沉量测方法示意图

在隧道拱顶下沉的监测中我们采取的是图4的测量方式，但说明书中关于隧道监测中的倒挂钢卷尺的情况没有说明，以至于测量在实际工作中，大多数测量人员在倒挂钢卷尺时依然采取钢卷尺读数加上微读数的计算方式，部分人员采取的是钢卷尺读数减去微读数的计算方法，两种计算方法如公式(2)、公式(3)所示:

3 拱顶监测中测微器的使用方法及理论分析

3.1 倒挂钢卷尺微读数的正确计算方法

关于在隧道监测中测微器的使用问题，人们的争议主要出现在倒挂钢卷尺微读数的计算方法上，采用同种测量仪器进行测量计算方法有公式(2)、公式(3)两种可能性，显然这是和事实相矛盾的，采用公式(2)计算方法的测量人员认为说明书中就是要求加微读数，此种方式符合要求;采用公式(3)计算方法的测量人员认为倒挂钢卷尺时应该和正立塔尺计算理论相反;还有大部分人员认为微读数的处理方法主要取决于初次测量计算方法，只要后期计算方法和初次保持一致那么无论是加上微读数还是减去微读数并不影响测量结果，仪器自动可以消除微读数造成的计算错误。本人在实践中分别采取变换仪器高度对如图4隧道的拱顶下沉在短时间内(1 h内)进行多次测量，采取两种不同的计算理论分别计算，具体测量成果如表1所示。

在隧道监测中使用测微器可以提高测量精度，使其测量精度达到0.1 mm，从上面测量数据和结果分析可以直观的发现，采用公式(2)进行计算，测量差值最小也为2.98 mm，而采用公式(3)进行计算，最大差值只为0.08 mm，采用公式(2)进行数据处理满足不了测量精度为0.1 mm的精度要求，而采用公式(3)进行数据处理其测量结果可以满足精度要求，因此从实践的角度看采用公式(3)才是正确的计算方法。

表1 隧道拱顶下沉两种计算方法数据对比表

续表1 隧道拱顶下沉两种计算方法数据对比表

3.2 倒挂钢卷尺微读数计算方法的理论证明

上面已经通过实践验证了公示(3)计算方法的正确性，下面通过理论方法给予证明。在同一个水准平面上立两个相同且总长度为100 cm的塔尺，其中一个为正立塔尺而另一个为倒立塔尺，架设好水准仪并安装上测微器进行测量，具体测量方式如图5所示。

图5 正倒立塔尺测量示意图

首先调整仪器观测正立塔尺，调节水准仪使其十字丝中丝对准塔尺的整厘米处，如图5所示，从图可知正立塔尺整数读数为80 cm，我们假设此时测微器的读数为a，然后我们转动仪器，把水准仪对准倒立的塔尺，因为两个塔尺立在同一水平面上，所以此时倒立塔尺的整数读数为20 cm，设其微读数为b，设正立塔尺总读数为M，倒立塔尺总读数为N，其计算如公式(4)、公式(5)所示:

由图可知M+N=100，则b=－a。

由此证明了倒立塔尺的实际值应该是整数读数减去其微度数，所以公式(3)从理论上是成立的。

4 结论

通过实践和理论证明可以得出测微器的正确使用方法以及注意事项:

1)当测量前后视都采取正立塔尺时，旋转测微手轮，使分划板水平横丝与水准塔尺上最近的厘米值格重合，读取塔尺读数及测微尺读数，各自塔尺读数加上各自本身测微尺读数，然后遵循后视减去前视即可求得两点高差。

高差=后视(塔尺1+微读数1)－前视(塔尺2+微读数2)。

2)当测量前后视分别采取正立塔尺和倒挂钢尺时，旋转测微手轮，使分划板水平横丝与各自尺子上最近的厘米值格重合，读取尺子读数及测微尺读数，倒挂钢尺的尺子读数减去本身微读数加上正立的塔尺读数加上其本身微读数，二者之和即为两点高差。

高差=后视(立塔尺+微读数)+前视(挂钢尺－微读数)。

3)当测量前后视都采取倒挂钢尺时，旋转测微手轮，使分划板水平横丝与钢尺上最近的厘米值格重合，读取各自钢尺读数及各自测微尺读数，各自钢尺读数减去本身微读数，然后二者相减即为两点高差。

高差=前视(挂钢尺1－微读数1)－后视(挂钢尺2－微读数2)。

4)使用测微器进行测量时，如果旋转测微手轮后，分划板水平横丝与尺子相邻上下整厘米都比较接近重合(即微读数过大或过小)时，一般应变换调整仪器高度，重新架设，可有效消除测量误差。

5)在同一天的测量过程中最好采用两次测量(变换仪器高度)，当两次测量高差超过0.1 mm时，测量值作废，两次测量高差值小于0.1 mm时，采取两次量测结果的平均值作为本天测量终值数据。此法可以消除人为错误，同时可有效减小测量误差。

［1］JTG D70－2004，公路隧道设计规范［S］.

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