隧道三维变形监测方案设计及精度分析研究

热汗古丽·买买提，艾力·斯木吐拉，玛依拉·铁留太

(1.新疆农业大学机械交通学院;2.新疆西部钻探钻井工程技术研究院;3.新疆交通职业技术学院道桥分院)

1 工程概况

克轮输气管线隧道位于新疆维吾尔族自治区阿克苏市的库车县与拜城县交界的丘里塔格山区，是西气东输管道工程的标志性工程，它是我国迄今为止距离最长、输气量最大、施工条件最复杂的天然气输气管道。该隧道全长1 984.5 m，设计坡度－41.4‰，轴线方向112°47'30″，属于山岭直线型隧道。

2 变形监测基准点的设置

2.1 隧道平面位移监测精度要求

该输气管线隧道平面位移监测外业观测的主要技术指标如表1 所示。

表1 水平位移监测的主要技术指标

克轮输气管线隧道平面位移监测外业观测的主要测距指标如表2 所示。

表2 测距的主要技术要求

克轮输气管线隧道平面位移监测外业水平角观测时所采用的方向观测法的主要技术指标如表3 所示。

表3 水平角方向观测法的技术要求

监测周期根据监测体的变形特征、变形速率、观测精度和工程地质等因数综合确定，监测期间，应根据变形量的变化情况做了适当调整。

另外，水准基点和平面控制点:本测区布设四个水准基点:BM1—BM4，BM1、BM3 位于隧道进口处，BM2、BM4 位于隧道出口处;隧道地面控制点，洞内位移监测点83 个，洞门位移监测点9 个。GPS 点:CORS0 与GPS0 两个连续监测点，GPS1、GPS2、GPS3、GPS4 四个控制点。平面位移监测点:共28 个位移监测点，其中洞内26 个，进、出口各一个工作监测点。

3 监测方法设计及数据处理软件的选择

3.1 监测方法设计

隧道安全监测内容主要包括两大块:一是周期性监测，包括隧底沉降监测、隧道三维位移监测、隧道裂缝监测、GPS区域位移监测，一个季度测一次;二是实时自动化监测，包括GPS 实时监测、隧道三维位移实时监测、隧道裂缝与应变实时监测。

本工程采用GPS 全球定位系统技术对隧址区域进行控制;采用测量机器人激光测镜技术对监测点进行平面测量;采用附合水准路线方法对地面水准监测点进行高程测量;采用近景摄影测量对隧道裂缝进行监测。考虑到615、630 地震及雨季可能会对隧道产生影响，故在震后又加测了一期沉降监测及两期平面位移监测。并使用Lecia GPS 对隧道外的CORS0 和GPS0 点进行实时观测。在隧道内最易发生位移的中间与两端位置共建立了28 个监测点，使用Lecia TM30对隧道内的26 个监测点进行每天采样间隔为5 h 的定时观测，通过软件的实时接收、分析与处理来实时反映隧道的稳定性。在此过程中在隧道内部典型裂缝地点安装了30 裂缝传感器与12 个应变传感器，对隧道内的裂缝宽度与3 个断面的应力应变进行采样间隔为20 min 的定时监测与分析。水准测量洞内沉降监测点应该埋设在最能反映沉降特征且便于观测的位置。所有监测点均匀地埋设于隧道隧底，具体水准测量示意图如图1 所示。

图1 隧底沉降观测示意图

水平位移监测网分两级布网，首级基准网是由4 个GPS 基准点构成。隧道洞口和洞内测站点和位移点构成二级网，由高精度测量机器人(Leica TM30)观测。位移监测网示意图如图2 所示。

图2 位移监测网示意图

3.2 数据处理软件选择

本工程采用西南交通大学编制的“网络化移动勘测办公系统”(GeoNMOS)软件对一维、二维、三维监测数据进行处理与分析。GeoNMOS 的功能完备性、高可靠性、高效率、高灵活性、可扩展性以及可操作性使其成为了处理工程变形监测数据的利器。在信息化测绘的大背景下，这样一款具备完备数据处理功能的软件刚好可以满足本工程数据处理的种种需要，因此，就在众多数据处理软件中最终选择了该软件做数据处理与分析。

4 克轮输气管线隧道水准监测数据处理及精度分析

4.1 水准监测数据处理过程及结果

下面以第一期沉降监测数据为例，用GeoNMOS 进行数据处理，其它几期与第一期处理方法类似。具体操作流程为(1)新建项目;(2)导入观测文件，观测文件支持的格式有两种:Leica GSI 和Trimble DAT 以及用户自定义的高差文件OB1。软件基本可以正确解析这两种数据格式。当然系统也支持导入科傻平差文件格式。(3)导入已知数据，用户可以根据需要，选择某些已知点进行平差，但不能少于1 个。点击保存后，系统会自动保存用户所选择的已知点。(4)平差参数设置，每次进行平差前，用户最好先进行参数配置，否则按默认方式进行。当然软件的不足之处是未记录各项目的平差参数，以致用户每次都需要重新配置。此处高程网平差处理选择按距离定权方式进行。(5)网平差计算，当已知数据、观测数据、平差参数都设置完成后，点击网平差，则可计算出约束网平差结果。(6)闭合差计算，点击闭合差计算，系统会计算出附和路线和闭合环的闭合差，是检验观测质量的重要指标。(7)输出观测手薄，如果输入的是原始观测数据，则点击输出观测手簿，可导出成功;否则导出失败。

从观测数据可以看出，绝对误差最大的为0.5mm，说明第一期的观测值精度很高，相对误差最大的为1/4189259，说明观测的质量也很高。中误差最大的为0.28，也满足观测精度要求，只有点DX0300 和DX0420 这两个点的误差超过了容许误差，其它的点的误差都在容许误差范围内，所以这两个点可以忽略不计。同时从观测手簿中可以看出，观测时视距最长的为48.429 72 m，在限差50 m 之内。前后视距差的最大值为－1.47 453 m，在限差1.5 m 之内。前后视距累计差的最大值为－1.868 17 m，在限差6.0 m 之内。第一期的测段累计距离为2.565 km 则该闭合水准路线的高差闭合差的限差为=6.406 mm，计算的高差闭合差为0.57 mm，小于限差。每千米水准测量高差中误差为±1.287 mm。依据规范，当水准路线分测段施测时，每千米水准测量的高差偶然中误差的绝对值不应超过±1.0 mm，而计算出最大的高差偶然中误差为+0.34 mm，满足要求。通过对上表的分析和闭合差的计算，此次的观测数据的精度和质量都很高，在观测过程中并没有出现错误，观测数据可以用来计算该隧道的沉降量。用同样的方法处理后期监测数据，将后期的最大绝对误差、最大中误差等整理成一个表，如表4 所示。

对上述数据分析后得出，绝对误差最大的是第三期的点DX0300 为1.4 m。但95%的点的误差都在允许范围之内，所以这个点并不影响整体的精度。剩下的就是震后第一期的数据，有6 个点的误差超过了容许误差，经过分析，误差超限来自以下两个方面:①降雨。在输气管线隧道变形监测期间正是雨季，降雨可能对测量的精度有一定影响。②地震。震后第一期是地震后测的，地震对基准点产生了影响，从而导致测量精度的下降。除了这些点以外，其余94%的点都在允许误差范围之内，所以还是可以说明这几期的测量精度高和可靠性高，可以将这几期的监测数据作为计算该隧道沉降量的一个依据。

表4 二至震后第一期误差统计表

4.2 平面位移数据处理步骤及结果

以第一期平面监测数据为例，用GeoNMOS 进行数据处理，其他几期监测数据处理与此类似，具体操作流程如下。(1)新建项目;(2)导入高程观测文件，平面网平差观测文件为标准的ASCⅡ码文件，后缀名为ob2，可以使用任何文本编辑器建立编辑和修改。(3)导入已知数据，用户可以根据需要，选择某些已知点进行平差，但不能少于1 个。点击保存后，系统会自动保存用户所选择的已知点。(4)平差参数设置，每次进行平差前，用户最好先进行参数配置，否则按默认方式进行。当然软件的不足之处是未记录各项目的平差参数，以致用户每次都需要重新配置。平面网平差时选择以下参数:①边长定权方式为a +b × S;②先验精度:测方向设为，测方位角设为，测距误差设为1 mm+1.5 ppm;③单位权选择:验后单位权中误差。5、网平差计算，当已知数据、观测数据、平差参数都设置完成后，点击网平差，则可计算出约束网平差结果。

从监测数据表明，每个测站的误差都在误差范围之内，在测边相对误差之中，有7 个点超出了限差1/200 000，除了这几个点之外，其余的点都符合限差要求，所以输气管线隧道第一期平面位移监测数据中有94%的点满足了要求。从测站点的极大值E 与极小值F 的统计表也可以看出，每个点的位移量都不大，都保持着相对稳定。可以判定这次的监测数据精度和质量都很高，可以将这期的监测数据用来作为计算平面位移量的依据。用同样的方法对后几期平面位移监测数据进行精度分析，发现观测的精度与第一期的情况一致，未出现很多超限的点，依然可以判定后面几期的监测数据的精度和质量都很高，可以用来作为计算平面位移的依据。

［1］黄声享.变形监测数据处理［M］.武汉:武汉大学出版社，2009.

［2］陈永奇.变形监测数据处理［M］.北京:测绘出版社，2011.