全站仪在隧道监控量测中的应用研究

■陈秀强

(福建省交通科学技术研究所，福州 350004)

全站仪在隧道监控量测中的应用研究

■陈秀强

(福建省交通科学技术研究所，福州 350004)

围岩变形监测是监控围岩与支护结构稳定的重要手段，是保证施工安全，合理确定支护参数不可或缺的重要工作，是设计和施工的连接点和必要环节。传统的接触量测已经无法满足隧道施工的要求，社会对全站仪量测的准确性和量测精度存在质疑，影响了全站仪量测的推广。本文通过现场比对试验，对全站仪对边测量、全站仪三维坐标测量结果进行了分析，得出的结论是：全站仪对边测量、全站仪三维坐标测量可用于隧道拱顶沉降监测，全站仪对边测量可用于隧道周边收敛监测。

隧道 监测 全站仪 应用

1 引言

随着隧道修建技术的提高，隧道修建长度越来越长，修建过程中遇到的水文地质条件也越来越复杂，这将使隧道建设面临更大的挑战。隧道工程是处于千变万化的岩体之中，在隧道开挖之前，无论事前的勘察工作做得多么细，都不可能将隧址地段的诸多地质信息、涌水情况、施工中可能出现的不良因素搞得足够清楚。隧道工程的设计根本无法实现一步到位，施工中普遍存在很大的不确定性和高危性。为确保隧道工程的安全可靠、经济合理，就必须加强施工阶段的监控量测。

现阶段隧道工程普遍采用新奥法施工。新奥法是应用岩石力学原理，以充分维护和利用围岩的自稳能力为基点，采用以锚杆和喷射砼为主的柔性支护，通过监测控制围岩的变形，形成以围岩和支护体系共同承担荷载的结构体系。监控量测是新奥法的灵魂，在施工过程中，对围岩受力和变形进行跟踪量测，对数据加以系统分析，并及时反馈到施工中，为隧道在不同地质条件下选择合理的开挖方法、支护方式、支护时间提供科学的依据；为修改支护参数、变更设计和指导施工提供直接信息。

目前隧道所采用的围岩变形监测方法为经典的接触量测——拱顶下沉采用精密水准仪监测，净空收敛采用收敛计监测。这种方法量测劳动强度大、效率低，常与施工互相干扰。当采用拱部留核心土环形开时，在核心土未开挖前，由于核心土的阻挡，接触法将无法进行，这就造成初测的滞后。随着大断面隧道的日益增多，施工方法多变，传统的接触量测已无法满足现代长大隧道施工的要求，有必要寻求一种快速、简便、准确的非接触式隧道围岩变形量测的方法。

2 接触式量测

(1)水准仪量测拱顶下沉

采用倒尺法，主要设备有钢尺、挂竿、水准仪、标尺、挂钩等。先在拱顶埋设挂钩，再将钢尺挂在挂竿上，通过挂竿将钢尺挂在拱顶的挂钩上。图1为拱顶下沉观测示意图，通过计算前后两次拱顶测点的高程差来求拱顶的变位值。

图1 水准仪观测拱顶下沉

(2)收敛计量测净空收敛

收敛计是一种能够量测两点间距离和距离变化的仪器。观测手段基本上是在隧道壁面上埋设测点，然后用收敛计进行测定。收敛计若采用带孔普通钢尺，必须进行温度修正，消除温度对量测结果的影响。收敛计也有采用锢钢丝作为传递介质的，不过造价较高。

3 全站仪量测

接触式量测劳动强度大，量测空间易受限，有研发、利用无尺监测系统的必要。一般的可采用全站仪和与全站仪配合使用的反射片来监测隧道围岩变形，全站仪量测能否满足要求?

全站仪主要有以下特点：①采用同轴双速控制、微动结构，使照准更加快捷、准确；②控制面板提供了良好的人机界面，具有强大的人机对话功能，操作简便，能有效减少按键时出现的错误，另外也有助于减轻作业人员的疲劳感；③设有双向倾斜补偿器，可以自动对水平和竖直方向进行修正，以消除竖轴倾斜误差的影响；④机内设有测量应用软件，可以方便地进行三维坐标测量、后方交会、对边测量及其他测量等工作；⑤设有双路通讯功能，可将量测数据传输给外部计算机，也可接受外部计算机的指令和数据。全站仪量测一般采用自由设站三维量测或对边测量量测。

全站仪自由设站三维量测原理：从任意测站观测若干已知点(两个以上)的方向和距离，通过坐标变换，按最小二乘法平差算出该测站上的仪器中心的坐标，然后以此测出其余点的坐标。根据监测出的位移变形矢量Δx、Δy、Δz以及测线收敛变化量ΔD对围岩变形进行分析。图2为全站仪自由设站三维坐标量测示意图。

图2 全站仪自由设站三维坐标量测示意图

全站仪对边测量量测原理：全站仪可以放置在任何点(元需对中)设站，测定斜距、竖直角和水平角，然后通过三角高程测量原理和三角余弦定理得出任意点之间的水平距离、高差和斜距。图3为全站仪对边测量示意图。

变形监测的基本思想是通过对比测点在不同时刻与基准点的高差，得到该测点相对初始状态在一定时间段内的下沉值；对比收敛测线在不同时刻的斜距值，得到收敛测线的收敛值。

图3 全站仪对边测量示意图

4 量测结果比对分析

利用苏一光RTS010高精度1″全站仪，分别采用全站仪对边测量、全站仪三维坐标测量和水准仪对南阳隧道YK121+926断面进行监测，拱顶沉降曲线见图4，周边收敛见图5。由图4可知，三种测量方法拱顶沉降监测结果是基本一致的，时态变化趋势也是一致的；全站仪对边测量、全站仪三维坐标测量结果与水准仪测量结果相比较，每次监测值波动在±0.2mm范围内。由图5可知，周边收敛量测中全站仪对边测量与收敛计监测结果是基本一致的，时态变化趋势也是一致的；全站仪对边测量与收敛计计量测结果相比较，每次监测值波动在±0.2mm范围内：全站仪三维坐标测量结果较离散，与全站仪对边测量与收敛计计量测结果相比较，波动很大，波动范围在0.5mm左右。

图4 南阳隧道YK121+926断面拱顶下沉曲线

图5 南阳隧道YK121+926断面L1测线周边收敛曲线

5 结语

通对对现场的对比试验数据结果进行全面分析，主要得出如下结论：

(1)可采用全站仪对边测量、全站仪三维坐标测量对隧道拱顶沉降进行监测。全站仪对边测量、全站仪三维坐标测量与水准仪监测结果基本一致，时态曲线基本吻合，三种量测方法都能准确反映隧道的变形规律。

(2)全站仪三维坐标测量数据离散性大，与全站仪对边测量和收敛计监测结果相比较，波动性很大；全站仪对边测量和收敛计监测结果基本一致，准确反映隧道的变形规律。

建议在隧道变形监测中可用全站仪对边测量法替代水准仪法与收敛计法。全站仪对边测量在隧道变形监测中具有如下优势：

①测量时不需要接触测点，测量过程更快速，降低劳动强度。

②测量过程中不干扰其它工序的正常有序进行。

③操作简单，监测结果直观，并可及时反馈监测信息。

④收敛测线布设灵活。

⑤可克服接触量测的初测滞后性，确保数据的完整。