全站仪在隧道变形监测中的应用研究

卢坤鹏

广东省长大公路工程有限公司 广东 广州 511431

前言

监控量测作为隧道动态设计的关键内容，是评价设计参数的合理性和施工方案的可行性与适宜性的重要依据，是追踪隧道围岩在施工中的实际应力状态及其变形的关键手段，对隧道的后续工序的施工时间确定等具有非常重要的意义，因此，它是保证隧道安全、快速建成的重要手段[1-2]。

全站仪法监测是一种非常行之有效的方法，是一种非接触式的测量方法，能够快速准确地测出各测点的三维绝对坐标值，直观地反映三维变化量，克服了以前用收敛计只能测量相对变化量的缺点，也大大地减少了监测任务量和提高了工作效率，现在被广泛应用于隧道变形监测当中[3]。

1 监测原理和测量步骤简述

1.1 自由设站法

1.2 固定设站法

（1）先在隧道洞口外做一个基准点D1作后视点，再在洞内合适位置D2做一个观测墩，作为固定测站点；

（2）在洞内所需监测断面布置若干测点P1、P2…Pi；

（3）在固定测站点架设全站仪。以已知后视点设站即可测量各个测点的坐标；

（4）当隧道进尺一定距离后，可以在洞内合适位置再做一个固定测站点，重复上述方法测量后续断面的测点坐标值；

（5）测点的净空收敛变形量计算方法同自由设站法的第五步。

2 测点布置与连续监测测量

2.1 洞内测点布置

根据相关规定，我们在每一个观测断面布置7各测点（3个拱顶沉降和4个水平收敛测点）。测点制作：截取一段15～20cm的Φ8的钢筋，然后在钢筋任一端焊接一小段角铁，然后在角铁的一个外面贴上反光片。测点安装时将贴有反光片的钢筋打入围岩中，将反光片部分留在外面，且反光片面朝向测站。每个断面的测点布置如图1。

（1）在隧道洞口外做两个基准点D1和D2，并通过其他基准点测出的绝对三维坐标；

（2）在洞内所需监测断面布置若干测点P1、P2…Pi；

（3）在基准点和测点之间适当位置O’点架设全站仪。以后方交汇法建站即可测量各个测点的坐标；

（4）当隧道进尺一定距离后，我们可以在隧道里合适位置再做两个基准点，重复上述方法测量后续断面的测点坐标值；

（5）将不同次测量的相应测点的坐标值与第一次测值相比较即可测得各测点的三维变形量。例如，P1测点的第一次坐标为（x0,y0,z0），第i次坐标为（√xi,yi,zi），即Si为P1测点的第i次净空收敛量

图1 断面测点布置图

2.2 测点观测频率

根据公路隧道施工技术规范（JTG F60-2009），可以知道地表下沉和周边位移收敛量测频率为表1。

表1 地表下沉及周边位移量测频率

2.3 拱顶下沉和水平收敛检测

按照上述自由设站或固定设站的方法根据上述频率对各观测断面中的各个测点进行观测。对于拱顶上的三点可以不断测读出其变化，计算其相应的拱顶下沉量；对于拱腰处的4个测点组成的两条水平测线，可以计算出实时的隧道收敛速率和收敛总量。

3 量测数据处理与分析

3.1 数据处理与相应措施

现场数据采集完毕后，应及时对测量数据进行误差分析、剔除错误数据，并立即进行复测校正。对校正完成后的数据重新整理，并绘制成沉降和收敛的位移一时间曲线图。

图2 位移—时间曲线简图

若位移一时间曲线在一段时间后逐渐趋于平缓时（如图2-a），则说明此时围岩变形开始稳定，此时随着时间的推移，位移会有一个极限值，可以对数据进行回归曲线拟合分析，以得到围岩位移变化规律和其位移极限值；若位移一时间曲线在某一时点突然出现反弯点时（如图2-b），则表明此时围岩的位移急剧增大并处于极不稳定状态，此时应加大监控量测频率、密切关注围岩动态，并及时报告项目部，分析可能的原因，及时采取有效的相关措施以保证施工安全，严重时应停止隧道施工、疏散人群。

3.2 数据分析

利用已经得到的监测数据，可以对围岩位移的进一步发展进行分析、预测，这样才能及时对后续的隧道施工提出指导性意见和积累相似工程经验。对监测数据的分析和预测主要通过以下两个方法来实现。

（1）回归分析法

回归分析法是最常用的数据分析方法，根据实际的监测数据，可以对位移选用下列函数中的一种类型进行建模，然后拟合分析并求解其参数和拟合程度。

式中 a、b ——回归常数；

t ——测点初读数后的时间(h)；

μ ——位移累计值(mm)。

根据回归拟合曲线，可以掌握各测点的位移变化规律，能够预测出某时点的位移值及其最终的极限位移值。

（2）灰色预测分析法

灰色预测分析法同回归分析法相似，也是对现有的数据进行分析，预测其发展趋势，判断围岩变形是否稳定。该方法主要根据以往经验利用最新的数据对围岩位移进行推断预测，随着数据的更新不断地实时更新预测，使预测更为准确。

在实际的监测数据分析和预测中，时常将这两种方法综合使用，以相互对比验证，使预测工作更加准确。

3.3 实际工程数据分析

（1）一般数据案例分析

图3是梅平高速TJ2标人子石隧道左洞ZK8+990断面拱顶中心的累计沉降回归分析图。选用的是双曲线函数模型，拟合曲线为Y=X/(2.97149+0.0436X)，相似度为98.1%。利用数学极限知识可以计算出拟合曲线S的极限值为22.94mm，所以由目前已测的数据可以预测该拱顶中心的最终沉降量为22.94mm。

图3 人子石隧道ZK8+990拱顶中心沉降-时间回归拟合分析图

（2） 异常数据案例分析

图4是梅平高速TJ2标人子石隧道左洞ZK9+010断面左拱顶的累计沉降回归分析图。图中A点（t=408h）出现了反弯点，左拱顶突然加速变形[4]。我们立即通知项目部，分析异常原因。分析结果为ZK9+010断面属于偏心受压的浅埋段，在当天的几场大暴雨的影响下，围岩位移发生了较大的变形。采取的措施为在暴雨天气下停止该段的施工，并且之后支护减少钢拱架的间距、增加锚杆数量、减少每次进尺长度、及时尽早喷护支撑、加强监控量测以随时掌握围岩变形。采取相关措施后，我们不断的监测改点，从图中可以看出，该点在10天后开始变形逐渐稳定[5]。随后，开始对其图形进行回归拟合分析，仍然采用双曲线函数模型，拟合曲线为Y=X/(4.2394+0.0305X)，相似度为96.3%。利用数学极限知识可以计算出拟合曲线S的极限值为32.79mm，所以由目前已测的数据可以预测该拱顶中心的最终沉降量为32.79mm。

图4 人子石隧道ZK9+010左拱顶沉降-时间回归拟合分析图

4 结束语

全站仪监测法是一种新的无尺量测法，是今后隧道变形监测的主要发展方向。实践证明，全站仪法完全可以满足隧道变形监测的要求，但是为了进一步提高观测的精度和预测结果的可靠性，还有很多方面需要继续改进完善，如：监测方案、量测方法、量测数据的处理利用等方面[6]。所以实际工作当中，我们应该综合实施其余的传统的检测方法，相互对比和验证全站仪的观测结果，使预测结果更加准确可靠，能够真正发挥监控量测的目的，服务于隧道施工。