（大地测量学与测量工程专业论文）高速公路隧道gps控制及变形监测技术研究.pdf

t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho n h i g h w a y t u n n e lg p sc o n t r o la n dd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g b y p e n gw e n ji a n b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n t h eg e o d e t i ca n dm e a s u r e m e n te n g i n e e r i n g l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rg u 0y u n k a i a p r i l ，2 0 11 一 ， 、 1 一 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 懈戤。豸炙史嗍：刎怍硼日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 作者签名：彭文建日期测) 年o s n 2 d 日 氢鄂研帆驯m 卵 摘要 随着我国交通建设的快速发展，隧道工程越来越多，大量的铁路隧道、公路 隧道不断兴建。隧道工程的施工控制和施工安全问题也越来越受到科研工作者的 重视。 本文以大浏高速公路隧道工程实例为依托，对高速公路隧道g p s 控制测量 和洞口段的变形监控进行了研究。在隧道g p s 控制测量中，分g p s 平面控制和 高程控制进行研究。平面控制根据隧道工程控制测量的要求和g p s 控制测量的特 点，对g p s 控制测量的原理、g p s 平面控制网的布设与观测、g p s 数据的处理 等进行分析，结合道吾山隧道g p s 平面控制测量的工程实例，对点位的选取、外 业数据的采集、内业数据的处理及平差等问题进行详细了的介绍，并对g p s 数据 进行了精度分析，取得了较好的效果；g p s 高程控制，采用水准高程测量和g p s 高程进行分析，结合道吾山隧道高程控制测量的实例进行了研究，采用5 种不同 方案进行拟合的质量和精度分析，效果良好。 在高速公路隧道洞口段变形常常较大，其监控中，针对隧道洞口段的围岩 特点，提出了行之有效的监控方法，建立了洞口段围岩变形的基准和监控体系， 确保了洞口段施工的稳定与安全。在监控方法上，主要介绍了地表下沉、周边收 敛、拱顶下沉等监测技术和沉降准则，并对数据处理理论进行了介绍。最后结合 义泰湾隧道洞口段的监控实例对监控方法、沉降基准、数据处理及回归预测进行 详细的说明和研究。 本文的研究，为深入开展公路隧道的施工控制和变形监测技术研究提供参 土 巧0 关键词：公路隧道；隧道施工监测；几何变形；g p s 控制；曲线回归预测；高程 拟合 a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o n ，a p p l i c a t i o no ft u n n e lc o n s t r u c t i o n i n c r e a s i n g l y i nc h i n a t u n n e lc o n s t r u c t i o nc o n t r o l ，c o n s t r u c t i o n s a f e t yg e tt h e a t t e n t i o no fr e s e a r c h e r si n c r e a s i n g l y t h i sp a p er e l y i n go nd a l i uh i g h w a yt u n n e lp r o j e c ta sa ne x a m p l e ，t or e s e a r c ht h e g p sc o n t r o ls u r v e yh i g h w a yt u n n e la n dt h ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gt u n n e lh o l e s e c t i o n i nt h eg p sc o n t r o ls u r v e yh i g h w a yt u n n e l ，w ec o m b i n e dw i t ht u n n e lp r o j e c t c o n t r o lm e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t sa n dg p sc o n t r o lm e a s u r e m e n tf e a t u r e st oa n a l y z e d g p sc o n t r o lm e a s u r e m e n t p r i n c i p l e ，g p sp l a n e c o n t r o ln e t w o r k l a y o n ta n d o b s e r v a t i o n ，a n dc o m b i n a t i o no fd a o w u s h a nt u n n e lg p se o n t r o ls u r v e yp r o j e c t st o a n a l y z e ds p o t t i n gs e l e c t i o n ，w i t h i nt h ef i e l dd a t ac o l l e c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga n d p o s s e s s i o n ，o fa d j u s t m e n t ，a n dt oa n a l y z e dt h ea c c u r a c yo fg p sd a t a ，a c h i e v e dg o o d r e s u l t s a c c o r d i n gt og p se l e v a t i o nc o n t r o ln e t s ，u s i n gl e v e le l e v a t i o nm e a s u r e m e n t a n dg p se l e v a t i o nf o ra n a l y s i s ，a n dc o m b i n a t i o no fd a o w u s h a nt u n n e lp r o j e c t st o u s i n gf i v ed i f f e r e n ts c h e m e sa r ef i t t i n gp r e c i s i o na n dq u a l i t ya n a l y s i s ，a c h i e v e dg o o d r e s u l t s g e n e r a l l y ，h i g h w a yt u n n e lh o l es e c t i o nd e f o r m a t i o ni sb i g g e rt h e no t h e rp l a c e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es u r r o u n d i n gr o c kt u n n e lh o l es e c t i o n ，w ec o m e u pw i t h e f f e c t i v e m o n i t o r i n gm e t h o da n de s t a b l i s h e dt h eh o l es e c t i o nw a l l r o c k d e f o r m a t i o nd a t u ma n dm o n i t o r i n gs y s t e m ，t oe n s u r et h eh o l es e c t i o nc o n s t r u c t i o n s t a b i l i t ya n ds e c u r i t y i nm o n i t o r i n gm e t h o d s ，m a i n l yi n t r o d u c e dt h es u r f a c ea n dh o l e d e f o r m a t i o no b s e r v a t i o n ，p e r i p h e r a l c o n v e r g e n c e ，v a u l ts i n k ，s u r f a c es u b s i d e n c e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n ds e t t l e m e n ts t a n d a r d se t c a n dt h ed a t ap r o c e s s i n gt h e o r y w e r ei n t r o d u c e d c o m b i n e dw i t ht h ey i t a i w a nt u n n e lh o l es e c t i o no fm o n i t o r i n g m e t h o d ，m o n i t o re x a m p l e sb e n c h m a r k ，d a t ap r o c e s s i n ga n ds e t t l e m e n to ft h e i m p l e m e n t a t i o no ft h er e g r e s s i o nf o r e c a s tf o rd e t a i l e di n s t r u c t i o n sa n dr e s e a r c h t h i sp a p e r ，w h i c hc a r r yo u tt h ec o n s t r u c t i o no fr o a dt u n n e lc o n t r o la n dd e t e c t i o n t e c h n o l o g yt op r o v i d er e f e f e n c ed e f o r m a t i o n 。 k e y w o r d s ：h i g h w a yt u n n e l ；t u n n e lc o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n g ；g e o m e t r i cd i s t o r t i o n ； g p sc o n t r o l ；c u r v er e g r e s s i o nf o r e c a s t ；e l e v a t i o nf i t t i n g 目录 摘要i a b s t r a c t j j ：i ：i i 第一章绪论 1 1 概述1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1g p s 控制测量技术应用概况3 1 2 2 隧道洞口段变形监测技术发展概况o 3 1 3 研究思路及内容4 1 3 1 研究思路4 1 3 2 研究内容5 第二章隧道g p s 平面控制测量 2 1g p s 测量的基本原理：6 2 2g p s 控制网布设6 2 3g p s 基线解算6 2 3 1 观测值7 2 3 2 基线解算7 2 4g p s 网平差分类7 2 5 道吾山隧道g p s 控制测量1 0 2 5 1 道吾山隧道概况1 0 2 5 2g p s 平面控制测量1 0 2 6 本章小结1 4 第三章隧道g p s 高程控制测量 3 1g p s 高程拟合原理1 5 3 2g p s 高程拟合数学模型1 6 3 3g p s 高程拟合精度分析17 3 4 隧道高程控制测量1 7 3 4 1 水准高程测量1 7 3 4 2 隧道g p s 高程测量1 7 3 4 3g p s 高程拟合实测1 8 3 4 4 精度分析2 3 3 5 本章小结2 3 第四章隧道洞口段围岩变形理论研究 4 1 隧道洞口段围岩稳定性特点 4 2 隧道洞口段围岩影响因素 4 3 隧道洞口段现场施工监控 4 3 1 变形监控方案 4 4 监测数据处理及信息反馈 4 4 1 监测信息的反馈方法 4 5 监测数据处理成果分析及回归趋势预测 4 5 1 地表沉降数据处理成果分析 4 5 2 拱顶下沉及周边收敛数据处理成果分析 4 5 3 回归趋势预测 4 6 义泰湾隧道洞口段监控 4 6 1 工程概况 4 6 2 洞口设计 4 6 3 洞口及明洞的施工及安全 4 6 4 工程地质条件 4 6 5 洞口段围岩稳定性 4 6 6 量测结果分析3 8 4 6 7 本章小结4 7 五章结论与展望 5 1 主要结论：4 9 5 2 展望4 9 参考文献5 0 致谢5 5 附录a 攻读硕士期间发表的论文5 6 附录b 攻读硕士期间参与的科研项目5 6 1 1 概述 第一章绪论 高速公路是解决城市间交通的重要手段。公路隧道作为高速公路不可缺少的 部分，在世界各国中都得到广泛应用。由于过去公路建设资金的短缺，在山区或 半山区修筑的公路，以盘山公路居多。这种公路有绕行里程偏长，占用可耕地多， 能耗高，安全隐患往往也多，如果发生事故势必会能造成较大的经济损失和人员 伤亡。随着我国经济建设的不断发展和隧道工程建设新技术的不断出现。在公路 建设中，优先选择隧道也得到广大工程技术人员的认可，那种“宁绕勿穿 的观 念从此得以改变n ，。 在隧道控制测量方面，传统的隧道工程控制测量是以大地测量为基础，即必 须有一定数量的已知点作为工程控制测量的起算数据，而传统的大地测量，是先 在全国范围内布设高精度的一、二等网，然后再逐级加密出三、四等网，这样的 方法为工程控制测量提供起算点，不仅周期长，花费的代价也比较大；提供到用 于高速公路路线测量的控制点难保证为同一测量系统，往往城市控制点、国测、 军测、混在一起，这就造成数据间的不统一，从而影响测量质量；而且国家基础 控制点，大多为5 0 、6 0 年代完成，有些点由于经济建设的需要或人为因素被破坏， 使传统的工程控制测量难以实施；在传统工程控制测量中施测时还必须考虑通视 条件和图形结构，但实际通视的条件难以达到，甚至在大范围密林、密灌及青纱 帐地区，根本无法实施常规控制测量，使工程测量的精度和效率受到很大限制船3 。 近几年随着电子通讯、计算机技术以及计算技术等相关技术的进一步发展， g p s 导航定位技术广泛应用于测绘、交通、水利、气象等各行各业，随着g p s 技 术在其精度、软、硬件等方面都获得了长足发展，在各种类型的控制测量中，g p s 定位技术已基本取代常规测量手段，成为主要的技术手段。g p s 定位技术的优点 主要表现在： l 相邻测站之间不需要通视，使得选点比较灵活方便。 2 定位精度高。g p s 基线向量的相对精度一般在1 0 5 1 0 - 9 ，这是普通测量方法 很难达到的。 3 观测时间比较短。静态相对测量仅需3 0 分钟左右。而动态g p s 定位仅需数秒 钟即可达到厘米级的精度。 4 操作简单。在观测中测量员的任务主要是安装并开关仪器、量取仪器高和监 视仪器的工作状态等，而其它观测内容如卫星的捕获，跟踪观测等均可由仪器自 动完成。 5 提供三维坐标口，。 国内外的测量工作者在长期的工程测量实践中，对于普通中小型隧道的控制 测量，都掌握了很好的方法、积累了丰富的经验，利用常规的测量方法布设隧道 较高精度的平面、高程控制网己没有太大困难。但是更快精度更高的测量方法， 一直是测量工作者关心的问题。 我国在高速公路隧道施工中主要采用新奥法。随着新奥法在隧道工程施工中 的广泛运用，现场变形监测在新奥法的灵魂作用也得到体现。现场变形监测是以 现场施工变形监测所获得的围岩和支护系统力学状态的变化为依据，对现场采集 的数据进行及时的处理，为初期支护和二次衬砌的有关参数调整提供依据，是认 识和理解隧道围岩动态变化的基本途径，为判断隧道施工过程中围岩的是否稳定 及支护结构是否安全提供科学依据，以确保隧道施工安全c ，。 在隧道施工中，洞口端的施工有着举足轻重的作用。隧道工程洞口段一般来 说受地表水侵蚀严重、岩层破碎、松散覆盖层薄，地形和地质条件极不稳定，往 往夹有土层围岩，不利于土体成拱的条件。隧道施工后，破坏了山体原有的平衡 状态，随着应力释放和重新分布，往往容易引起洞口段坡面崩塌、地表滑坡等不 良地质现象。因此，隧道进出口边坡的稳定性与否则常常成为隧道工程建设能否 顺利进行的关键问题。如何确保隧道洞口围岩的稳定性一直是隧道界关注的重点。 我国在隧道洞口围岩稳定性分析中，通常采用极限平衡法和有限元数值模拟 法。但是因为岩土体的复杂性，岩土力学分析具有半经验半理论的特点，在不良 地质条件下岩石的变形机理仍未清楚，隧道洞口围岩的破坏模式和发展阶段等仍 不十分清楚。如今，在隧道洞口段围岩研究领域，一方面，随着数值分析方法的 越来越成熟，数值计算的结果可信度的提高；另一方面，传统的分析方法大多只 考虑静态荷载分布下的围岩变形模式，无法考虑隧道洞口段围岩动态施工以及信 息化施工所带来的在各个阶段的荷载模式，也较少考虑到隧道洞口开挖的空间效 应；另由于勘察和设计方面存在本身存在的缺陷，使得施工过程中出现了许多因 工程而诱发的围岩失稳，给工程建设乃至人民生命财产造成了巨大的损失，我国 在实际工程中对隧道洞口围岩监测内容的研究目前并不十分完善，因此在实际工 程中，导致许多隧道洞口围岩在监测报警时，其变形仍处于安全阶段，则势必造 成人力、物力的极大浪费。因此，对洞口段的施工监控研究，对于确保隧道工程 的施工和运营安全、提高和发展土木工程建设水平具有很大的社会意义和经济意 义 5 】。 2 1 2 国内外研究现状 1 2 1g p s 控制测量技术应用概况 国际上，对g p s 平面控制和高程控制技术的研究已有较多的研究成果。早在 1 9 8 4 年，美国就在斯坦福粒子加速器的工程测量中采用了g p s 定位技术，平差 后其高程精度可达2 3 m m ，平面精度达到了1 - 2 r a m t 6 】；1 9 8 7 年开工的欧洲海底隧 道工程，该工程横跨英吉利海峡，隧道在海底的埋深达到4 0 m ，隧道全长5 0 k m ， 采用经典大地测量方法时，所测得的隧道纵横向误差为4 1 0 一，后来采用g p s 进 行控制测量测得的隧道纵横向误差为l 1 0 ，这种方法在大大提高工程质量的同 时，也减少了工程费用；在欧洲核子研究中心的大型环形电子对撞机控制测量中， g p s 定位精度亦可达毫米级【7 】。 在国内控制测量中，g p s 有很多应用实例。丁克良结合杭州湾大型桥梁首级 g p s 控制网三期的数据处理，研究了g p s 控制网布设和g p s 数据处理方法，且对桥 梁g p s 控制网的观测点位用假设检验的方法进行稳定性分析，给出了多期g p s 网方 差、协方差阵提取方法阳1 ；白玉春通过万家寨引黄人晋工程g p s 网测量成果，采 用多种型号g p s 接收机和测距仪进行内、外部可靠性检核数据，证明该g p s 网的 各项设计合理，观测数据可靠，内业数据处理方法能满足特长隧洞纵、横向贯通 精度的要求，为隧洞开挖贯通和其他建筑物施工放样打下良好的基础，保证了特 长隧洞的正确贯通阳1 ；张高兴重点分析影响山区城市g p s 控制测量的实施及成果 质量的高程测量精度的主要因素，以及提高g p s 高程测量和控制点正常高推算精 度的方法与措施，从而为城市建设和发展提供可靠的测量基准n ”。史美祥g p s 定 位技术在长江口深水航道治理工程中的创新应用，其中有g p s 区域控制网、高程 异常网的建立；应用似大地水准面拟合技术，实现了动态验潮测量，实施了数字 化测量n ；杨春杰对黄河小浪底一高村段两岸g p s 控制网的精度分析表明，g p s 控制网布设合理，联测方案设计、外业观测和内业平差计算均符合有关的技术要 求，精度良好n 引；张项铎针对隧道g p s 控制网的布测特点，提出了利用全球大地 水准面推算平移参数，将w g s 一8 4 坐标转换为国家实用坐标系和采用直接投影法 计算隧道施工坐标以及利用拟合法”实验g p s 高程改化，从而解决了g p s 定位成 果和常规测量成果同的三维坐标转换问题n 钉。 1 2 2 隧道洞口段变形监测技术发展概况 自新奥法出现以来，在欧洲以及美国、日本等许多地下工程中现场隧道施工 的变形监控得到迅速的发展。在我国，从8 0 年代开始高速公路隧道施工逐步的采 用新奥法施工，经过2 0 多年的发展后，已在量测方法和手段上取得了很大的进步。 在日本，新奥法发展比较快，从1 9 7 6 年首次在上越新干线上的中山特长隧道 采用新奥法技术以来，在这三十多年的发展过程中，他们在隧道工程应用的基础 上，提出一套以新奥法设计、施工及变形监测相结合的指南，尤其提到了在施工 变形监测方面取得了很大的进展。从2 0 世纪9 0 年代开始，日本就通过使用地质 图像技术处理掌子面的地质条件，提炼出与围岩等级分级的有关参数以便对围岩 等级进行变更，并在此基础上开发出隧道掌子面图像系统。日本佐藤工业开发的 “s i t 系统 ，把洞内的监测、测量、机械设备的运行、通信等方面的信息综合 用通信线路进行传输，实现了洞内外施工的一体化管理。由日本地层科学研究所 开发出“隧道变形量测和掌子面情报快速管理系统 ，该管理系统具有操作简单、 判断迅速等特点，并能够及时显示出掘进情况、掌子面情报、量测结果等信息。 欧洲采用以新奥法为代表的“岩承理论”修筑隧道工程比较早，目前隧道施工变形 监测技术已达到了比较高的水平n 们。 在隧道工程监测和信息化设计方面，我国在发展以位移测试为主体的隧道施 工监测系统以及监测信息反馈理论方面都有很大的进展。刘洪州将工程实测数据 与边界元结果进行对比，分析了围岩位移的影响因素；王兰生教授为主的课题组 以二郎山公路隧道施工过程的工程实践为依据，应用围岩变形跟踪监测系统( t m s 系统) ，在围岩变形监控方面取得了较好的效果。郭建湖、李小和通过对隧道地表 下沉及收敛变形的观测，分析了隧道产生裂缝的原因，并提出了处理措施；翁汉 民运用新奥法监测施工管理计算机系统对大断面低扁平率长隧道监控进行了研 究；刘志刚等研究的“断层参数预测法超前预报隧道断层技术和“隧道施工地 质技术与t s p 一2 0 2 探测解译技术 通过了专家评审，己达国际先进水平。董勇对 孤山隧道信息监测中的测点布置、回归分析、信息反馈等作了详细的介绍。吕康 成利用激光基准测量原理，开发了激光隧道围岩位移实时监测系统，在浙江杭金 衙高速公路上试用，监测系统精度为0 5 m m ：赵星光以白泥井隧道为例将光纤 b r a g g 光栅传感技术应用到隧道监测中，提出f b g 传感器在隧道内的铺设方案及 温度补偿技术的可行性n 印 【 1 。 1 - 3 研究思路及内容 1 3 1 研究思路 本文对隧道g p s 控制网测量和隧道洞口段围岩变形监控进行研究。隧道g p s 控制网测量中主要研究隧道g p s 控制测量的实施方法和数据处理，包括点位的选 4 取，布点方案，数据处理，g p s 高程拟合等；隧道洞口段围岩变形监控主要针对 洞口段围岩的特点，提出监控方法和变形基准，并对监测数据进行处理和分析。 最后结合道吾山隧道和义泰湾隧道工程实例，对理论问题进行实践研究。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 道吾山隧道g p s 平面控制网的布设、点位选取、内外业实施及数据处理等。 ( 2 ) 隧道g p s 高程拟合。结合道吾山隧道实际，采用水准高程测量和g p s 高程测 量相结合，分5 种方案对高程数据进行拟合，并进行质量和精度分析。 ( 3 ) 隧道洞口段围岩变形特性、围岩变形的监控方法、监控沉降基准、围岩变形 的数据处理及回归预测研究。 5 第二章隧道g p s 平面控制测量 在隧道控制测量中，传统的全站仪控制测量方法，在越岭地段受到地形限制 很难实施，特别是植被茂密、山势陡峭的越领地段，采用全站仪实施相当困难。 随着新技术的发展，g p s 测量技术具有相邻点之间不需要通视、全天候作业、 定位精度高、同时能提供三维坐标、自动化程度高等优势，已广泛应用于工程测 量领域n ”。 2 1g p s 测量的基本原理 g p s 定位原理是一种空间距离交会原理，它利用3 个以上的已知点到未知点 的距离，解算出未知点的三维坐标。具体实现是先由三个以上地面已知坐标点应 用无线电测距交会原理交会出卫星位置，然后再利用三个以上卫星的已知空间位 置交会出地面未知点的位置。当接收到信号的卫星数目多于4 颗时，就可以利用 最小二乘法进行平差计算，提高定位精度。 2 2g p s 控制网布设 在平面控制网中，首先选定已知坐标及精度满足要求的地面控制点与g p s 控 制点，应用g p s 静态定位方法联合观测，建立测区首级平面控制网，然后，应用 g p s 动态定位技术或者用全站仪对平面控制网进行加密测量。 表2 1 不同等级g p s 精度要求 测量等级固定误差a ( m m )比例误差b ( m m )相邻点距离( k i n ) a5o 13 0 0 b8l7 0 c1 051 0 1 5 dl o1 05 一l o e1 02 0 0 2 - 5 2 。3g p s 基线解算 g p s 基线解算就是利用g p s 观测值，通过数据处理，得到测站的坐标或测站 6 间的基线向量值。g p s 最基本的观测量是基线向量，g p s 控制网整体质量水平由 基线向量的质量决定。g p s 基线向量表达了各测站间的测站与测站间的坐标增量 的位置关系。常规测量中的基线和g p s 基线向量是有区别的，常规测量中所指的 基线只有长度属性。而g p s 基线所指的向量则含有长度、水平方位和垂直方位 等三项属性。g p s 同步观测的结果是g p s 基线向量。 2 3 1 观测值 基线解算通常采用差分观测值，较常用的差分观测值为双差观测值，双差观 测值是由两个测站的原始观测值分别在测站与卫星间求差后所得到的观测值。 2 3 2 基线解算 对于两台及以上接收机同步观测值进行独立基线向量( 坐标差) 的平差计算 叫基线解算。g p s 基线解算的过程主要是： 1 观测数据的读取 数据处理软件和原始的g p s 观测数据可能存在格式上的不一致，首先要对原 始数据的格式进行转换。 2 外业输入数据的检查及修改 为了避免避免外业操作失误对观测数据的影响，要对观测的原始数据进行必 要的检查。检查的内容包括：点号、测站名、测站坐标、天线高等。 3 基线解算的控制参数设定 为了确定数据软件采用哪种处理方法进行基线的解算，就要设定基线解算的 控制参数。设定控制参数后就可以实现对基线的精化处理。 4 基线解算 基线解算的过程是自动进行的，一般不需要过多的人工干预。 5 基线解算质量的检验 基线解算完后，基线结果并不能立即利用，往往还要对基线的质量进行检验， 合格后方能使用，若不合格，则必须要对基线重新进行解算或重新采集测量。基 线的质量检验内容主要包括：同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差。基 线向量的解算一般采用多站、多时段自动处理的方法进行。 2 4g p s 网平差分类 g p s 网平差按平差所进行的坐标空间性质，可以将g p s 网平差可分为三维 平差和二维平差；按平差时所采用的观测值和起算数据的数量和类型，可以分为 7 芝 = 言虽三 薹 + 兰草j i f l 扰薹, j l 一 鍪! 喜三雾 ( 2 1 ) f 吒 岛= 1 l 吒 1 艋l ，r 2l u a zj ( 2 2 ) 8 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 为先验单位权中误差。平差所用的观测方程通过上面的方法列出的，但为使平 差进行下去，必须引入位置基准，引入位置基准的方法是用g p s 网中一个点的 w g s 一8 4 坐标为起算的位置基准，即有一个基准方程： 荔 = 主 一 霎 = 。 。2 5 ， 据上面的观测方程和基准方程，按最小二乘原理进行平差解算，就得到平差结果。 待定点坐标参数： ( 2 6 ) ( 2 7 ) 差爵一致，判断它们的一致性 v 7 p vv 7 p v ：西，若：i 2b2 0 一5 0hb 5 一1 0 b h 2 bl o 一2 0 注：无地表建筑物时取表内上限值。 b 表示隧道开挖宽度。 4 4 监测数据处理及信息反馈 4 4 1 监测信息的反馈方法 考虑到隧道工程施工中的安全和经济因素，必须在隧道施工阶段进行变形监 测，以便及时收集因隧道施工影响，而引起围岩和支护结构中的位移和应力变化 等信息。但是由于围岩性质的复杂性和施工过程中人为因素的影响，使得实际监 测数据绘制的变形随时问而变化的散点图出现上下波动，没有规则，所以说从实 际监测数据入手，很难与按力学模式所分析的结果相一致。这就要对所有数据的 总体规律或者说隐藏规律进行总结，即必须用数学方法对监测所得的位移数据进 行回归分析，找出隧道围岩变形随着时间变化的规律，以便为设计的修改和指导 施工提供科学依据。在隧道工程中所采用的数据反馈方法可归纳为两大类，即理 论反馈法和经验反馈法。 4 4 1 1 理论反馈法 对隧道的支护结构进行设计计算时，首先要依据结构物的具体情况选取力学 模式，其次要确定计算的参数。为了提高计算正确性，除了对所选取的力学模式 做到尽量合理外，还应采用现场监测信息进行反馈，求解计算出参数，这种方法 叫理论反馈法。 4 4 1 2 经验反馈法 经验反馈法是根据工程之间的类比建立判断准则，然后利用监测到的信息与 判断准则进行比较，从而用来判断围岩稳定性和支护结构工作状态的方法。常用 下面三个判断准则进行判断： ( 1 ) 允许位移值 允许位移值是指隧道施工的整个过程中，在保证围岩不产生有害变形和地表 不产生有害沉降( 指浅埋段) 的条件下围岩的最终位移量。当隧道在开挖过程中所 监测到的总位移量或根据时间一位移曲线求出的最终位移量大于允许位移量时，就 说明围岩不稳定或支护工作状态不安全，需要采取加强措施。隧道周边收敛量的 大小主要受到原始地应力、开挖速度、开挖的方法、支护方式、支护的时机等因 素的影响。因此，允许位移值应根据工程经验类比初步定出变形范围值后，然后 再根据现场监测结果和工程的实际综合分析确定。 表4 3 隧道周边允许相对位移值( ) 覆盖层厚度( m ) 围岩类别 3 0 0 o 1 0 3o 2 一o 5o 4 1 2 o 1 5 一o 5o 4 1 2o 8 2 o o 2 一o 8o 6 一1 61 0 3 0 ( 2 ) 位移变化速率 位移变化速率是用每天的位移变化量来表示。对某一开挖掌子面来讲，从开 始产生位移变形到达到稳定状态为止，每天的位移变化速率基本都是不同的。樵 据位移变化速率来判断围岩的稳定性，也是目前国内外广泛采用的方法，但是目 前国内的标准还没有统一。 ( 3 ) 位移时态曲线 位移一时间曲线如图4 - 2 所示。 u j 一3 u t 图4 2 围岩位移时态曲线图 d 。“ 当万 o 2 - 3 段，表示围岩变形速率正在增加。围岩表示进入危险状态，应立即停止施工， 须迅速加强支护或加固围岩。 4 5 监测数据处理成果分析及回归趋势预测 4 5 i 地表沉降数据处理成果分析 在地表沉降的数据处理中，主要是通过最大沉降点的下沉量与时间的关系曲 线，结合地表观察结果综合判断地表下沉是否在安全允许范围内，并参考变形管 理等级表4 4 ，对量测数据进行回归分析，预测地表最大沉降量，看此预测值是 否超限。通过对大量地表沉降测点监测曲线的变形分析可以得知洞口段地表的沉 降过程基本上可以分为以下五个阶段： 涌i 时目 图4 3 地表沉降各阶段示意图 ( 1 ) 初期沉降阶段 对应于图中的o 1 段。隧道洞口段围岩一般风化较严重，围岩松散，刚开挖 时地表各测点将会产生较大的沉降。随着时间的增加，各测点沉降速率会逐渐减 小，洞口围岩将达到内部自平衡。如果此阶段中观测点的沉降较大，且没有收敛 的迹象，则隧道洞口极有发生塌方事故的可能，此时应及时加强洞口段的支护， 确保隧道洞口段的安全。 ( 2 ) 平稳发展阶段 对应于图中的1 - 2 段。随着隧道的进一步开挖，开挖掌子面离洞口越来越远， 施工干扰对洞口地表的扰动将会越来越小，洞口段围岩将保持平衡状态。此时地 表会发生一些较小的蠕动位移。因此，在该阶段的沉降曲线会比较平缓。 ( 3 ) 过渡阶段 对应于图中的2 - 3 段。在经过平稳发展阶段后，由于隧道施工的二次扰动、 3 0 降雨等一系列因素的影响，隧道地表监测点的位移变形将开始缓慢增大，进入到 过渡阶段。如对于使用台阶法开挖的隧道，下台阶的开挖将会对洞口围岩产生较 大的扰动，使围岩应力重分布，部分围岩受到压力集中的影响产生破坏性形变， 此时地表监测点的沉降量开始缓慢增长。该阶段的持续时间与围岩本身的性质有 很大关系。脆性围岩可在较短的时问内出现围岩失稳现象。在塑性较大的围岩中， 此阶段持续时间则较长， ( 4 ) 加速沉降阶段 对应于图中的3 - 4 段。此时洞口围岩内部平衡已经被破坏，地表监测点的下 沉加速。洞口边仰坡将会开始出现较大裂缝，此时已经逐渐形成滑动面。监测时 应及时关注此种变化现象，及时预警，采取必要措施以防止衬砌变形和围岩失稳。 ( 5 ) 破坏阶段 对应于4 之后的阶段。此时地表裂缝已经明显发展快速，滑动面上的抗阻力 已经小于下滑力，地表边坡发生滑动破坏。 总体来讲，上述五个阶段很少会同时出现。大部分情况是只发生初期沉降阶段 和平稳发展阶段；由初期沉降阶段发展到破坏阶段，常见于隧道进洞时洞口边坡 发生滑动破坏；当沉降曲线发展到加速沉降阶段时，须立即采取措施对围岩进行 加固，使曲线重新回到平稳发展阶段 4 5 2 拱项下沉及周边收敛数据处理成果分析 拱顶下沉和周边收敛量测方法简单易行，是监控项目中最直观和最有效的观 测项目。在数据的处理中，针对不同的围岩条件，处理重点和方法也不相同，在 实际应用中，对于各种处理方法及相关标准的采用，都是为了保证隧道安全施工。 在数据的前期处理中，为了判断围岩变形的安全性，应首先选用一个判断基准， 用来说明现在量测断面的围岩变化情况是否安全。但是此基准的选择较为困难， 例如利用数理统计及经验方法总结出的一些判断基准就有很多。目前运用较多的 是根据极限应变值提出隧道围岩变形管理等级，以允许位移量进行分析判断。 表4 4 变形管理等级 管理等级管理位移施工状态 i nu o ( 2 3 ) u n 应采取特殊措施 注：u o ：实测变形值；u n：允许变形值 在一般情况下，拱顶沉降当观测断面离开挖掌子面的距离小于2 倍洞距范围内时， 位移变形较为明显。其判断基准主要是依据日沉降量和累计沉降量进行判断。据 相关资料的总结经验，当隧道变形量连续超过l m m d 时，则认为围岩处于急剧变 形阶段，需要对初期支护进行加强，并适当加大监测次数；当位移的变化速率小于 0 2 m m d 时，可认为围岩已达到了基本稳定。在距离大于2 倍洞距范围，主要依 据表4 3 中的允许位移值对监测数据进行分析，并依据表4 4 对围岩进行变形等 级管理。 当周边收敛的量测断面距离掌子面小于2 倍隧道宽度范围时，可用日收敛速 率即本次收敛量观测值减去上次收敛量观测值，再除以两次间隔的时间，来反映 围岩的变形情况。当量测断面距离掌子面大于2 倍隧道宽度范围时，可以用平均 变形速率和变形时态曲线反映围岩的变形趋势。 当满足以下要求：各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定：已产生 的各项位移已达位移总量的8 0 9 0 ：周边收敛速率小于0 1 0 2 m m d ，或拱 项下沉速率小于0 0 7 - 0 1 5 m m d 时，进行隧道二次衬砌施作。 4 5 3 回归趋势预测 由于监测数值的偶然误差，使得变形速率