良心隧道右线偏压段围岩变化的量测.doc

良心隧道右线偏压段围岩变化的量测程俊杰 (中铁十八局集团国际公司 天津 300222)摘要：在隧道及地下工程施工中，一般采用类似多点位移计、测缝针、各种形式的收敛计等再结合其他测量仪器对围岩变化进行量测分析。本文重点介绍利用徕卡断面测量系统对围岩净空位移变化进行量测技术，首先使用断面测量系统机载软件自动采集隧道围岩净空位移变化的外业数据，然后将数据传输到计算机，再利用隧道断面测量系统后处理软件进行自动的数据分析处理，快捷方便地获得围岩变化量测结果，并以准确、直观的图形、报表数据输出，及时为围岩稳定性判断和指导施工提供有力的依据。关键词：断面测量系统 偏压 围岩变化量测 机载软件 后处理1 引言围岩变化量测传统上一般采用数显或其他式收敛计等接触方式进行净空位移变化量测，再结合水准仪观测测拱顶下沉变化。在全断面开挖后这些方法易受施工干扰，人为因素对测量精度影响较大，测量速度慢，而且测量难度较大，难以满足已做好初期支护落底的隧道全断面围岩监控量测。随着科学技术的发展，全站仪在工程施工测量中得到了普及，大大提高了测量的精度和速度，特别是近几年来，基于计算机和全站仪平台开发出来的各种测量软件，给测量工作带来了一场技术革命。隧道断面测量系统就是其中的一种，它为围岩变化量测提供了一种新的量测工具和技术手段。断面测量系统是徕卡公司专为隧道断面净空测量开发出来的软件。同时，它可作为围岩变化量测一种新的工具和手段，其基本原理是利用全站仪定点设站，通过断面测量系统中的机载软件测量隧道净空，测定同一断面上各围岩变化量测点在不同时段的二维坐标（高程和水平方向），将测量数据输入计算机通过后处理软件软件进行分析处理，最后输出量测成果，准确、快速地为施工提供数据参考。2 工程概况良心隧道是国道主干线GZ40西汉高速公路宁陕筒车湾至洋县槐树关段公路隧道，位于陕西省洋县境内高桥沟良心间的低山中，隧址区冲沟发育，多为“V”型沟；沟谷基岩裸露，地表灌木丛生，植被发育。隧道设左、右线分离式隧道。其右线隧道为直线隧道，全长3580米，属特长隧道。隧道进口段近230m地处一坡度约45的山腰偏下，埋深最大不过36米，除洞口外最小约18米，绝大部分在1830米之间，处于浅埋偏压地段。围岩类别设计上除了洞口75米为类，其余均为类，初期支护均有钢支撑。隧道洞身设计没有考虑偏压结构，在上半断面掘进350米、下半段面落底200米时，通过断面测量，与早先测量的断面比较分析，发现隧道变形扭曲，个别钢支撑出现断裂，造成了大面积的侵限。为了确定受偏压影响的隧道洞身变化稳定与否，决定不采用原来的较传统的方法，根据隧道洞身变形情况，重新布设观测点，观测目标选用专用反射膜片，结合断面测量系统进行围岩净空变化、拱顶下沉及周边收敛的监控量测。实践表明，该技术在良心隧道右线偏压段取得了良好的效果，并为围岩的稳定性判别和指导施工提供了有力的依据。3 量测前准备3.1 仪器设备徕卡TCRA1102或能进行无棱镜测距型全站仪一台；反射膜片（贴片，尺寸为22cm）若干片；外业机载软件Profiler Survey V2.0及断面测量后处理软件或具备同等功能的断面测量软件。3.2 贴片安装根据规范和有关要求，结合围岩条件，每个断面可按35条基线形式布置观测点。可用全站仪定位放样进行贴片定位安装。由于岩面大部分是初期支护，安设贴片前先将欲置贴片位置的岩面磨或清洗干净，最好做到一尘不染，确保不干胶的贴片与岩面粘贴牢固，满足量测周期要求；对于个别除了可以打磨到钢支撑面上外，可用锚杆焊接角钢在角钢上粘贴贴片，或用膨胀螺栓锚固钢板以粘贴贴片。贴片表面法线方向最好垂直岩面或隧道轴向，便于仪器接收到最强的反射信号。4 监测精度量测规范要求：测距及角度均取自全站仪默认标称精度，测得空间位置（X、Y、H）。其中，X指该断面的里程，是固定不变的，实际测量采集数据时只测量Y和H，即水平方向和高程方向。采用隧道断面测量系统量测断面通过后处理分析，其监控量测结果精度可达到0.001，完全可以满足量测规范的要求。5 外业数据采集首先放样出断面量测时全站仪的测站点，再根据测站点定出监控量测点目标观测点的概略位置，这样做是为了保证目标观测点和测站点在同一断面上，符合监控量测要求，为下一步监控量测工作作好准备。下面就断面量测过程作详细阐述。按监控量测要求，我们选取了如图1所示的5个测点，并由此形成了一封闭的量测断面。我们外业要做的工作就是用机载软件准确测出这些点的绝对坐标值（Y和H），其X坐标即为该断面里程。5.1 仪器安置在进行监控量测采集数据前，首先选定一定点作为设站点，它应该有三维坐标，即里程（X）、偏移中心量（Y，左偏取负，右偏取正）和高程。再根据此点放样出量测断面上目标观测点，使它们和该点保持在同一断面内。因为洞内地面事先浇筑了混凝土，做过仰拱填充，使该点与大地固连在一起，确保点位的稳定性。每次进行量测时都安置仪器在这一固定点。安置仪器时，只要按常规方法操作，做好精确对中整平即可。然后记录量测仪器高。由于目标观测点都是固定在洞壁上的，它们和测站点位于同一个断面上，所以不需要定位方向，也不需要输入测站点大地坐标。5.2 观测完成仪器设置工作后，测量工作的同时要求人为记录测站点点位坐标（X、Y、H）和仪高，或直接计算出仪器相对于断面测量系统要定位到某一平面的高度（称为仪器的相对高度）。本方法是要求计算出仪器相对于设计路面的高度，即测站点高程加上量测时仪器绝对高度再减去该断面里程所对应的路面中心设计标高，所得值为断面测量系统在该里程上的定位高度。然后进行下一步断面测量数据采集。启动断面测量系统机载软件Profiler Survey V2.0，软件运行显示如下图。CDJW Profiler Survey V2.0 1 Intersection2 Setup 3 Profiler F1 F2 F3 F4 F5 F6 Profiler机载软件所拥有的上述功能全部在徕卡TCRA（M）型全站仪上具体实现，其菜单功能如下：（1）“1 Intersection Calculate”菜单项完成外业交点计算；（2）“2 Setup”菜单项完成仪器安置设站、归零工作；（3）“3 Profiler”菜单项完成断面测量工作；5.2.1交点计算隧道平面定线参数文件已经在TPSPRO断面测量系统后处理软件中预先形成，并拷贝到全站仪PCMCIA卡上，故可在启动Profiler Survey软件后，选择“1 Intersection Calculate”菜单项，计算求得本次测量工作所需的平面定位要素；具体操作如下：功能键说明：F2 “INPUT”：启动用户输入，操作员在该录入条中交点名称；F4 “OK”：确定本次计算有效。返回图2Profiler主窗体；ESC ：取消本次计算。返回图2-1Profiler Survey主窗体；5.2.2仪器测站安置、归零在Profiler Survey软件中，测站坐标的输入及后视方向的度盘配置，以及断面方向的计算，操作员在全站仪上图2-3所示窗体中完成。在图2-3所示Profiler软件设站窗体中，功能键说明如下：F1-“CONT/OK”：确定用户本次设站，并返回主窗体（CONT）；或确定用户输入的数据，并自动计算断面方向（OK）；F4-“Hz0”：启动全站仪度盘配置窗体，完成度盘配置；F5-“IMPRT”：启动设站坐标输入功能，允许用户在各输入条中输入数据。该窗体中所显示信息说明如下：“Stat. Name：”仪器安置测站名，本次输入RK161030；“St. Northing ：”测站北坐标(X)，本次输入161030；“St.Eeatting ：”测站东坐标(Y)，本次输入-3.064；“St.Elev ：”测站高程(H) 本次输入9999；“Inst. Heigh t：”仪器高（Hi），可先直接输入0，后处理时通过记录的仪器高再计算出相对的仪器高，在后出连软件中进行重新定位计算；“ HZ_F ：”机载软件根据里程自动计算所得断面理论方向。我们在隧道中架好全站仪后，在Profiler软件设站窗体中具体设站步骤如下： 1) 按F5“IMPRT”功能键启动设站数据输入功能，分别录入仪器安置坐标：X、Y、H（或里程、偏移、9999；其中9999不是实际高程而是标识），和仪器高（或高差）； 2) 当我们在窗体中完成设站数据输入后，按F1“OK”键自动计算。显示断面方向在Hz_F：项； 3) 操作员可按F4“HZ0”进入全站仪归零窗体，照准后视方向点配置全站仪度盘到已知方向；4) 完成安置、归零按F1“CONT”返回Profiler软件主菜单窗体。5.2.3断面测量完成全站仪机载Profiler Survey软件设站安置、归零工作后，接下来，我们应在Profiler软件主菜单窗体中，选择“3. Profiler”项菜单进入断面测量数据采集窗体（图2-4所示）。 CDJW Profiler Survey V2.0 CHAINGE: Pt: - Hz: V: SD: - m STEP: 0.250 mSTART +STOPSTA F1 F2 F3 F4 F5 F6 该窗体内显示信息含义如下：“CHAINGE：” 测量断面里程；“Pt：”已经完成测量采集的点数；“Hz ：”全站仪水平度盘读数；“V ：”全站仪垂直度盘读数。“SD ：”测量所得斜距。进入断面测量数据采集窗体后，按直接按F1“Start”功能键，开始启动断面测量，进行数据采集，随即按一下F4“Stop”，出现如图2-5所示，再手动依次瞄准测点即目标观测点（贴片）正中心，再依次按一下F2“DIST”，即可获得全部的观测数据。CDJW Profiler Survey V2.0 CHAINGE: Pt: 1 Hz: 995426 V: 1460000 SD: 2.730 m STEP: 0.1 mReStDIST STAXYH F1 F2 F3 F4 F5 F6需要补充说明的是，在断面测量系统应用于监控量测数据采集时，断面方向可认为是固定的，即测站点与目标观测点的连线，交点计算和仪器归零这两步可省去，直接进入机载软件设站窗体进行设站点坐标输入定位，此时可发现机载软件根据里程自动计算所得断面理论方向没有，而且在后面的断面数据采集窗体中第一行也没有里程显示，这是因为没有进行交点计算，不过，丝毫不影响断面数据的采集。这是因为每次量测目标点和置镜点都是固定的（目标点宏观上可认为不变，变化是微小的），而且误差来源仅仅在于每次量取仪器高度（因为量测仪器高对点位高程变化有直接的影响），故而要保证量测的准确性和精确性，可量取三次取其平均值作为仪高，可将误差减少到最小。其外业采集的数据如图3所示。由此图可看出，实际采集的是5组数据：5条斜距和其对应的天顶距。这5组数据随着围岩的收敛变化以及仪器的高低而变化，而仪器高每次人为量测，通过后面的比较分析就可得出围岩的收敛变化量。需要注意的是当观测拱顶目标点时，无法精确照准，这时只要用激光点指向该点人为直接判断准确度，可参照反射回来的激光强度。当全站仪完成断面采集后，按功能键Shift+F6“END”，返回Profiler软件主菜单窗体。按照有关规范要求，对于每量测断面，定点后进行了第一次量测，而后再进行了定期观测直至围岩稳定。6 内业数据分析及处理用徕卡专用数据连接线把仪器与计算机相连，每测一次将量测原始数据导入计算机，运行断面测量系统后处理软件对量测断面数据进行自动分析处理，分析处理后的数据幻化成洞室绝对坐标值，再根据坐标差值比较确定围岩变化。最终结果是以断面图和断面数据表的形式显示。如图4所示，它是某次量测与第一次所测比较分析出来的结果。由此可见，原始量测数据经计算机处理转化成坐标值，围岩变化量通过断面分析后用坐标比较所得的差值反映出来的。因该隧道为直线隧道，所采用的坐标系统是以隧道轴线里程递增方向为X轴、垂直隧道轴线前进方向左侧为负右侧为正为Y轴，过隧道路面中心线竖直向上方向为Z轴建立的三维坐标系统。这种处理结果极为形象直观，把围岩收敛绝对变化包括周边收敛、位移及拱顶下沉变化，直接以坐标（水平方向和竖直方向）差值的形式表示出来。对隧道偏压造成的隧道洞室收敛、位移等的变形观测提供了一种有效的量测方法。而传统方法只对围岩内收敛变化进行量测，对隧道整体性偏移却无法量测。需要说明的是，外业数据采集的点号顺序是1-2-3-4-5，而断面后处理分析后点位的编号正好相反，对应的数据分别是5-4-3-2-1测量，这并不影响量测的整个过程和结果。最后结果虽出来了，变化也基本上清楚了。为了能更直接客观地表示收敛变化的规律可寻性和可比性，直至围岩变化的稳定性，需要对上述分析结果做进一步整理。因为有了后处理分析出来的断面图和数据（显示的是绝对坐标Y和Z），可用本次的结果分别与上次以及第一次比较，并进行统计归纳，整理成如下表： 表 良心隧道右线偏压围岩净空变化量测记录表桩号RK161+030量测断面编号7点号测点坐标相对上次变化量累计变化量Y（m）Z（m）Y（）Z（）Y（）Z（）5.712-0.00200-1-45.6013.89100+4+20.0197.64000-3-1-5.3503.89100+2-3-5.5750.00600-1-4此结果仅仅是以直接的数据形式显示的变化情况。传统分析方法是根据每条测线绘制一定的位移曲线图，而在本方法中为了适应这一种形式以便形象地看出围岩变化的趋势，可根据表中每个断面每个点的数据绘制位移时间曲线图，只不过是测点位移时间曲线图。这里就不在赘述了。7 信息反馈鉴于该段隧道处于偏压状态，围岩不仅有一般情况下的内收敛（包括拱顶下沉）的特性，又有整体移位的特性，出现了围岩变形、初期支护脱落及钢支撑扭曲甚至现断