全站仪三维非接触式围岩净空位移量测技术

全站仪净空位移量测技术 1 前言 围岩净空位移量测是隧道新奥法施工过程中一个重要环节 是判断围岩稳 定性和指导施工的重要依据 围岩净空位移量测传统上采用机械式或机械 电 子式收敛计等接触方式进行 这些方法具有成本低 简便可靠 能适应恶劣环 境等优点 但对施工干扰大 人为因素对测量精度影响较大 测量速度慢 越 来越难以满足现代隧道施工快速 大跨度 安全的要求 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 全站仪应用自动精确照准 锁定跟踪 联机控制 免棱镜测距等许 多新技术的应用 给测量工作带来了一场技术革命 为围岩净空位移量测提供 了新的量测技术手段 收敛 隧道内壁面两点连线方向的位移之和 此项量测称 收敛量测 收敛值 两次量测的距离之差 常用收敛计性能 序号名称主要技术性能 1 QJ 85 型球铰弹簧式 最小读数 0 01mm 量测精度 0 06mm 2 GY 85 型柱销弹簧式 最小读数 0 01mm 量测精度 0 05mm 3 SWJ 型重锤式 最小读数 0 01mm 量测精度 0 30 0 47 mm 以往常用方法 收敛量测采用收敛计 拱顶下沉量测用拱顶变位计 将钢尺或收敛计挂在拱顶点作为标尺 后视 点可设在稳定衬砌上 用水平仪进行观测 由于净空高操作不方便 可用下图 办法解决 量测时将钢尺拉上去 不测时收在边上 不致影响施工 测点位置 又相对固定 2 全站仪量测原理 全站仪三维非接触围岩净空位移量测新技术 其基本原理是利用全站仪自 由设站远距离测定量测点位不同时段相对的三维坐标 将测量数据输入计算机 通过软件进行后处理 最后输出监测成果 准确 快速地为施工提供数据参考 3 量测前准备 3 1 仪器设备 徕卡 TCRA1101 全站仪一台 反射膜片 贴片 选用 Lecai 尺寸为 4 4cm 贴片若干片 机载 Deformation 软件及围岩收敛分析后处理软件 3 2 贴片安装 根据规范和有关要求及围岩条件 开挖方法等 确定围岩净空位移量测断 面的位置及间距 以及每个断面的基线布置形式 贴片安装过程 对于完整性 较好的岩石 可直接在其表面用贴胶贴上贴片 但安设贴片前必须清洗欲置贴 片位置的岩面 粘贴必须牢固 能满足量测周期要求 对于不稳定岩石可用锚 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 法线方向最好垂直隧道轴向 以使仪器接收到最强的反射信号 4 外业数据采集 针对 XX 隧道内不同围岩及地质情况 我们按相关规范及有关要求规定对不 同地段做了围岩量测 下面就 YK112 610 断面的量测过程做一具体阐述 由于 YK112 610 开挖时出现掌子面下部涌水 32m3 h 针对开挖断面 12 6m 和围岩不稳定性 侧壁与拱顶有局部掉块现象 待掌子面素喷后 选择了 5 测点 6 条基线法来测设 4 1 仪器安置 因为量测内容主要是各量测点间相对距离 全站仪可以自由安置 对中整平 就可以 不需要建站及大地坐标输入 但为了消除贴片倾斜对测距的影响 每 次量测时测站位置应大致相同 同时为了加强反射片对仪器激光反射效果和量 测准确性 应把仪器设置在量测断面前后 5m 内较为合适 先选择适当的位置安置仪器 精确整平后 打开仪器电源 按仪器 Prog 键 进入 Deformation 量测程序 按围岩量测参数规范要求对仪器各项参数进行调 整 量测规范要求 测距取位至 0 1mm 角度 0 1 秒 空间位置 X Y H 0 1mm 对应量测规范精度要求的仪器参数设置 D 测距较差限差 0 5mm 水平角 2C 差限差 15 秒 2C 差互差限差 6 秒 角度归零差限差 5 秒 i 角指标差限差 30 秒 i 指标差互差限差 10 秒 测回数 6 个 4 2 观测 完成仪器设置工作后 首先对各目标点进行仪器确认 照准时可用仪器激光 导向功能 激光点指向贴片正中 点 见图 1 防止每次测量照准不同而产生 围岩变化误导信息 按 DIST 键 仪器对于该点位置信息 角度 平距 X Y H 等 电子记录存入仪器内存 或 PC 卡 并输入点号 如编号为 1 2 3 4 5 等 按次序对其余各点进行目标识别 仪器内置独特的 ATR Automatic Target Recognition 自动目标识别功能 可自动识别目标 自动瞄准目标 自动跟踪目标 进行自动测量 利用程序实现人工智能数据采 集 左站测量 在 YK112 615 处左侧设置仪器 并选择目标点后准备量测 启 动仪器 LEFT MEASURE 功能 仪器伺服马达自动按目标顺序测量各点信息 6 测 回 正倒镜全圆观测法 右站测量 左站测量完毕后 仪器搬至 YK112 615 处右侧 同左站测量顺序 一样进行右站测量 测量完毕后 可以在仪器中调用 CHECKING 功能检查左右测 站同一基线长度 若发现基线左右站测量长度较差超限 0 5mm 可以对这条 基线重测 按照规范要求 对于 YK112 610 量测断面 在开挖后 1 小时进行了第一次量 测 而后在开挖后 4 9 18 48 小时 共进行了 5 次观测 每次观测均取测站 名为 YK112 610 仪器会依据内置时间不同 自动对每次观测数据文件进行编 号 因该隧道目前开挖的围岩基本在因该隧道目前开挖的围岩基本在 IIIIII 类及以下 开挖后都用钢拱架或格栅支类及以下 开挖后都用钢拱架或格栅支 护 故围岩量测在开挖后两三天因支护施工而中断 护 故围岩量测在开挖后两三天因支护施工而中断 对钢拱架或格栅支护后的 部分断面我们进行了量测 大部分断面变形量不大 最大位移量月累计为 3 5mm YK112 478 5 内业数据处理 用数据连接线把仪器与计算机相连 外业数据存储在仪器内存内 或将仪器 内的 PCMCIA 卡插入计算机 PC 卡插槽 外业数据存储在 PC 内 将各次量测原 始数据在观测后导入计算机 同时在程序内填入在断面的形状 开挖方法 覆 盖厚度 地质描述 围岩类别 隧道支护设计等资料 计算机围岩收敛分析软 件将对量测数据进行自动分析处理 输出围岩位移成果 如测线的位移趋势图 及回归分析图 见图 3 各测点在不同时间段的位移值等 以及自动对成果进 行分析 判断围岩的稳定性 显示 该测线稳定至少 天 为支护提供参数 5 1 内业数据 对 YK112 610 的 6 条基线观测中 测线 1 位移变化率最为显著 相对位移值 大于规范 1 2 下面摘抄各测点一个测回观测数据及测线 1 三次观测的原始 数据 其格式如下 Start 2001 12 06 15 58 08 TCRA1101PLUS 第 1 测回 点号 水平角 竖直角 斜距 X Y H 1 346 11494 96 27301 8 5023 8 2044 2 0156 0 9563 2 346 22334 86 06243 8 4363 8 1800 1 9826 0 5728 3 0 01274 72 52572 8 7040 8 3184 0 0035 2 5619 4 12 43565 86 21245 8 6463 8 4166 1 9018 0 5494 5 12 54488 96 31090 8 6801 8 4059 1 9273 0 9855 1 346 11498 96 27314 8 5016 8 2037 2 0155 0 9563 1 166 11331 263 32180 8 5054 8 2072 2 0170 0 9572 5 192 54348 263 28366 8 6782 8 4041 1 9263 0 9859 4 192 43456 273 38245 8 6443 8 4148 1 9009 0 5488 3 180 01154 287 06512 8 7046 8 3192 0 0030 2 5616 2 166 22215 273 53311 8 4395 8 1830 1 9838 0 5728 1 166 11312 263 32181 8 5054 8 2071 2 0171 0 9572 End 2001 12 06 16 00 18 测线 1 原始测量数据报表 隧道名称 雁门关隧道右线 里程 YK112 610 序号 测量时间 测点编号 相对坐标 X 相对坐标 Y 相对高程 H 1 6 日 07 58 测点 1 8 2044 2 0156 0 9563 2 6 日 07 58 测点 3 8 3184 0 0035 2 5619 3 6 日 07 58 测点 1 8 2072 2 0170 0 9572 4 6 日 07 58 测点 3 8 3192 0 0030 2 5616 5 6 日 07 58 测点 1 8 2039 2 0157 0 9562 6 6 日 07 58 测点 3 8 3184 0 0033 2 5619 7 6 日 07 58 测点 1 8 2073 2 0169 0 9571 8 6 日 07 58 测点 3 8 3193 0 0030 2 5616 9 6 日 07 58 测点 1 8 2036 2 0158 0 9561 10 6 日 07 58 测点 3 8 3182 0 0033 2 5620 11 6 日 07 58 测点 1 8 2073 2 0171 0 9572 12 6 日 07 58 测点 3 8 3193 0 0029 2 5616 13 6 日 16 18 测点 1 8 4435 2 0222 0 9518 14 6 日 16 18 测点 3 8 4722 0 0002 2 5665 15 6 日 16 18 测点 1 8 4466 2 0233 0 9527 16 6 日 16 18 测点 3 8 4726 0 0005 2 5661 17 6 日 16 18 测点 1 8 4430 2 0222 0 9518 18 6 日 16 18 测点 3 8 4719 0 0001 2 5665 19 6 日 16 18 测点 1 8 4465 2 0234 0 9527 20 6 日 16 18 测点 3 8 4727 0 0006 2 5662 21 6 日 16 18 测点 1 8 4434 2 0222 0 9518 22 6 日 16 18 测点 3 8 4722 0 0002 2 5665 23 6 日 16 18 测点 1 8 4462 2 0233 0 9527 24 6 日 16 18 测点 3 8 4721 0 0005 2 5660 25 7 日 01 25 测点 1 8 4435 2 0223 0 9518 26 7 日 01 25 测点 3 8 4721 0 0004 2 5665 27 7 日 01 25 测点 1 8 4465 2 0236 0 9529 28 7 日 01 25 测点 3 8 4726 0 0006 2 5661 29 7 日 01 25 测点 1 8 4434 2 0224 0 9518 30 7 日 01 25 测点 3 8 4722 0 0002 2 5665 31 7 日 01 25 测点 1 8 4463 2 0236 0 9528 32 7 日 01 25 测点 3 8 4725 0 0007 2 5662 33 7 日 01 25 测点 1 8 4435 2 0224 0 9517 34 7 日 01 25 测点 3 8 4722 0 0003 2 5665 35 7 日 01 25 测点 1 8 4468 2 0237 0 9527 36 7 日 01 25 测点 3 8 4725 0 0006 2 5661 5 2 数据处理 所有分析计算都在计算机上自动进行 对于测线 1 第 5 次量测数据输入后 经分析处理 显示该测线稳定至少 1 天 我们针对外业数据 人工分别采用了 指数函数 对数函数 幂函数进行了回归分析 与计算机分析处理进行了比较 得出相同的结论 其计算过程如下 5 2 1 指数函数 该测线稳定至少 1 天 计算过程如下 回归方程为 指数函数 U a bt 其中 a 0 026 b 12 284 总误差 Q 0 0001 回归方程标准差为 Q n k 0 5 对于给定的 t 当置信度为 95 时 u 的预测区间为 12 284 lg t 1 u 12 284 lg t 1 1 天周边收敛量 a pow b t 3 815 毫米 5 2 2 对数函数 该测线稳定至少 1 天 计算过程如下 回归方程为 对数函数 U a b lg t 其中 a 0 207 b 0 135 总误差 Q 0 0001 回归方程标准差为 Q n k 0 5 对于给定的 t 当置信度为 95 时 u 的预测区间为 0 135 lg t 1 u 0 135 lg t 1 1 天周边收敛量 a pow b t 3 957 毫米 5 2 3 幂函数 该测线稳定至少 1 天 计算过程如下 回归方程为 幂函数 U a tb 其中 a 14 668 b 1 289