关于隧道非接触监控量测仪器选择问题的探讨(邱超)

1、关于隧道非接触监控量测仪器选择问题的探讨邱 超中交一公局土木技术研究院摘要：依托测绘仪器及测量技术的快速发展，隧道监控量测的技术手段也发生了较大变化。由接触量测向非接触量测的转变，是现代技术发展和生产要求提高的必然结果。而这其中也涉及了一些亟待解决的问题，例如，对非接触监控量测使用的仪器免棱镜全站仪的精度，现行的规范并未给出十分详细的要求，甚至还有一些不妥之处，即便写了也只是寥寥数语，只规定了仪器精度，并未对此作出任何解释。本文从量测工作实际出发，对免棱镜全站仪应用在隧道监控量测的工作原理与方法进行分析，通过间接平差及精度评定理论，并对数据采集现场情况及数据处理等方面综合考虑，得出适当的仪器精

2、度，给同行们作为参考并作为讨论的依据。关键字：隧道非接触监控量测 免棱镜全站仪 精度分析 仪器选择1.绪论1.1隧道非接触监控量测的发展图1-1-1 变形监测的关系随着测绘仪器的发展，各种新型仪器应运而生，传统的测绘仪器也逐步向数字化、智能化、一体化方向发展。测绘仪器也不再单单只局限应用于工程放样、控制测量的传统意义上的测量工作。而随着国家经济的高速发展，各种新型基建项目大幅度开工建设，对工程的质量、安全与进度提出了更高的要求，变形监测就在这一背景下产生、发展，并成为在建运营项目不可或缺的重要一环。变形监测是围绕整个工程进展的一系列监控工作，在保证施工安全的同时也为设计提供重要的数据支撑，与传

3、统的一般工程测量相比，变形监测有着精度更高、数据处理较复杂、测量周期性更强的特点。那么在进行具体的监测工作中，到底要使用什么样的仪器、应用什么样的方法？在现行的很多规范中并且详细给出，即使有也只是只言片语，甚至还有一些不妥之处。本文主要探讨隧道非接触监控量测方面，目前测量仪器正在由传统光学向数字化方向发展，接触测量向非接触发展的方式转变。尤其是许多人所不能及的地方，非接触量测的优势便更加明显。例如，随着隧道下导的开挖，隧道的上导水平收敛测线用传统收敛计量测造成很大麻烦，很多时候不得不放弃测量。再比如，基于精密水准测量的拱顶沉降，由于铁路隧道的净高较高，在悬挂测尺一直是没有很好解决方法的难题，如

4、果测尺悬挂不规范，或者每次悬挂偏离较大，即使测量的在准确也无法真实体现沉降。甚至在浅埋段的地表沉降，尤其是靠近洞口处，采用水准测量困难很大，如果能在沉降点上粘贴反光片，采用免棱镜全站仪三角高程的方法，测出沉降量，能大大降低数据采集人员的工作困难程度。所以非接触量测技术仅在隧道监控量测方面应用的就十分广泛，也可以说为隧道监控量测的外业数据采集带来了革命性的突破。使数据采集工作变得更加简单、快捷与便利，但是精度又成为这个方法是否切实可行的关键。近几年来关于数据精度、仪器精度、系统误差分析与改正、测量中的误差分析与改正以及精度的评定成为了各位同行关注的重点。1.2免棱镜全站仪技术的简介全站仪是一种集

5、光、机、电为一体的新型测量仪器，简单说来是由电子经纬仪测量系统和激光测距仪测量系统组成。与传统光学经纬仪相比电子经纬仪将光学度盘换为光电扫描度盘，将人工光学测微读数代之以自动记录和显示读数，使测角操作简单化，且可避免读数误差的产生。电子经纬仪的自动记录、储存、计算功能，以及数据通讯功能，进一步提高了测量作业的自动化程度。全站仪与光学经纬仪区别还在于度盘读数及显示系统，电子经纬仪的水平度盘和竖直度盘及其读数装置是分别采用两个相同的光栅度盘（或编码盘）和读数传感器进行角度测量的。 根据测角精度可分为0.5，1，2，3，5，10等几个等级。免棱镜测量技术基于相位法原理，全站仪发出的激光束极为微小，它

6、可精确地打到目标上，保证精度较高的距离测量。与有棱镜测量相比较，其优点是只要测点的反射介质满足免棱镜测量的条件，就不需要在测量点位上置放棱镜，即可精确的测定出该点的三维坐标。使用柯达灰度标准卡，其半径可达180米，它具有可见的红色激光斑以及微小的光束直径。为了达到出色的标准和基于考虑测量人员的身体安全的效果，采用最安全的一级激光，确保了免棱镜测量胜任于任何测量工作。对于测量人员提高作业效率来说是非常有利的。1.3应用免棱镜全站仪的隧道监控量测的要求若想把免棱镜技术很好的应用在隧道监控量测上，笔者认为要满足如下几点要求：数据采集快速，操作简便，对现场环境要求最低。在隧道监控量测数据采集时，隧道一

7、般都在施工，隧道内环境复杂。出渣、立架、喷浆、挖仰拱等等，让数据采集人员能够最迅速、准确、方便的采集有用的数据，是量测的前提。这就要求我们的仪器及采集数据的方法，简单、不受外界环境影响并且要快速，传统接触量测往往不具备，这也是免棱镜技术的最大优势之一。精度达到要求。根据公路隧道施工非接触量测规程（DB341T1087-2009）和公路隧道施工技术规范（JTG F60-2009）中规定，应用全站仪量测应满足±1mm的测量精度，取数范围达到0.1mm级。这里重点要强调两个方面，其一，全站仪是量边测角的仪器，与最后所求的周边收敛与拱顶下沉值都为间接量测值，存在误差传播，下文也将重点分析；其

8、二，规范所强调的±1mm的测量精度，即测量值的偶然误差的中误差为±1mm，也就是所得误差的离散程度，而并非测量值与真值相差的真误差，通过多次测量取平均值可大大减小其中误差，这也是全站仪可以应用于精密测量的关键所在。测量数据稳定，能真实反映问题。通过我单位在重庆万达高速隧道监控量测的情况来看，量测数据稳定，数据可信度较高，在本文的工程实例中也将做详细介绍。2. 应用免棱镜全站仪进行隧道监控量测的原理与方法在重庆万达高速公路隧道监控量测数据采集工作中，我们采取了三角高程、自由设站、应用测回法的角度观测与激光测距及对边量测等方法，在实践中慢慢总结出应用自由设站与对边量测相结合的方

9、法采集数据，较为便捷并且数据稳定，本文将对这一方法及原理做以重点介绍。 2.1原理 图2-1-1 对边量测原理对边量测是指间接的测定远处两侧点之间的距离（斜距或平距）和高差，即使这两点不通视。如图2-1-1所示，A、B为隧道内两观测点，若进行周边收敛量测，A、B即为收敛测线左右两点，若进行拱顶下沉量测，A点即为后视点，B点为拱顶沉降观测点。为确定斜距S和高差h，可在与A、B通视的任意点O上安置仪器，观测O至A、B两点的斜距S1、S2和垂直角1、2以及水平角，然后根据下式计算求出AB斜距以及高差。水平距： 高差：斜距：实际上，全站仪显示出来的水平距、斜距和高差，就是利用其自身具有的内存和计算功能

10、按照上式计算出来的，测量时只需按下“对边测量”功能键即可。2.2方法图2-2-1 拱顶沉降量测方法全站仪的对边量测有两种方式：一种是连续式模式，也称多边模式或相邻边模式，在该模式下我们所测的所有的点的数据（即两点间的高差、平距及斜距）都是相对于前一个点而言的，仪器在任意位置安置后，即可测得P1-P2之间，P2-P3之间，P3-P4之间等的距离、高差、坐标等；另一种是辐射式，在该模式下我们所测的所有点的数据都是相对于第一点而言的，亦即P1-P2之间，P1-P3之间，P1-P4之间等。我们在周边收敛量测时采用连续式，拱顶量测时采用辐射式，注意仪器使用时的设置。如图2-2-1所示，拱顶沉降，即采用自

11、由设站、单点定位，只需求出后视点A和拱顶沉降点B的相对变化量。步骤自由设站，进入对模式；照准后视点A和拱顶观测点B，求hAB即dVD；若条件允许，直接观测拱顶点C，求出hAC即可。图2-2-2 周边收敛量测方法如图2-2-2所示，周边收敛步骤自由设站，进入对边量测模式；直接照准观测点A与观测点B，求出两点间斜距；继续进行下一测线的量测。3. 仪器的精度分析及机器选择的意见在确定的观测方法后，我们即可将采集的数据进行精度分析，此处并不用实际数据，可进行理论数据的分析，采取最不利的情况，然后用工程实例进行验证。3.1关于dVD的讨论如图3-1-1所示，在拱顶沉降量测中，dVD是数据采集的最终数据，

12、通过本次与上次的量测dVD差值求出沉降速率，通过本次与首次的dVD差值求出累计沉降值。那么： （式3-1-1）如图， （式3-1-2）图3-1-1 垂直位移量测图将上式全微分得， （式3-1-3）由误差传播的一般表现形式即， （式3-1-4）将（式3-1-3）带入上式得， （式3-1-5）接下来，我们讨论最不利情况。假若我们使用测角精度为±1”，即一测回方向观测误差为±1”；开启免棱镜模式，测边精度为±（2+2ppm），即固定误差为±2mm，比例误差为每公里增加2mm，固定误差和比例误差都为中误差；测程我们选PinPoint-Power型号，全站仪的测程

13、大致分为，FlexPoint、PinPoint-Power、PinPoint-Vltra三种型号，FlexPoint型免棱镜测距一般在30m以内，PinPoint-Power型免棱镜测距大于400m，PinPoint-Vltra型免棱镜测距大于1000m（属超长测距）。当竖直角（）或天顶距为90°±1或0°±1，距离在（0.2±2×10-6）km时，如下式所示：当90°±1时， 带入（式3-1-5）得，当0°±1时， 带入（式3-1-5）得，垂直位移（从全站仪到观测点之间，并非后视点到监测点之间

14、的高差值）监测变形观测点在最不利情况下的高程最大中误差为±2mm，即测量值与真值的离散区间为±2mm。下面是控制各变量，数据的变化情况。也就是通过误差传播后，由全站仪数据采集时的偶然误差、系统误差反映到最后结果（即后视点到观测点之间的高差）的情况。表3-1-1控制不同变量下测量中误差的离散分布情况竖直角或天顶距（）仪器测角精度（m）仪器与测量点间的距离（d）仪器测距精度（固定误差和比例误差）方差垂直位移标准差（中误差）两点间高差中误差单位度（°）秒（）米（m）米（m）毫米方（mm²）毫米（mm）毫米（mm）采用测角精度2级的仪器，免棱镜模式，测距控制在1

15、00m内。0 2 50.000 0.0020 0.2350 0.48 0.34 10 2 50.000 0.0020 1.3493 1.16 0.82 20 2 50.000 0.0020 3.3730 1.84 1.30 30 2 50.000 0.0020 3.9104 1.98 1.40 40 2 50.000 0.0020 2.3253 1.52 1.08 50 2 50.000 0.0020 0.4942 0.70 0.50 60 2 50.000 0.0020 0.5848 0.76 0.54 70 2 50.000 0.0020 2.4899 1.58 1.12 80 2 50.

16、000 0.0020 3.9541 1.99 1.41 90 2 50.000 0.0020 3.2441 1.80 1.27 采用测角精度1级的仪器，免棱镜模式，测距控制在150m内。0 1 150.000 0.0020 0.5288 0.73 0.51 10 1 150.000 0.0020 1.5562 1.25 0.88 20 1 150.000 0.0020 3.4219 1.85 1.31 30 1 150.000 0.0020 3.9174 1.98 1.40 40 1 150.000 0.0020 2.4560 1.57 1.11 50 1 150.000 0.0020 0.7

17、678 0.88 0.62 60 1 150.000 0.0020 0.8514 0.92 0.65 70 1 150.000 0.0020 2.6077 1.61 1.14 80 1 150.000 0.0020 3.9577 1.99 1.41 90 1 150.000 0.0020 3.3031 1.82 1.29 采用测角精度1级的仪器，使用专用反光片，测距控制在100m内。0 1 100.000 0.0015 0.2350 0.48 0.34 10 1 100.000 0.0015 0.8314 0.91 0.64 20 1 100.000 0.0015 1.9144 1.38 0.

18、98 30 1 100.000 0.0015 2.2021 1.48 1.05 40 1 100.000 0.0015 1.3537 1.16 0.82 50 1 100.000 0.0015 0.3738 0.61 0.43 60 1 100.000 0.0015 0.4223 0.65 0.46 70 1 100.000 0.0015 1.4418 1.20 0.85 80 1 100.000 0.0015 2.2254 1.49 1.05 90 1 100.000 0.0015 1.8455 1.36 0.96 采用测角精度1级的仪器，使用专用反光片，测距控制在50m内。0 1 50.0

19、00 0.0010 0.0588 0.24 0.17 10 1 50.000 0.0010 0.3373 0.58 0.41 20 1 50.000 0.0010 0.8433 0.92 0.65 30 1 50.000 0.0010 0.9776 0.99 0.70 40 1 50.000 0.0010 0.5813 0.76 0.54 50 1 50.000 0.0010 0.1236 0.35 0.25 60 1 50.000 0.0010 0.1462 0.38 0.27 70 1 50.000 0.0010 0.6225 0.79 0.56 80 1 50.000 0.0010 0.

20、9885 0.99 0.70 90 1 50.000 0.0010 0.8110 0.90 0.64 由表可知，在使用测角精度为2级的仪器时，测量出的最后结果中误差大都在±1mm以上，这也是非接触监控量测工作一定要用1级的原因之一。在使用测角精度为1级的仪器时，与测距距离和使用的测距模式有很大的关系。当使用免棱镜（NP模式）时，中误差一般都在±1mm左右；但当使用全站仪占用反光片时，测量精度大大提高。通过大量的理论模拟计算，我们得出了这样一个结论：即当使用测角精度为1的全站仪，并配合使用专用的反光片时（测距精度可达1mm+1.5ppm），切把测距控制在50m（即后视点与观测

21、点相距100米）时，测量精度可控制在±1mm以内，即可满足现行施工规范要求并满足工程测量规范（GB50026-2007）“第十章变形监测”表10.1.3中，关于垂直位移监测三等的要求。3.2 关于dsd的讨论在水平收敛观测中，最终采集的数据应为测线两观测点间的斜距。原理与拱顶沉降观测大致相同。如图3-2-1所示， （式3-2-1）图3-2-1 水平收敛量测 又可得，（式3-2-2）与（式3-1-1）相对比，情况与dVD相同。故不在多述。3.3关于外界因素对观测精度影响的讨论外界环境因素：由于隧道内空气对流较弱，施工中产生的大量尘埃、烟雾和水汽，无法及时排出洞外而悬浮于空气中，造成目标

22、成像不够稳定、清晰，引起监测误差，但可采用多次照准取均值的方法来削弱其影响。温度、气压和湿度的变化对监测结果也会产生一定的影响，但隧道内的温度、气压和湿度均比较稳定，变化缓慢，因此，在一次观测过程中，只需每次测量前在全站仪上对温度、气压和湿度进行改正即可，无需实时修正。仪器因素：由于仪器施测前经过了严格的检验和校正，仪器本身的误差已大为减弱，加之隧道围岩收敛监测主要考虑各监测点间的相对位置关系变化，因此，测量仪器的系统误差可在两次监测的位移值计算中得以大部分的消减。3.4关于仪器选择上的几点建议： 根据上文对理论数据的模拟计算，和对免棱镜全站仪的各种要求，下面介绍几种可供选择的全站仪。徕卡TP

23、S系列，瑞士徕卡公司在2004年推出长测距免棱镜仪器的经典系列。采用脉冲激光测距，在视线良好的条件下，免棱镜测距可达1100米。全站仪的特点的红外线测距是与望远镜同轴的，在跟踪作业模式下，测量速度会更高。国内正常报价在20万左右。拓普康GPT-3000LN系列，2005年日本拓普康公司推出的3002LN全站仪，采用激光免棱镜测距，在视线良好的条件下，免棱镜距可达400500米。有双光学系统在无棱镜模式下是窄光束测量，能确保瞄准点正好是被测点。另外一种就是有棱镜模式下的宽光束测量，即使在热闪烁条件下，长距离测量时该光束仍很稳定，因此可提供精密测量任务。徕卡TS系列，TS09版以上均为1级仪器，采

24、用高性能CPU（533MHZ），比TPS快一倍以上，已丰富的解决方案、快速的通讯连接、间接的操作面板、便捷的数据交换著称。国内报价TS09城市版1power模式为13万左右，TS11为16万左右，TS15为24万左右（带自动测量马达）。徕卡TCRA2003，称为测量机器人，世界上精度最高的全站仪（测角精度0.5），国内报 价40万以上。4. 工程实例我单位在重庆万达高速公路隧道施工监控量测项目上采用非接触测量，并采购仪器，通过以上的分析和计算，最终决定采用TS09城市版1power这款仪器。仪器具有稳定性好，性价比高的特点。在仪器精度达到要求的同时，现场的点位布设也要规范，并使用专用反光片。现将仪器通过对边测量模式对现场数据采集以及分析情况展示如下，可供参考。以下图表分别是重庆万达高速公路项目某隧道点位布设的展示以及数据采集后速率和累计值生成的图表，并做了回归分析。图表4 万达高速公路隧道监控量测现场及数据展示图4-1 采用徕卡专反光片的标准点位布设图图4-2点位标准布设断面图4-3 万达高速某隧道拱顶沉降累计图图4-4 万达高速某隧道拱顶沉降速率图图4-5 万达高速某隧道周边收敛累计图4-6 万达高速某隧道周边收敛速率图通过上表，我们不难发现，仪器采集的数据可用