全站仪在隧道围岩收敛非接触监测的应用

1、清华大学毕业设计全站仪在隧道围岩收敛非接触监测的应用学生姓名*系（部）勘测工程系专 业 工程测量技术指导教师*二零一二年五月八日摘要近年来，特长隧道、大跨度隧道日益增多，施工方法多变，这给隧道周边位移量测带来 了不同程度的困难，并对位移量测方法和精度提出更高的要求。传统的接触量测主要是以相 对位移指标进行控制，其对大跨隧道量测的精度、难度加大，同时其量测数据无法正确反映 隧道的偏压变形、整体下沉的状态。为了克服隧道传统接触式量测方法的缺点，文章通过六 武高速公路安徽段隧道工程监控量测的实例，详细介绍了全站仪非接触量测的应用方法。关键词 隧道工程；非接触量测；全站仪；监控量测；拱顶沉降；自由测站

2、；净空水平 收敛目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第一章概论1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 第二章测点布设及埋设3 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 第三章全站仪自由测站非接触监测原理4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 第一节三角高程法沉降测量原理4 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 第二节 全站仪自由测站

3、原理5 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第四章全站仪非接触量测精度试验研究7 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 第一节观测误差来源7 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 第二节观测试验及其精度情况9 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 第三节 与常规接触量测的对比分析试验9结语13感谢语14参考文献15第一章概论随着我国轨道交通的迅猛发展，隧道工程施工越来越普遍。在隧道开挖完成初期，洞体 周边围岩不

4、可避免地会产生变形，且其变形量的大小和速率对施工进度、效率和安全有直接 影响。工程监测的首要目的是掌握工程变形体的实际形状，为判断其是否安全提供必要的信 息，这是因为保证工程建设项目安全是一个十分重要且很现实的一个问题。对于上述专业的测量仪器或工具对围岩的变形进行监测是重中之重隧道监控测量，其主要 的监测项目是拱顶下沉和净空变化。为确保隧道施工的安全和确定合理的二衬施工时间，拱 顶下沉和净空变化的变形监测工作是各类隧道施工中的必测项目。传统的隧道监控量测方法，周边位移一般采用钢尺式收敛计进行观测，拱顶下沉一般采 用水准仪、水平仪、钢尺或测杆进行观测。虽然该方法具有成本低、操作简单和适应恶劣施

5、工环境的优点，但在隧道现场实施过程中存在以下问题：监控量测工作难度大，由于隧道高度大，拱脚部位的收敛往往无法量测，拱顶挂尺 也非常困难；，接触量测几乎不可能，即使勉强能够实施，量测精度也差，而这些段落往往是 施工最危险段落。量测时间长，施工干扰大，虽然监控量测已作为一道工序被安排在施工组织设计中， 但还是希望时间越短越好；隧道进入中间段后，通风问题、照明问题、洞内不平整及积水问题往往成为制约监 控量测工作的重要因素。对于大断面隧道，如紧急停车带随着人类社会的进步和经济建设的迅速发展，加快 了工程建设的进程。我国轨道交通也迅猛发展起来，隧道工程施工越来越普遍。一般无法进行三维观测，当要了解隧道周

6、边点的三维变化时，上述传统方法显有不 足之处。三角高程法测量隧道拱顶及地表的沉降，该方法的精度满足施工监测的要求。应用表明 该方法具有快速、效、靠的优点。测得的结果能较好地反映出施工过程中围岩及土体的基本 变形趋势以及受施工等因素影响而产生的异常变化，可以为现场施工安排及支护结构的稳定 性评价提供可靠的依据。科学、准确、及时的分析和预报工程建筑物的变形状况，对工程项目的施工和运营管理 都极为重要，这一工作也属于变形监测的范畴。变形监测出了作为判断其安全与否而外，还 是验证设计检验施工安全的重要手段，它为工程主体的安全性诊断提供必要的信息，以便及 时发现并采取补救措施，最终保障工程项目的安全实施

7、。重庆轨道交通六号线天生站为了解决常规监控量测中存在的问题，笔者在隧道的监控量 测中，应用研究了全站仪自由设站的非接触量测技术方法。获得了相应的施压数据和研究结 论，并认为这是一种切实可行的隧道围岩收敛变形监测新办法。第二章测点布设及埋设根据有关规范和施工要求，按照围岩级别、开挖方法等的不同，先确定隧道监控量测断 面的位置及其间距，以及每个监测断面的测点布设形式。如图1所示，图中A、B、C、E、 F、G为净空水平收敛测点，D为拱顶下沉测点。拱顶下沉测点及净空水平收敛测点应布设 在同一断面，测点应尽量对称布设，即“同面等高”以便真实全面地反映断面收敛的变形情 况及监测数据的相互验证。在测点布设处

8、，可采用锚杆焊接小钢板，再在其表面粘贴反射膜片，以此作为测点标靶。 将测点标靶埋入围岩，使贴有反射膜片一面的小钢板朝向隧道出口，并尽量使其面向隧道中 线，以保证测量时全站仪能够精确照准反射膜片和接收到最强的反射信号。图1某监测断面的测点布设示意图第三章全站仪自由测站非接触监测原理由于隧道开挖，破坏了周边围岩的应力分布、整体力学形态及其稳定状态，造成洞体不 可避免地发生变形，且变形是多方位、动态和非线性的。通过分析洞体变形的规律，可将其 分为由重力引起的拱顶下沉、侧向挤压造成的拱墙收缩和隧底隆起，其形变方向如图1中箭 头所示。这里只介绍拱顶下沉和拱墙收缩的监测新方法，而隧底隆起的监测，则可采用传

9、统 水准测量的方法进行。所谓非接触监测是指在不接触被测目标点的情况下，获取被测点的空间位移信息的方法 1。下面将分别介绍非接触监测技术中的全站仪三角高程法和全站仪自由测站法在隧道拱顶 沉降监测，水平围岩收敛监测中的应用。第一节三角高程法沉降测量原理采用全站仪三角高程法测量拱顶沉降的原理如图2所示。图中B点为围岩上的拱顶沉 降点；A点为设置于隧洞内地面的工作基准点；全站仪设置在I点。全施工过程中根据掘进 进度在隧道拱顶测点B处安装具有固定反射标志的测点装置，反射标志中心距离测点垂直距 离为V2 ;工作基准点A由安装于隧道底部围岩的水准点构成，工作基点成组布置，每组三个 点，以此互相校核高程，测量

10、期间定期根据隧道外部所设置的水准基准点采用二等水准方法 对隧道内部的工作基点高程HA进行校核。测量时在工作基点A上放置工作觇标，工作觇 标反射点中心距离觇标底部垂直距离为V。每次测量时全站仪采取位置相对固定的自由设站 法，在有预设标志的位置架设仪器。图2全站仪三角高程法测量沉降原理示意图测量时由全站仪测出仪器至A点距离S 1及垂直角a 1，至 B点距离S 2及垂直角a 2, 并以此计算出A点及B点发射标志的相对高程 h 1及 h2,并以此计算出测点B相对于工 作基点A的相对高差 hAB，以及B点高程H B。 TOC o 1-5 h z h = h + V - h + V(1)AB 2211HB

11、 = HA + hAB( 2)测量实施过程中B点为固定反射装置，故V2在每次测量时都为定值。在每次测量时都 采用同一工作觇标置于A点，因此V 1也为定值。根据式(1)及式(2)， B点的高程相对 于初次测量值的变化即拱顶沉降h为 h = h - h -( h - h ) + H( 3)02012i1iA HA= HA- Ha( 4)式中： h、 h分别为初次测量时A点及B点相对仪器的高差；h2、h1分别为第i次 测量时A点及B点相对仪器的高差。 HA为工作基点的高程变化，根据定期高程校核的结 果得出。由此可以看出，B点高程变化的测量精度与仪器架设高度及觇标高度无关，而只与仪器 的测距及测距误差

12、相关。第二节全站仪自由测站原理全站仪自由测站是指将全站仪置于适当位置，在置镜后的任意站心坐标系下，直接对被 测目标点进行观测，获取其空间位置信息的方法。因此，基于全站仪自由测站的隧道围岩收 敛非接触监测的原理为：在监控量测中，将全站仪置于隧道中线附近的适当位置，采用极坐 标测量的方法，直接对不同断面上的各监测点标志进行观测，获取各监测点在任意站心坐标 系下的空间三维坐标，再利用各监测点的空间三维坐标，间接计算得到同一断面上各监测点 间的相对位置关系，并通过比较不同监测周期相同监测点间的相对位置关系的差异，来真实 反映隧道施工期间的围岩净空收敛变化量(见图2)。图3全站仪自由测站非接触监测示意如

13、图1所示，设B、F两点的空间三维坐标分别为(XbYbZ)、(XF YfZ),则净空 水平收敛测线BF本期量测长度为：BF =姨(X -X )2 + (Y -Y )2 + (Z -Z )2 (1) B FB FB F同理可得，其他净空水平收敛测线本期量测长度为：AG =姨(X -X )2 + (Y -Y )2 + (Z -Z )2(2)A GA GA G设第i期净空水平收敛测线长度值为AGBFCE.,第i+1期净空水平收敛测线长度 值为AG. +1、BFi +1、CEi+1,则相邻两期净空水平收敛的变化量分别为 (AG - AG +1 )、(BF - BF +1 )和(CF - CF +1 )。

14、如遇特殊地段，根据相关规范要求， iii ii i应计算斜测线的变化量，其计算方法与净空水平收敛测线相同第四章全站仪非接触量测精度试验研究全站仪进行隧道洞周收敛非接触量测精度是测量人员重点关注的问题，为检验全站仪进 行非接触量测的精度指标，进行非接触量测的精度模拟实验，实验采用的全站仪是瑞士徕卡 TCA1202，其具有角度测量、距离测量、马达驱动和自动目标识别与照准（ATR）等功能。隧 道的三维位移和收敛量测的精度试验分析，得出以下结论：第一节观测误差来源一全站仪测站因素1、在全站仪三角高程拱顶沉降监测中不考虑地球曲率与大气折光对三角高程的影响时， 若设全站仪在测量中的测距及测角误差分别为ms

15、及ma，则全站仪三角高程法测量拱顶沉 降的中误差mh为式中根号内第一项为不考虑球气差影响时测距误差对高差精度的影响，该 项会随垂直角而增大；根号内第二项为不考虑球气差时测角误差对高差精度的影响，该项会 随测距增大。式中p取值为206265。在隧道拱顶沉降测量时，边长一般在20 m50m范围内；观测拱顶测点时的垂直角（前 视角）一般在1020范围；观测工作基点时的垂直角（后视角）一般在15范围。 取前后视边长S 1 = S 2 = 50 m （拱顶沉降），在使用测角精度ms = 2，测距精度ma = （2mm + 2 pp m）的全站仪时，根据（5）式计算得到的中误差值如表1所示。测距50 m拱

16、顶沉降测里）后视垂直角i: Jr却亍前视垂直角（宅）.，1QP河牛1伊J中误差 flt* (mm) .jj.,却.砂，却.0. 70 ,测距100 m地耒沉睦弧里）q后视垂直角（1=1=户jc前视垂直角（az）.,1020虾2g中误差=1.0ft1.081.01 .= 1.09.,表1不同垂直角组合的中误差值表1数据表明，用上述方法进行拱顶高程测量时，测量中误差会随观测垂直角增大而增 大，同时误差也会随着测距增加。在可能的最大垂直角组合下，拱顶观测中误差最大值为土0. 72 mm。在岩土工程的变形测量中，一般要求测量中误差小于变形量的1/ 101/ 20。在隧道开挖 过程中，围岩的变形一般在1

17、0 mm100 mm范围内。因此上述全站仪三角高程测量方法的 精度基本满足此类工程变形监测的要求。2、全站仪自由测站非接触监测法，虽不严格要求同一断面上各监测点所构成的图形为轴 对称，但要求各监测点布设在同一铅垂面内，且洞壁两侧相对的监测点必须为水平，即“同 面等高”；否则其计算模型将不严谨，并引起量测误差。由于照准误差和量测距离的影响，不同测点的三个坐标轴方向的量测精度不同， 但都相差不大，统一表现为X，Z方向的误差较小，Y方向的误差较大。 在后视点与测点的距离50m和100m的情况下，跨度为12m，15m和20m的 X方向的量测精度在0.10.8mm，Z方向的量测精度在0.20.9mm，Y

18、方向的量测精度在 0.71mm之间，由此可知，全站仪非接触三维位移量测精度X，Z方向的精度较高，其量 值保持在0.9mm以内，能够满足隧道位移监控量测的要求，Y精度较低，其值约1mm以 内，但对于围岩条件差(例如断层、破碎带、软弱夹层)，围岩级别低(例如土质隧道，软 岩)的隧道，隧道开挖后其围岩和支护结构变形较大，所以采用全站仪非接触三维位移量测 其方法可行。试验得知，反射膜片与全站仪视准轴水平夹角对全站仪量测的精度影响见图3， 即反射膜片与视准轴水平夹角为90时，三维坐标量测精度最高，当随着水平角度的减小量 测中误差增大；当反射膜片与全站仪视准轴水平夹角大于45时，对全站仪量测精度影响较 小

19、。反射膜片与全站仪视准轴竖直夹角对全站仪量测精度影响见图4,即当反射膜片与全站 仪视准轴竖直夹角为90时，三维坐标量测精度最高，随着竖直角度的减小量测中误差增大； 当反射膜片与全站仪轴线竖直夹角大于45时，对全站仪量测精度影响较小。Q01 $ M 459 我 W，加M仍图3膜片与视准轴水平夹角影响精度图二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

20、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。三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。第二节观测试验及其精度情况为了验证全站仪自由测站非接触监测法的可行性、正确性及精度情况，在某隧道二衬上 布设了如图1所示的一组断面收敛变形监测点，并进行了多期监测，得到了如表1所示的 试验数据。由于所选隧道已进行了二衬支护施工，且第5期观测试验是在短时间内完成的，因此该 断面净空已不再可能发生变形，所

21、以上述量测数据的变化，应该能够反映这种监控量测新方 法的精度情况。从表1可以看出，水平测线量测数据的最大差值为0.6mm、斜测线量测数 据的最大差值为0.9mm、拱顶下沉量测数据的最大差值为0.9mm，均小于1mm的量测精 度要求。因此，全站仪自由测站非接触监测法不仅能够及时监测到围岩的微小形变，而且计 算模型简单，量测结果可靠，方便实用。第三节与常规接触量测的对比分析试验为进一步检验全站仪位移非接触量测方式的可靠性，将全站仪位移非接触量测方式与传 统的隧道收敛计和水准仪量测值进行对比分析试验，检验位移非接触量测方式的可靠性。选 择六武高速公路旺竹园I号作为实验段，同时选择YK35+990断面

22、作为检验全站仪非接触量 测的可靠性研究实验断面，此段为五级围岩，采用台阶法开挖的施工形式，监控量测仪器采 用普通的隧道收敛计和水准仪接触量测的方法。根据 公路隧道施工技术规范中监控量 测量测部位和测点的布置原则，传统的周边位移测点、拱顶下沉测点应尽量布置在同一断面 上，同理全站仪非接触移量测的测点也应该在同一断面上，根据实验的需要，两种量测方法 的测点应该布置在同一位置处，由于此断面为台阶法开挖，断面测点与测线的布置形式如图6 所示，可先埋设GD测点、GJ1号、GJ2号三个测点，首先对GD测点和水平测线SL1进 行量测，当下台阶开挖到相应的监测断面时，再埋设BQ1号、BQ2号测桩，对下部SL2

23、水 平测线进行量测。图6 YK35+990实验断面测点布置形式现场测点预埋件埋设时，保证常规收敛计和水准仪量测的测点预埋件与全站仪非接触量 测测点的预埋件埋设在同一位置处，将两种不同形式的预埋件焊接在钢拱架上，并确保焊接牢固。常规接触量测试验的洞周水平收敛和拱顶下沉位移时程散点图，见图7和图8。7 7 7 1 I K K K t 4 I K H H R * K | 44 M 941 44JHi ihi m)j jini jjiHHUnnnj nn Jnni 喊村潮 1 2 4 b K用罪少 I J 9 ? tllJ1MTH21mHllHHI II HlllJinillHHlIIIEllHHnj

24、rHIHHillinHrt-Ai图7 YK35+990水平收敛时程曲线图U JJII M II H IJ J MJ fj JJ J| h 11IJ JI 1 f| n JJ o )| IJ | IJIJ Jj J| JJ :UUll : 4 | IQI214161 20222424 If TO 1 *7 V|tlL|3l?ihHH IHI H II II H IHIHIMI till IIII Fl 11 H Illi IE H EtlHI IF HH A图8 YK35+990断面拱顶下沉时程曲线图图7可知，水平收敛累积值随着时间的增加而增加，最终水平收敛累积值达15.19mm， 分析量测前期

25、曲线波动较大的原因可能由于量测误差造成；图8拱顶下沉累积值随着时间的 增加而增加，最终拱顶下沉积值达23.6mm，图中曲线波动较大是由量测误差引起。全站仪自由设站非接触量测的试验数据，绘出洞周水平收敛和拱顶下沉位移时程散点图。WT 2 4 h H| i图9全站仪量测YK35+990水平收敛曲线图9表明此断面的水平收敛累积值随着时间的增加而增加，最终水平收敛累积值达16.03mm，时程曲线波动较小；图10表明拱顶下沉累积值随着时间的增加而增加，最终下 沉累积值达24.76mm，其时程曲线波动较小。图10全站仪量测YK35+990拱顶下沉曲线综上量测试验结果，在相同量测断面以及相同测点的情况下，采

26、用普通接触量测和全站 仪非接触量测，水准仪量测的拱顶下沉累计值约为23.6mm，全站仪量测的拱顶下沉值 累计值约为24.76mm，两者差约为1.16mm，差值仅为水准仪量测的4.9%；收敛 计量测的水平收敛累计值约为15.19mm，全站仪量测的水平收敛累计值约为16.03mm，两者 相差约为5.5%，根据量测数据对比分析可知，二者量测结果相差不大，但全站仪自由设站非 接触量测的精度应该更可靠，其主要原因是减少挂尺或立尺引起的误差、减少跨度和温度对 量测误差的影响和减少施工干扰引起的误差。结语在隧道施工中采用全站仪自由设站法进行监控量测，可减少大跨度隧道施工中位移量测 的困难，并可解决传统的接触

27、量测中量测数据无法正确反映隧道的偏压变形、整体下沉的状 态，并且其设站灵活、施工干扰小，量测精度高。全站仪自由设站法的非接触量测的后视点 是否稳定对设站点的坐标量测精度和测点的坐标量测精度影响甚大，可将后视点布置在二次 衬砌周边，并确保后视点与测点间通视，现场量测人员和施工人员应加强对后视点保护，确 保后视点的稳定。测点的预埋件制作须依据反射膜片的尺寸能满足安设反射膜片，反射膜片 粘贴前应将预埋件粘贴处清理干净，反射膜片安装后，施工和监测人员应注意保护反射片， 防止喷射混凝土覆盖其表面，反射膜片尺寸可采用20mm X 20mm或40mm X 40mm，条件允 许情况下，可尽量增加反射膜片的尺寸，以提高照准精度。全站仪量测精度应满足1mm的 测试精度，条件允许情况下，尽量选择测试精度较高的全站仪。全站仪自由设站量测时应满 足如下要求：隧道内粉尘浓度应控制在2mg/m3以下，减小粉尘浓度以提高可视距离。测站距反射膜片的距离D应控制在100m以内。受隧道施工影响，为提高工作效率，同一测试断面设站次数可控制在2次以内。一次设站无法位移量测时，可进行转站量测，但转站次数不能超过3次。受隧道内量测环境影响，自动搜索