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1QJ-85型球铰弹簧式最小读数0.01mm,量测精度土0.06mm2G-85型柱销弹簧式最小读数0.01mm,量测精度土0.05mm3SWJ型重锤式最小读数0.01mm,量测精度土(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，测点位臵又相对固定。尼龙绳导向环发展变法量液使用彳道科I头用过滑套环胡尼龙绳导向环发展变法量液使用彳道科I头用过滑套环胡钢尺或收敛文◎ 申/图6・4拱部变形观测图CA.如|[-&n-4*匚口匸I-1>-/.n、IJ2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。量测前准备仪器设备徕卡TCRA1101全站仪一台；反射膜片(贴片)，选用Lecai尺寸为4x4cm贴片若干片；机载Deformation软件及围岩收敛分析后处理软件。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臵及间距，以及每个断面的基线布臵形式。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臵贴片位臵的岩面，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(12x6m)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。仪器安臵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、YH）0.1mm。对应量测规范精度要求的仪器参数设置：TOC\o"1-5"\h\zAD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秒角指标差限差 30秒Ai指标差互差限差 10秒测回数 6个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O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、丫、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（AutomaticTargetRecognition）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：在丫K112+615处左侧设置仪器，并选择目标点后准备量测，启动仪器LEFTMEASURE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丫K112+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因该隧道目前开挖的围岩基本在III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。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X天。”，为支护提供参数。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XYH1346.1149496.273018.50238.2044-2.0156-0.9563346.2233486.062438.43638.1800-1.98260.57280.0127472.525728.70408.31840.00352.561912.4356586.212458.64638.41661.90180.549412.5448896.310908.68018.40591.9273-0.98551346.1149896.273148.50168.2037-2.0155-0.95631166.11331263.321808.5054-8.20722.0170-0.95725192.54348263.283668.6782-8.4041-1.9263-0.9859192.43456273.382458.6443-8.4148-1.90090.54883180.01154287.065128.7046-8.3192-0.00302.5616166.22215273.533118.4395-8.18301.98380.57281166.11312263.321818.5054-8.20712.0171-0.9572End,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H16日07：58测点18.2044-2.0156-0.956326日07：58测点38.31840.00352.56196日07：58测点1-8.20722.0170-0.95726日07：58测点3-8.3192-0.00302.56166日07：58测点18.2039-2.0157-0.95626日07：58测点38.31840.00332.56196日07：58测点1-8.20732.0169-0.95716日07：58测点3-8.3193-0.00302.56166日07：58测点18.2036-2.0158-0.95616日07：58测点38.31820.00332.56206日07：58测点1-8.20732.0171-0.95726日07：58测点3-8.3193-0.00292.56166日16：18测点18.4435-2.0222-0.95186日16：18测点38.4722-0.00022.56656日16：18测点1-8.44662.0233-0.95276日16：18测点3-8.47260.00052.56616日16：18测点18.4430-2.0222-0.95186日16：18测点38.4719-0.00012.56656日16：18测点1-8.44652.0234-0.95276日16：18测点3-8.47270.00062.56626日16：18测点18.4434-2.0222-0.95186日16：18测点38.4722-0.00022.56656日16：18测点1-8.44622.0233-0.95276日16：18测点3-8.47210.00052.56607日01：25测点18.4435-2.0223-0.95187日01：25测点38.4721-0.00042.56657日01：25测点1-8.44652.0236-0.95297日01：25测点3-8.47260.00062.56617日01：25测点18.4434-2.0224-0.95187日01：25测点38.4722-0.00022.56657日01：25测点1-8.44632.0236-0.95287日01：25测点3-8.47250.00072.56627日01：25测点18.4435-2.0224-0.95177日01：25测点38.4722-0.00032.56657日01：25测点1-8.44682.0237-0.95277日01：25测点3-8.47250.00062.5661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：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。=axbt其中a=0.026,b=12.284总误差Q=0.0001回归方程标准差为o=(Q/(n-k))0.5对于给定的to,当置信度为95%时,u。的预测区间为12.284xlg(t+1)—ovu°v12.284xlg(t+1)+o1天周边收敛量：axpow(b,t)=3.815毫米对数函数：该测线稳定至少1天计算过程如下回归方程为:对数函数Uo=a+bxlg(t)其中a=0.207,b=0.135总误差Q=0.0001回归方程标准差为o=(Q/(n-k))0.5对于给定的to,当置信度为95%时,uo的预测区间为0.135xlg(t+1)-ovUov0.135xlg(t+1)+o1天周边收敛量：a+pow(b,t)=3.957毫米幂函数：该测线稳定至少1天计算过程如下回归方程为:幂函数Uo=axtb其中a=14.668,b=1.289总误差Q=0.0001