青岛地铁3号线某区间隧道拱顶沉降测量方法选择与精度分析

王军，李鹏

(青岛市勘察测绘研究院，山东青岛 266032)

1 引言

近年来，城市地铁建设如火如荼的进行，隧道变形监测的重要性也越来越显现。而国内外现有的文献资料中有关隧道拱顶沉降监测方法的介绍和分析仍不太完善，本文结合青岛地铁3号线某区间隧道监测工程，研讨拱顶沉降的测量方法、精度和注意事项，以备不同地质条件下不同支护结构隧道工程对于拱顶沉降监测方法的选择。

2 测量方法简述

2.1 监测点要求和注意事项

目前青岛市地铁的拱顶沉降测点一般都是直接焊接在钢格栅上，以钢格栅的沉降来代替拱顶土体的沉降，造成了拱顶沉降测量的不准确。用钢格栅的沉降代替土体的沉降造成的测量误差主要是由于钢格栅与土体之间一般存在40 mm～80 mm的超挖空隙。当拱顶上方土体沉降至钢格栅处后，钢格栅才随土体一同沉降，显而易见，钢格栅的沉降要落后于土体沉降一段时间，即使在钢格栅架设后，立即在超挖空隙中进行回填注浆，浆液的固结仍需时间，所以这种直接用钢格栅沉降代替拱顶土体沉降的方法仍然是不准确的。正确的做法应该是用套管将测杆直接插入拱顶土体中，才能测量到拱顶上方土体的真实沉降。测点的大小要适中，如过小，测量时不易找到，如过大，爆破时易被打坏。支护结构施工时要注意保护测点，一旦发现测点被掩埋，要尽快重新设置，以保证观测数据的连续性。

2.2 方法分类

拱顶沉降的接触测量方法大致有三种:

(1)精密水准仪配合因瓦挂尺(挂钩塔尺)法，

(2)精密水准仪悬挂钢尺法，

(3)精密水准仪倒尺测量。

拱顶沉降的非接触测量方法目前多采用全站仪结合反光片靶标法。

3 接触测量实践与精度分析

3.1 接触测量实践

本区间隧道Ⅱ～Ⅴ围岩段，初期支护以岩石喷锚支护为主，锚杆采用全长粘结型砂浆锚杆，Ⅳ～Ⅴ级围岩段中加设格栅钢架，洞身设超前小导管作为辅助施工措施，实施钻爆施工。若采用非接触测量方法，所设反光片标靶容易被爆破飞石破坏。若使用精密水准仪倒尺测量，则由于该隧道洞高＞5 m，超出水准尺长度所及，故无法量测。若使用悬挂钢尺法，利用钢尺自重来保证尺面与地面垂直，待外业完毕以后，在数据处理环节进行钢尺温度修正，测量精度可满足工程要求，但鉴于洞高限制，悬挂及摘取钢尺的环节又使测量效率较低。因此该段采用了精密水准仪配合因瓦挂尺法，在塔尺的顶端做挂钩，加工成挂钩塔尺，尺长5 m，可轻松悬挂和摘除，使得该方法方便、实用、高效。在测量过程中，为提高测量精度，减少测站数，可在距离监测点较近的位置设基准点，随隧道开挖推进和拱顶沉降点跟进，基准点随之跟进。如图1所示，拱顶点高程计算公式为:

图1 拱顶沉降接触测量方法示意图

拱顶沉降监测中采用水准仪为DSZ2，每千米往返测高差中误差≤0.5 mm，实际测量中，测定沉降点的测站数≤2，视距≤30 m，所以每千米路线长度上的测站数为:

各测站单向测量高程中误差为:

拱顶沉降点测量高程中误差为:

3.2 实测数据分析

图2为本区间隧道Ⅲ类围岩段拱顶沉降点GC50－01、GC49－02、GC51－01 一段时间内的累积变量－时间曲线，由上文所述，该测量方法满足三等水准精度要求，可应用于隧道拱顶沉降的测量。

图2 青岛地铁某区间拱顶点累积变量－时间曲线

4 非接触测量实践与精度分析

4.1 非接触测量实践

本区间隧道Ⅵ围岩段，地下水丰富，采用水平旋喷桩止水，施做小导管和超前深孔预注浆，预先加固掌子面前方岩土层，并填充土层空隙，封堵地下水，从而保证施工的安全性。该段不采用钻爆施工，反光片靶标不易被破坏，所以采用全站仪配合反光片靶标的三角高程测量方法。在一侧边墙稳定处设立基准点，拱顶埋设拱顶点并粘贴反光片靶标，如图3所示。

由于观测距离较近，可忽略球气差的影响。测量精度计算方法如下:

图3 全站仪测量拱顶沉降示意图

式中，SOB为 O、B两点间斜距，SOA为 O、A两点间斜距;Ma、Mb分别为∠a、∠b的测角中误差。

拱顶沉降监测中采用全站仪标称精度Mα=2″，MD=2+2ppm。由于该项测量一般情况下后视基准点高度角不大于10°，前视监测点高度角不大于20°，边长不超过 50 m。所以取 Ma=Mb=2″、MD=2 mm，假定SOA=SOB，根据式(1)，可得精度计算值如表1所示。

可知，该方法测量拱顶沉降时，测量中误差会随观测垂直角的增大而增大，同时中误差也会随着测距增加。在等距离和等角度的对比中，我们易知，测角精度对于拱顶沉降精度的影响要比测距精度影响大，因此在测量中，测量人员严格做好整平、瞄准工作是至关重要的。由表1我们可得到在最不利组合条件下两测回拱顶点高程中误差为±0.72 mm，可满足隧道拱顶沉降测量的精度要求。

不同高度角组合的监测拱顶沉降中误差计算值 表1

4.2 实测数据举例分析

图4为本区间隧道Ⅵ围岩段拱顶沉降点GC02－01、GC04－01一段时间内的累积变量－时间曲线，采用方法为全站仪配合反光片标靶，每次设站位置与该点大致距离 ＜40 m，后视高度角＜1°，前视高度角＜10°，两次测量。如表1中所示，两次测量测点高程中误差≤0.46 mm。满足三等水准精度要求，该测量方法可应用于隧道拱顶沉降的测量。

图4 青岛地铁某区间拱顶点累积变量－时间曲线

5 结语

精密水准仪配合因瓦挂尺(挂钩塔尺)法，在实践中，方便快捷，尤其适用于钻爆开挖的隧道工程。对于洞高超出水准尺所及的隧道，相对于原始的倒尺测量和悬挂钢尺的方法，该方法可以高效、便捷地获得可靠测量结果，具有较高的实用性。

在本区间隧道Ⅵ围岩段采用全站仪三角高程方法测量拱顶沉降，理论与实践证明该方法满足拱顶沉降监测的精度要求。应用表明该方法具有快速、高效、可靠的优点，测量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。

［1］王庭，刘维宁，何海建.城市地铁开挖引起地表沉降的原因分析和量测问题探讨［J］.土木工程学报，2000，4:47～50

［2］熊飞，王耀辉，唐新建.基于全站仪的隧道拱顶沉降测量方法研究［C］.城市勘测信息化，湖北省测量学会，2008.32(2)

［3］金彪，吴北平，李艳芳.曲线拟合与自回归模型在地铁变形监测中的运用［J］.地矿测绘，2009，25(1):35～7

［4］李冰.全站仪在三角高程传递中的主要误差与精度分析［J］.福建建设科技，2007，5

［5］张煜，赵玉龙，刘建洪.隧道施工现场监控量测数据的回归分析研究［A］.道路与桥隧技术［C］.北京:原子能出版社，2005:311～315

［6］康勇，李晓红，靳晓光等.鹧鸪山隧道东口段监控量测数据处理及其工程应用［A］.2003年全国公路隧道学术会议论文集［C］.北京:人民交通出版社，2003:342～347