对边测量及其在隧道净空位移监测中的应用

陈军红，王炳燕

(1.新疆工程学院 土木工程学院，乌鲁木齐 830091；2.海南灵宇地理信息有限公司，海口 571138 )

随着“一带一路”倡议逐渐落实，新疆作为丝绸之路的核心区，与国内外开展经济合作日趋频繁，经济得到高速发展[1]．但据新疆维吾尔自治区人民政府发布的政府工作报告显示，基础设施滞后一直是制约新疆经济发展最大短板[2]．近年来，为弥补短板，新疆大力推进丝绸之路经济带核心区交通枢纽中心建设，加强基础设置投入力度，相继京新高速公路、兰新高铁等项目开建，众多项目涉及隧道建设广泛采用新奥法进行设计与施工，已是在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种普遍方法．

由于岩体生成条件与地质作用的复杂性，施工条件的复杂性，以及对工程设计参数的精确要求，采用新奥法必须需要通过多种量测手段，在施工过程中对围岩动态和支护结构工作状况进行动态监测．监测结果可作为施工现场分析参数和修改设计的依据，为预见事故和险情，采取措施，防患于未然起到关键性作用．

净空收敛量测是隧道监控量测中的一项重要量测内容，施工现场普遍利用全站仪自由设站对边测量(RDM)方法对隧道净空收敛量测．本文从全站仪的对边测量原理，隧道非接触净空监测方法、某工程应用等三个方面对边测量的理论、技术与应用进行系统性介绍，对工程建设与专业教学具有一定的指导意义．

1 全站仪对边测量功能

1.1 基本原理

所谓对边是指一个角对面的那条边．对边测量，是指在不搬动仪器的情况下直接测量多个目标与某一个起始点间的斜距[3]、平距和高差.其测量基本原理如图1所示.在三维空间中有任意两个目标A与B，为测定A、B间的斜距SAB、水平距离Dab、高差h，在A、B两侧点安置反光棱镜，在与A、B两点均通视的任意点O上安置全站仪，观测至A、B两点的斜距S1、S2和竖直角α1、α2以及水平角β，分别根据三角余弦定理、三角高程测量、勾股定理计算得出A、B两点的水平距离Dab、高差h、斜距SAB.具体计算公式如(1)、(2)所示．

图1 对边测量基本原理

(1)

h=S1sinα1-S2sinα2+vA-vB

(2)

式中，v1、v2分别为A、B测点的棱镜高.

1.2 操作过程

全站仪的对边测量功能，有两种测量模式选择：折线式与射线式，如图2所示.

图2 全站仪对边测量模式

以NTS391R10型全站仪为例，说明射线式的施测过程：

第1步：在距离测量模式下，单击[对边]按键，进入对边测量功能；

第2步：用笔针选择A-B,A-C(射线式)；

第3步：照准棱镜P1，单击[测距]按键，显示屏显示全站仪与棱镜P1之间的平距；

第4步：单击[继续]按键；

第5步：照准棱镜P2，单击[测距]按键；

第6步：单击[继续]按键，显示屏显示棱镜P1和棱镜B之间的平距(dHD)、高差(dVD)和斜距(dSD)；

第7步：要测定P1与P3、P4之间的距离，可分别照准棱镜P3、P4，参照上述步骤，依次单击[测距]、[继续]、[测距]等按键，则显示屏可显示棱镜P1与P3、P1与P4之间的平距(dHD)、高差(dVD)和斜距(dSD).

图3 射线式的施测过程

2 全站仪自由设站对边测量的隧道非接触净空监测方法

隧道净空，是指隧道内轮廓线所包围的空间，包括隧道建筑限界、通风及其功能所需的断面面积．隧道工程在人工钻破及TBM开挖时，隧道围岩周边各点趋向隧道中心变形，即收敛，净空收敛量测(隧道壁面两点间水平距离量测)可提供围岩动态变形程度的判断信息．

因为其具有量测结果直观，测试数据可靠、量测仪表长期稳定性好、抗外界干扰性强等优点，一直是隧道开挖过程中监控量测的首选与必测项目．其量测方法有收敛仪量测与全站仪量测两种．由于收敛计量测方法效率低，实施过程与现场施工相互干扰，一般施工企业较多使用全站仪对边测量法．为提高测量精度，该方法主要包括四个步骤[4]：

1)监测点布设：按照规范要求，将两个监测点左右对称布设在监测断面最大开挖线处，并进行保护，避免监测点在隧道施工中被影响破坏．

2)全站仪设站：一般在施工现场允许的条件下，采用自由设站方式，将全站仪架设在所要测量断面的隧道中心线处．若不允许，应该根据全站仪望远镜放大率、有效测程、距隧道监测断面与距隧道中心线的距离等参数，选择任意断面合理位置架设.比如，在两车道公路隧道，将全站仪架设在隧道监测断面40～60 m，距隧道中心线5.25 m的范围之内．[5]

3)监测点观测：设站完成后，按照规范要求，利用全站仪对边测量功能完成观测断面测线之间长度量测数据读取，并进行记录．

4)净空收敛值计算：根据测线观测值，比较不同周期同一条测线长度的变化，可反映隧道净空收敛变形情况．

3 新疆某输水隧道工程净空变化监测

3.1 工程概况

项目位于新疆，主体为输水隧洞工程，输水隧洞采用TBM与钻破法结合的施工方式，包括隧洞开挖、一次性支护、钢筋混凝土衬砌和回填、固结灌浆和1#支洞施工．1#支洞长2 596.59 m，纵坡10.4%，为直墙圆拱型断面，施工排水为逆坡．施工过程依据新奥法基本原理，通过专用仪器和巩固对围岩和支护结构受力、变形以及它们之间的关系进行观测，依据监测结果对其稳定性和安全性进行评价．净空变化监测是必测项目之一．

3.2 净空收敛量测方案设计

测点布设：根据《水利水电工程测量规范》(SL 2792002)、《水利水电工程施工测量规范》(SL 52-2015)规定，为了准确测定隧道围岩力学形态变化情况，净空变化量测应需在同一断面上进行，量测断面的间距与测点数量应根据隧道埋深、岩石级别、隧道断面大小、开挖方法、支护形式等确定，一般依据表1选用．在隧道开挖、初次衬砌完成后的24 h内，对开挖处进行监测点布设，要求各测点应距开挖面2 m的范围内尽快安设，并保证在每次开挖12 h内取得初读数，最迟不得超过24 h，且在下一循环开挖前必须完成，测点应牢固可靠，易于识别．本项目隧道岩石属于ⅢJ级，净空收敛量测测点布设如图4所示．1#支洞净空变化测点布设在线路中线位置，测点编号为A，沿里程前进方向，中线左侧点编号B、D，右侧为C、E．TBM开挖段测点布设在断面A、B、C、D处．

表1 断面间距和每断面测点数量

图4 输水隧道测点布设与编号

量测工具与量测频率：对于隧道净空变化量测，本项目采用索佳STE1030R全站仪进行．观测点上应该预埋钢板，钢板埋设时应尽量使钢板面正对测站方向.钢板上粘贴膜片式回复反射器(反射片)．通过全站仪对边测量功能，直接量测两点之间水平距离作为测线长度，即为净长，求出两次量测的增量(减量)ΔL，即为此处的净空变化量．监测频率应根据测点距开挖面的距离及位移速度按照表2中的规定执行，两种情况所列观测频率不同时应取较高的观测频率.若出现异常情况或者不良地质条件时，应加大观测频率.

表2 监控量测频率

3.3 隧道收敛数据处理分析

《规范》要求，现场量测所得的原始数据，具有一点的离散性，其中包含测量误差，需对所测数据进行一定的数据处理．在取得监测数据后，及时量测整理分析监测数据，绘制各种变形-时间关系曲线，预测变形发展趋向及隧道围岩结构的安全性[6-7]．新疆某工程输水隧道围岩共40条测线，本文以ZK0+580断面中AB测线的收敛数据说明数据处理与分析方法，BC、CD等其它测线相同，这里再赘述．该断面实测数据如表3所示．

表3 ZK0+580断面AB测线净空收敛实测数据

表4 净空收敛值回归分析模型选择与评价(Coefficients with 95% confidence bounds)

图5 左线ZK0+580断面净空收敛时态曲线

其次，隧道围岩和初期支护结构基本稳定性判断．《规范》规定，隧道围岩和初期支护结构的稳定性，应根据量测结果，结合以下两个条件判断：

条件1：隧道周边收敛速度有明显减缓均势，收敛量已达到总收敛量的80%以上；

条件2：根据位移变化速度判别(表5).

表5 位移变化速度与隧道围岩稳定关系

对AB测线回归指数函数曲线求极值，得到该断面净空收敛量的位移终值：

(3)

从表6可看出，工作面开挖20天后，隧道净空收敛量以达到总收敛值的80%以上，70天以后，净空收敛量基本完成．

表7 时间(T))-位移变化速率(U′)关系

依据规范，对比上表，在0～19天之间，ZK0+580断面净空收敛位移处于急剧变化阶段，应加强防护措施．经过31天，净空收敛位移基本达到稳定，即隧道围岩和初期支护结构趋于基本稳定，可停止测量，施作二次衬砌．

4 结论

在新疆“一带一路”大背景下，公共基础建设项目增多，隧道工程也会随之增多．针对隧道的净空变化监测问题，本文基于全站仪对边测量的功能，依据工程作业规范，通过工程案例详细介绍隧道净空变化监测的布点方法、数据采集方案设计、数据处理模型选择与处理方法、隧道围岩稳定性判断方法等内容，为今后其他项目开展实施提供参考，为专业院校工程测量内容教学提供案例．