基于TM50的大型地下洞室施工期变形监测方法研究

严良平，马明刚，夏万求，彭泽豹

(浙江宁海抽水蓄能有限公司，浙江宁波315000)

0 引 言

地下洞室工程施工不可避免地会对岩土体产生扰动，引起隧道周边岩土体的移动与变形[1]，在施工过程中具有很大的危险性和不确定性，为确保地下洞室工程的可靠性与安全性，地下洞室施工期间变形监测尤为重要。传统地下洞室围岩监测方法(如多点位移计)为接触式测量，劳动强度大、效率低，且因受到施工的影响，测量过程易受干扰[2]，造成设备损坏，无法继续实施准确有效的监测。全站仪量测是一种快速、简便、准确可靠的非接触式隧洞围岩变形监测方法。机内设有测量应用软件，方便进行三维坐标测量，并可将测量数据传输给外部计算机，实现同步计算[3]。高精度全站仪因其极高的角度和距离测量精度以及其便捷的使用方法而在变形监测等中得到了广泛的应用。

本文在研究全站仪相对和绝对2种监测方法精度的基础上，考虑施工期地下洞室环境特点，研究和设计监测点保护装置，结合某施工期大型地下洞室项目监测，开展施工期地下洞室形变全站仪监测实践研究，可为类似工程监测提供技术和设备参考。

1 TM50全站仪精度测试

1.1 TM50全站仪

瑞士Leica公司生产的TM50全站仪技术参数为：测角精度0.5″、测距精度0.6 mm+1 ppm、测程3 km。Leica TM50具备IP65高防尘防水等级、高分辨率的图像测量技术、智能电源管理系统和高效便捷的WLAN传输模块等特点，保障了仪器在恶劣环境下高精度、高效率，全天候智能化地完成监测工作[4]。Leica TM50智能全站仪见图1。

图1 TM50智能全站仪

1.2 精度测试

对TM50全站仪的测距中误差、测水平角中误差进行测试(假设垂直角中误差等于水平角中误差)，测试内容包括：①离全站仪一定距离贴1个反射片，进行TM50的测距中误差检验；②在不同方向上贴2个反射片，对目标进行多测回水平角测量，求得全站仪测量水平角中误差。对测试结果采用白赛尔公式检验测量精度，即

(1)

式中，σ为均方误差；VV为改正数的平方；n为观测次数；[]为求和符号。由于所测距离真值极难获取，在等精度观测条件下，取算数平均值代替真值，由改正数代替真误差计算中误差。

对反射片进行斜距测量，每次测量均重新照准，共测量10个测回。通过白塞尔公式算得测距中误差σ=0.36 mm，距离误差分布见图2。从图2可知，检测目标点最大误差为0.58 mm，最小误差为0.08 mm。

图2 距离测量误差分布

分别对2个目标点进行水平角测量，每次测量均需要重新照准，共测量10个测回。用白塞尔公式计算得水平角中误差σ=0.25″。测量水平角误差分布见图3。从图3可知，测量最大误差为0.4″，最小为0。

图3 水平角测量误差分布

2 全站仪地下洞室变形监测方法

2.1 相对位移观测法及精度

相对位移观测法采用假定三维坐标系统和采用极坐标法，在o-xyz直角坐标系中，获得被测点P的三维坐标，观测值分别为水平角α、垂直角β、斜距S，则P(xp，yp，zp)点坐标表示为

(2)

对洞室选定断面监测点用相对位移观测法进行三维坐标测量，计算出测线长度及隧道的收敛值，即

(3)

Δk-1，k=ΔSk-ΔSk-1

(4)

式中，k为观测期数；ΔS为2点间距离；Δk-1，k为不同期围岩测线的变形值。显然，Sk的长度不随坐标系的变化而变化，所以ΔSk的变化能精确地反映出断面测线的收敛情况。

设全站仪水平角观测中误差mα等于竖直角观测中误差mβ，ms为距离观测中误差，常数ρ=206 265″。根据误差传播定律得

(5)

式中，σxp、σyp、σzp分别为监测点P的点位误差三轴分量；σp1、σp2分别为监测点P的二维和三维坐标点位误差；D为平距；S为斜距。从式(5)可看出，监测点P点的坐标精度不仅与全站仪的测角精度和测距精度有关，还与监测点和设站点间的相对位置有关。

图4直观展示了TM50全站仪在不同的位置关系下点位误差与观测垂直角和斜距的关系。从图4可以看出，当斜距小于200 m时，点位误差小于1 mm。

图4 TM50测点精度与垂直角和斜距的关系

2.2 绝对位移观测法及精度

该方法采用自由设站获取测站绝对坐标，通常在隧道口设置多个稳定牢固的后视点，在隧道内合适位置架设全站仪，测量后视点，算出设站点坐标，进而测出监测点相对于后视点的绝对坐标。

绝对位移观测的点位精度与2个因素有关，一是，设站点与基准点交会角的大小；二是，后视点数量对设站点精度的影响。增加已知后视点数目，有利于提高设站点的点位精度[5]。

(6)

(7)

(8)

式中，φ0、E、F为误差椭圆元素，分别代表P点位差的极值方向、极大值和极小值；K为计算的中间变量。

设站点P的点位精度除了与后视点数目有关系外，还与交会角的大小有关。下面探讨交会角γ和β对设站点P的平面点位精度影响。设站点与基准点交会示意见图5。图5中，P′表示P移动后的位置，A、B为后视基准点。

图5 设站点与基准点交会示意

设起初方位角αPA=30°、SAB=30 m，用TM50全站仪进行观测，交会角γ从10°到150°，β从10°到90°，画出交会角γ和β对设站点点位精度的影响，结果见图6。从图6可知，随着交会角γ的增大，设站点的精度越来越高。γ角度越大，说明后视基准点相对于设站点位置越发散。因此，施测时应尽量将基准点设在架站点两侧。然而，在隧道监测中视线条件及场地条件较苛刻，往往难以满足该方法对后视点数量和空间分布的要求。类似分析表明，不同的方位角初始值对点位精度mp没有影响，只是对点位误差在x、y轴的分量mxP、myP有影响。

图6 交会角γ和β对设站点点位精度的影响

3 工程应用

某抽水蓄能电站地下厂房洞室开挖尺寸为179.0 m×25.0 m×57.0 m(长×宽×高)。为确保地下洞室在开挖过程中的安全及正常运营，需对洞室进行监测。地下洞室监测现场见图7。

图7 地下洞室监测现场

为防止爆破冲击对监测棱镜的破坏，需对监测点进行引出和保护。因此，设计并制作了防爆破冲击监测点保护装置，见图8。将“L”形棱镜置于保护筒内，该棱镜较小且可自由旋转，使其正对全站仪激光束。无需测量时，连杆结构端部悬挂重物，以杠杆的方式，保护罩下盖闭合；测量时，取下重物，保护罩下盖在重力的作用下自行打开。

图8 防爆破冲击监测点保护装置与实物

在地下洞室中部2个断面各布设5个“L”形棱镜作为监测点，在拱顶、曲线与直线交接部位、侧壁对称布置棱镜监测点。考虑现场实际情况，采用相对测量法，且用双测站对称观测2次提高断面监测精度。为减小观测角度对测距的影响，每期量测时测站平面位置应大致相同。监测点布设及测线示意见图9，在设站1、2分别独立测量各监测点1～7的三维坐标，计算监测点连线(测线)之间的距离平均值，通过测线距离随时间的变化实现洞室的变形监测。

图9 监测点布设及测线示意

图10展示了2个断面4期测量部分测线的变形过程，1、4号监测点数据用1- 4表示，以此类推，解算的位移是由设站1、2获取的平均值。从图10可知，断面变形均小于1 mm，与内观监测资料一致。

图10 断面测线变形过程

4 结 语

全站仪隧洞监测具有测量速度快、精度高，操作简便等特点，智能全站仪TM50还可以自动搜索、识别、跟踪、照准并进行测量，极大提高了隧洞施工期测量效率。本文设计并制作了一种防爆冲击位移引出保护装置，可在施工期保护监测目标，且不影响测量精度。

采用高精度全站仪的相对测量法，对施工期间地下洞室围岩进行非接触收敛监测完全可行，仪器不需要对中，监测期间不影响隧道施工，且设站灵活，快速简便，节约时间，相对精度可达1 mm。