隧道凈空收斂非接觸量測方法及精度分析

隧道凈空收斂非接觸■測方法及精度分析桑圣華;徐孟強;杜強;潘知遠(yuǎn)【期刊名稱】《《礦山測量》》【年(卷)，期】2019(047)005【總頁數(shù)】5頁(P86-90)【關(guān)鍵詞】隧道;凈空收斂;非接觸量測;任意定向;精度【作者】桑圣華;徐孟強;杜強;潘知遠(yuǎn)【作者單位】中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司江蘇南京210000【正文語種】中文【中圖分類】U456凈空收斂作為隧道監(jiān)控量測的必測項目，是對工程施工質(zhì)量及其安全性表達(dá)的一種定量方法和有效手段。隧道凈空收斂進(jìn)行量測可以掌握圍巖動態(tài)，了解支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同工況時的受力狀態(tài)和應(yīng)力分布，對圍巖穩(wěn)定性做出評價［1-2］。目前隧道凈空收斂量測主要采用收斂計測定隧道周邊各測點連接方向上的測線長度，通過相關(guān)改正后，精確獲得觀測測點之間的絕對水平收斂值。相關(guān)文獻(xiàn)［3-4］就采用收斂計法進(jìn)行凈空收斂的經(jīng)度進(jìn)行分析，絕對收斂量測中誤差等于±0.3mm，采用收斂計進(jìn)行隧道凈空收斂監(jiān)控量測精度較高。然而采用收斂計法進(jìn)行凈空收斂量測受施工干擾大，對于CD法［5］、CRD法［6］等方法量測不便，存在安全隱患等缺點。隨著技術(shù)手段的提高，高精度全站儀應(yīng)用到隧道監(jiān)控量測中，文章提出了一種采用高精度全站儀進(jìn)行隧道凈空收斂量測的新方法，同時對其精度進(jìn)行分析。1任意定向法凈空收斂非接觸量測凈空收斂指隧道開挖后隧道周邊輪廓向其內(nèi)側(cè)發(fā)生的相對位移，即不同時間節(jié)點測量的收斂測線長度Si與首期觀測的測線長度S0的較差。凈空收斂實際是量測收斂測線的長度?！鱏=Si-S0（1）如圖1所示，0為設(shè)站位置，P表示定向方向，測點A、B、C表示隧道凈空收斂量測測點（小棱鏡或者反射片）。圖1任意定向法凈空收斂非接觸量測將全站儀安置在0點，照準(zhǔn)P點定向，瞄準(zhǔn)A點記錄方向讀數(shù)a1,豎直角01,斜距S1;瞄準(zhǔn)B點記錄方向讀數(shù)a2,豎直角02,斜距S2。則測點A、B的三維坐標(biāo)A（x1、y1、z1）、B（x2、y2、z1）可以表示為：x1=S1cos01cosa1y1=S1cos01sina1z1=S1sin01（2）x2=S2cos02cosa2y2=S2cos02sina2z2=S2sin02⑶則測線A、B的距離S（收^測線長度）可以表示為：S2=Ax2+Ay2+Az2⑷S2=(S1cos01cosa1-S2cos02cosa2)2+(S1cos01sina1-S2cos02sina2)2+(S1sin01-S2sin02)2⑸2任意定向方法凈空收斂量測精度分析對式(5)進(jìn)行微分[7-9]:(6)對上式進(jìn)行整理，同時考慮到mS1=mS2;m01=m02;ma1=ma2,令mS1=mS2=mS;m01=m02=m0;ma1=ma2=mao令：A=(S1cose1cosa1-S2cos02cosa2)2;B=(S1cos01sina1-S2cos02sina2)2;C=(S1sin01-S2sin02)2則有：1/S2[((cos01cosa1)2+(cos02cosa2)2)A+((cos01sina1)2+(cos02sina2)2)B+(7)式(7)表明，任意定向方法凈空收斂量測精度與測點之間的空間距離、設(shè)站點到觀測測點的豎直角、斜距等參數(shù)有關(guān)。且與測點之間的空間距離成反比。3隧道凈空收斂量測精度分析3.1工程概況以某隧道實際量測情況開展精度分析。隧道為分離式隧道，隧道左線起訖里程ZK3+325~ZK4+475，長1150m;隧道右線起訖里程YK3+325~YK4+480，長1155m。隧道按高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：設(shè)計車道數(shù)：雙洞四車道隧道建筑限界凈寬：10.25m⑶車行橫通限界凈寬：4.5m⑷人行橫通限界凈寬：2.0m⑸行車高度：5.0m3.2斷面及測點布設(shè)情況斷面位于隧道B級圍巖處，物探結(jié)果顯示，圍巖電阻率較高，中風(fēng)化巖，Kv=0.44-0.91，平均等于0.83,Rc=77.6-93.1Mpa,平均等于82.6Mpa，圍巖呈塊石狀為主，裂隙水弱發(fā)育，[BQ]=360。B級圍巖采用全斷面法開挖，當(dāng)既定的隧道監(jiān)測斷面開挖、初支完成后在監(jiān)測斷面設(shè)置3個測點(測樁埋深約15cm，鉆孔直徑約20mm，用早強錨固劑錨固，測樁位置設(shè)置保護(hù)罩)，測點布置位置：拱頂布設(shè)1個，拱腰兩側(cè)各布設(shè)1個隧道拱頂及拱腰兩側(cè)測點用于監(jiān)測凈空收斂。監(jiān)測點布置示意圖見圖2。圖2凈空收斂測線布設(shè)示意圖3.3精度分析現(xiàn)場實際測量時，為了減少不同因素對測量精度的影響，觀測某個斷面時儀器位置固定，近似認(rèn)為豎直角。1,斜距S1及豎直角。2,斜距S2保持不變。根據(jù)式(7)可知，影響觀測精度的主要因素為方向讀數(shù)a1、a2。隧道車行橫通限界凈寬4.5m，人行橫通限界凈寬2.0m，行車高度5.0m?？紤]到隧道內(nèi)空氣透明度及能見度，現(xiàn)場實際測量儀器距離觀測測點距離應(yīng)有限制，現(xiàn)場實測表明25-50m變化較為適宜。改變方向讀數(shù)a1,使a1從0°-360°步長0.1°變化，a2隨著a1的變化而變化，按照現(xiàn)場實際情況計算6個不同觀測情況下的凈空收斂精度。不考慮其他因素對觀測精度的影響。(1)觀測測線AB長度，儀器距量測斷面水平距離為25m。儀器：TS16(1",1+1.5ppm，測量機(jī)器人），測線SAB=9.0640m,S1=25.7165m,S2=26.0086m,01=0.9000°,02=16.0086°;（2）觀測測線AB長度，儀器距量測斷面水平距離為50m。儀器：TS16（1",1+1.5ppm，測量機(jī)器人），測線SAB=9.0640m,S1=50.3621m,S2=50.5119m,01=0.4500°,02=8.1636°;（3）觀測測線BC長度，儀器距量測斷面水平距離為25m。儀器：TS16（1",1+1.5ppm，測量機(jī)器人），測線SBC=9.0640m,S1=26.0086m,S2=25.7165m,01=16.0086°,02=0.9000°;（4）觀測測線BC長度，儀器距量測斷面水平距離為50m。儀器：TS16（1",1+1.5ppm，測量機(jī)器人），測線SBC=9.0640m,S1=50.5119m,S2=50.3621m,01=8.1636°,02=0.4500°;（5）觀測測線AC長度，儀器距量測斷面水平距離為25m。儀器：TS16（1",1+1.5ppm，測量機(jī)器人），測線SAC=12.0310m,S1=25.7165m,S2=25.7165m,01=0.9000°,02=0.9000°;（6）觀測測線AC長度，儀器距量測斷面水平距離為50m。儀器：TS16（1",1+1.5ppm，測量機(jī)器人），測線SAC=12.0310m,S1=50.3621m,S2=50.3621m,01=0.4500°,02=0.4500°;將6種不同觀測情況計算得到的收斂測線長度中誤差絕對值（以下統(tǒng)稱為中誤差）繪圖分析，如下圖4、圖5、圖6所示。圖3收斂測線長度觀測圖4觀測情況1、觀測情況2計算中誤差圖5觀測情況3、觀測情況4計算中誤差圖6觀測情況5、觀測情況6計算中誤差將6種不同觀測情況計算得到的收斂測線長度中誤差最大值和最小值進(jìn)行統(tǒng)計匯總，如表1所示。表1不同觀測情況計算中誤差最值項目情況1情況2情況3情況4情況5情況6max-abs(m)/mm0.750.840.750.841.051.13min-abs(m)/mm0.350.500.350.500.420.52分析圖4、圖5、圖6,及表1結(jié)果，情況1,a1從0°-360°步長0.1°變化，0.35mm<abs(m1)<0.75mm,當(dāng)abs(m1)=0.35mm時，對應(yīng)的a1取值范圍為［79.3°,80.7°］;觀測情況2,a1從0。-360。步長0.1°變化，0.50mm<abs(m2)<0.84mm，當(dāng)abs(m2)=0.50mm時，對應(yīng)的a1取值范圍為［84.3°,85.5°］;情況3,a1從0°-360°步長0.1°變化，0.35mm<abs(m3)<0.75mm,當(dāng)abs(m3)=0.35mm時，對應(yīng)的a1取值范圍為［85.8°,87.2°］;情況4,a1從0°-360°步長0.1°變化，0.50mm<abs(m4)<0.84mm,當(dāng)abs(m4)=0.50mm時，對應(yīng)的a1取值范圍為［87.7°,88.5°］;情況5,a1從0°-360°步長0.1°變化,0.42mm<abs(m5)<1.05mm,當(dāng)abs(m5)=0.42mm時，對應(yīng)的a1取值范圍為［79.3°,80.7°］;情況6,a1從0°-360°步長0.1°變化，0.42mm<abs(m6)<1.05mm,當(dāng)abs(m6)=0.42mm時，對應(yīng)的a1取值范圍為［80.6.3°,85.6°］。a1從0°-360°變化時，計算中誤差呈現(xiàn)周期性變化，周期為90°。將6種情況計算的中誤差最小值對應(yīng)的a1進(jìn)行整理，得到a1范圍為［74°,89°］。將a1取值范圍為［74°,89°］計算得到的凈空收斂中誤差、計算得到的凈空收斂中誤差除以相應(yīng)觀測情況中誤差最小值進(jìn)行繪圖。如圖7所示，a1取值范圍為［74°,89°］,針對不同的觀測情況，計算的中誤差差別較小，均不大于0.6mm,將計算的中誤差和對應(yīng)情況中誤差最小值進(jìn)行倍數(shù)比較，倍數(shù)值在［11.5］范圍內(nèi)波動，幅度較小。實際觀測時，收斂測線長度觀測3次，取平均值作為測線的最終長度，a1取值范圍為［74°,89°］,針對不同的觀測情況，計算的中誤差差別較小，都小于0.33mm，可以滿足《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》凈空變化測試精度0.5~1mm的精度要求。4結(jié)論及展望任意定向法非接觸量測技術(shù)在隧道中可以靈活有效地進(jìn)行隧道的凈空收斂變形量測，針對某兩車道隧道al從0°-360°變化時，計算中誤差的絕對值呈現(xiàn)周期性變化，變化周期為90°,a1取值范圍為［74。，89。］,觀測收斂測線長度的中誤差優(yōu)于0.33mm，可以滿足文獻(xiàn)［10］中關(guān)于凈空變化測試精度0.5~1mm的精度要求。對于隧道有核心土弧形導(dǎo)坑臺階法開挖、CD法、CRD法或其他障礙物影響收斂計量測的測點均可采用該種測量方法。圖7不同觀測情況a1=［74°,89°］計算中誤差目前只針對兩車道隧道進(jìn)行精度分析，仍需開展針對三車道、四車道等大洞徑隧道采用該方法進(jìn)行精度分析。同時研究測站至斷面距離變化與中誤差的關(guān)系。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】［1］黃赫，周丁恒,李鳳嶺.軟弱圍巖下鐵路隧道支護(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