隧道施工測量技術(shù)與變形監(jiān)測

隧道施工測量技術(shù)與變形監(jiān)測徐福國西部礦業(yè)黃南資源開發(fā)有限責(zé)任公司地址：青海省西寧市勝利路楓林綠洲3號樓21層1室【摘要】文章結(jié)合馬平高速公路隧道施工測量的實(shí)際工作，闡述了主要技術(shù)工作方法，論述了隧道施工洞外與洞內(nèi)控制測量、變形測量的內(nèi)容和方法，變形觀測周期和頻率，基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的布設(shè)方案。隨著測繪科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，公路隧道施工測量技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新和進(jìn)步，當(dāng)代工程測量的GPS定位技術(shù)、數(shù)字化測圖技術(shù)、激光、準(zhǔn)直儀、全站儀與計(jì)算機(jī)組合斷面測量和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、施工變形測量和監(jiān)控量測自動(dòng)化系統(tǒng)，從理論和實(shí)踐上，必將進(jìn)一步完善發(fā)展，工程測量新技術(shù)、新方法也將在公路隧道施工測量中得到更廣泛的應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞】隧道施工測量變形監(jiān)測1概述隧道施工測量精度設(shè)計(jì)根據(jù)工程的特性、施工方法、施工精度、設(shè)備安裝精度和貫通距離等諸多因素確定的，它不僅要保證隧道貫通，而且要滿足線路定線和放樣的精度要求。隧道施工測量的一項(xiàng)主要任務(wù)是保證隧道貫通。其貫通誤差的大小將直接影響到隧道施工質(zhì)量和工程造價(jià)。根據(jù)馬平高速公路測量儀器和設(shè)備狀況以及隧道結(jié)構(gòu)的豎向允許偏差，很容易滿足貫通誤差設(shè)計(jì)要求。采用不等精度分配方法，將高程貫通測量誤差分配到高程測量的各個(gè)環(huán)節(jié)。此外，通過監(jiān)測隨時(shí)預(yù)報(bào)變形、位移值的大小，以便及時(shí)修改施工參數(shù)對隧道采取加固措施，控制變形量保證安全。2隧道施工測量主要技術(shù)方法2.1斷面測量在隧道中直線段每10m，曲線段每5m測量一個(gè)斷面，并根據(jù)隧道不同的斷面形狀，在斷面上選擇與相關(guān)的位置測定其與線路中線的距離。過去很多單位采用人工直接丈量的方法，不僅精度低，速度慢，而且工作量非常大。隨著測量儀器和測量技術(shù)的發(fā)展，斷面測量儀面世后，斷面測量工作有了新的突破．但該儀器不能實(shí)行一站多斷面測量，而且價(jià)格昂貴。經(jīng)研究和實(shí)踐，采用全站儀、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和覘牌組成斷面測量系統(tǒng)進(jìn)行斷面測量。利用該系統(tǒng)進(jìn)行斷面測量的方法有兩種，一種是將全站儀和覘牌安置在隧道中線點(diǎn)上，首先測量置鏡點(diǎn)至欲測斷面中線點(diǎn)的水平距離和高程，并將水平角置零，然后就可連續(xù)依次測量多個(gè)斷面測量點(diǎn)水平角和垂直角數(shù)據(jù)，并自動(dòng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器之中，并通過計(jì)算機(jī)經(jīng)運(yùn)算即可求出待測點(diǎn)與中線距離，最終以數(shù)據(jù)表格和斷面圖的形式輸出觀測成果。另外，為保證測量的斷面垂直于中線，在覘牌上安置有簡單照準(zhǔn)裝置和水平讀盤裝置，不管是直線、圓曲線還是緩和曲線段，都可以根據(jù)事先計(jì)算后的覘牌至儀器方向與斷面夾角值標(biāo)定出斷面方向。另一種方法是將全站儀或覘牌安置在隧道內(nèi)任意位置，則測量儀器或覘牌在非線路中心進(jìn)行斷面測量。該方法利用任意安置儀器或覘牌的點(diǎn)與線路關(guān)系，通過計(jì)算確定斷面里程和方向，從而進(jìn)行斷面測量。上述兩種斷面測量方法速度快，使用方便，而且可以充分利用本單位現(xiàn)有測量儀器設(shè)備。2.2GPS控制網(wǎng)測量采用GPS進(jìn)行首級控制測量，控制網(wǎng)由10個(gè)點(diǎn)組成，布設(shè)成單三角鎖形式，該網(wǎng)采用3臺WMl01單頻接收機(jī)觀測，異步環(huán)閉合差為1.73×10-6～2.89×10-6，邊長中誤差為±2.1mm，點(diǎn)位中誤差為±3.5mm?？紤]到隧道施工測量誤差分配到GPS測量的誤差精度要求(相鄰點(diǎn)位中誤差小于±l0mm)，為加強(qiáng)控制網(wǎng)整體強(qiáng)度，采用一次布設(shè)兩級觀測，整體平差的原則設(shè)計(jì)和布設(shè)GPS網(wǎng)。一級網(wǎng)由2個(gè)重疊的大地四邊形組成，二級網(wǎng)為一級網(wǎng)下加密的三角鎖。GPS網(wǎng)采用3臺TRIMBLE4000SSE雙頻接收機(jī)進(jìn)行觀測，一級網(wǎng)共觀測5個(gè)時(shí)段，二級加密網(wǎng)共觀測11個(gè)時(shí)段，每時(shí)段觀測60min。重復(fù)測站數(shù)R=3.7，網(wǎng)的可靠性指標(biāo)η=0.625。外業(yè)觀測結(jié)果：同步環(huán)16個(gè)．平均閉合差為0.4×10-6，最大閉合差為2.83×10-6，最小閉合差為0.07×10-6，絕大部分均小于O.5×10-6。異步環(huán)36個(gè)，最大閉合差為2.83×10-6，最小閉合差為0.06×10-6，大部分均小于1×10-6。全網(wǎng)計(jì)31條邊，其中復(fù)測邊占45％，平均互差值為4.4mm。平差時(shí)選定以2個(gè)已知點(diǎn)為固定點(diǎn)，以一級網(wǎng)下加密三角鎖的網(wǎng)型方案進(jìn)行平差，平差后點(diǎn)位中誤差為±3.2mm,方位中誤差為±O.23″，邊長中誤差為±2.3mm。同時(shí)通過對不同網(wǎng)型方案的平差方法的分析，發(fā)現(xiàn)在一級網(wǎng)加密導(dǎo)線的方案以較小的工作量同樣可以得到較高的測量精度。2.3定向測量在馬平高速公路施工測量中，采用全站儀、垂準(zhǔn)儀和陀螺經(jīng)緯儀組成的聯(lián)合作業(yè)方法進(jìn)行隧道施工定向。該方法擺脫了傳統(tǒng)懸吊鋼絲的聯(lián)系三角形法，不僅克服了受外界電磁干擾和施工場地狹窄制約．圖形強(qiáng)度不易提高，占用時(shí)間過長等缺點(diǎn)，不僅增加了測量檢核條件．又提高了定向精度。在馬平高速公路施工測量中所使用的GAK-1陀螺經(jīng)緯儀標(biāo)稱精度為一次定向中誤差差±20″，實(shí)際作業(yè)時(shí)定向邊的陀螺方位角一般隨隧道掘進(jìn)獨(dú)立定向3次，每次3測回，如果只顧及陀螺方位角及其改正數(shù)的測定誤差．則定向邊陀螺方位角可達(dá)到±20″。除上述定向測量方法外，當(dāng)隧道較長時(shí)，則采用導(dǎo)線測量方法傳遞坐標(biāo)和方向，同樣布設(shè)雙導(dǎo)線加強(qiáng)檢核和提高精度；在某些長距離的大型重要貫通工程中，通常要測設(shè)很長距離的經(jīng)緯儀導(dǎo)線，導(dǎo)線在巷道轉(zhuǎn)彎處往往又有一些短邊，由于隧道測角誤差積累的結(jié)果，往往難以保證較高精度的貫通要求，而在隧道中要大幅度提高測角精度是比較困難的，所以在實(shí)際工作中經(jīng)常采用在導(dǎo)線中加測一些高精度的陀螺定向邊的方法來建立隧道平面控制，尤其是用于大型重要貫通的平面控制，它可以在不增加測角工作量以提高測角精度的前提下，顯著減小測角誤差對于經(jīng)緯儀導(dǎo)線點(diǎn)位誤差的影響，從而保證了巷道的正確貫通。還可采用在隧道邊墻上鉆孔，通過鉆孔投測坐標(biāo)或測定投測點(diǎn)陀螺方位角的方法提高定向精度。3地下隧道變形監(jiān)測的內(nèi)容和方法地下隧道變形監(jiān)測的內(nèi)容、方法和儀器見圖1和表l?！吰轮ёo(hù)樁、墻位移測量——結(jié)構(gòu)拱頂沉降測量變形監(jiān)測內(nèi)容————地表沉降變形測量——隧道頂部沉降觀測——斷面變形測量圖1表1變形監(jiān)測的方法和儀置測量內(nèi)容測量方法常用測量儀器邊坡支護(hù)樁大地測量、物理測量精密水準(zhǔn)儀、測斜儀、全站儀墻位移測量結(jié)構(gòu)拱頂沉降測量大地測量精密水準(zhǔn)儀地表沉降變形測量大地測量精密水準(zhǔn)儀、全站儀隧道中心變形測量大地測量精密水準(zhǔn)儀、全站儀隧道頂部沉降觀測大地測量精密水準(zhǔn)儀、全站儀斷面變形測量大地測量精密水準(zhǔn)儀、全站儀4隧道變形監(jiān)測網(wǎng)（點(diǎn)）的布設(shè)方案從隧道變形監(jiān)測內(nèi)容來看，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形測量僅設(shè)局部范圍，多數(shù)用物理儀器量測或按中等精度做沉降位移測量，一般由各施工單位完成。而在施工過程中對地表的變形觀測和對隧道結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測所涉及的范圍大、要求的精度高和監(jiān)測的時(shí)間長，必須做整體考慮，擬訂統(tǒng)一要求的布設(shè)和實(shí)施方案。4.1變形測量基準(zhǔn)網(wǎng)(點(diǎn))的建立4.1.1平面變形監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)(點(diǎn))隧道地面控制網(wǎng)沿線路分兩級布設(shè)。首級GPS網(wǎng)和二級精密導(dǎo)線網(wǎng)，將它作為平面位移的基準(zhǔn)網(wǎng)(點(diǎn))是可行的。但是，為了滿足對基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定可靠的要求，在隧道施工期間應(yīng)該對平面控制網(wǎng)(點(diǎn))進(jìn)行定期檢核測量，若發(fā)現(xiàn)某些點(diǎn)不穩(wěn)定，應(yīng)及時(shí)對平面位移監(jiān)測成果進(jìn)行改正處理，或停止使用。4.1.2地面沉降監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)(點(diǎn))隧道地面高程控制網(wǎng)的首級網(wǎng)為二等水準(zhǔn)網(wǎng)，可作為沉降觀測的基準(zhǔn)。為了保證沉降基準(zhǔn)網(wǎng)(點(diǎn))的穩(wěn)定可靠和長期使用，還應(yīng)在二等水準(zhǔn)網(wǎng)中沿線路建立一定數(shù)量的深埋于新鮮巖石上的基巖水準(zhǔn)點(diǎn)。選擇基巖水準(zhǔn)點(diǎn)的位置時(shí)，不僅要求全線均勻分布，而且還要考慮在適當(dāng)?shù)囟卧黾狱c(diǎn)數(shù)。在隧道施工期間，對作為隧道沉降觀測的二等水準(zhǔn)基點(diǎn)，必須進(jìn)行定期檢測，保證其穩(wěn)定可靠。4.1.3隧道內(nèi)基準(zhǔn)網(wǎng)(點(diǎn))選擇隧道內(nèi)平面位移和沉降監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)(點(diǎn))時(shí)．應(yīng)當(dāng)充分利用原有的導(dǎo)線點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)，在施工過程中對其做多次檢查測量，而且貫通后按符合線路重新平差，其平面和高程數(shù)據(jù)及點(diǎn)的穩(wěn)定性都比較可靠。當(dāng)施工過程中這些點(diǎn)有可能被破壞時(shí)，則需要結(jié)合做控制基標(biāo)選擇新的基準(zhǔn)點(diǎn)組，并及時(shí)測定坐標(biāo)和高程，作為隧道內(nèi)監(jiān)測的起算點(diǎn)。4.2地表沉降監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)在隧道開挖地段，如果遇到不良地質(zhì)時(shí)，為了保證施工期間地面隆起和沉陷控制在差以內(nèi)，以防止隧道坍塌危及安全，必須進(jìn)行地表的沉降觀測，通過對地表的沉降觀測和數(shù)據(jù)反饋，及時(shí)準(zhǔn)確地提供施工參數(shù)；或掌握施工中圍巖和支護(hù)的力學(xué)動(dòng)態(tài)及穩(wěn)定程度，以便修改設(shè)計(jì)和調(diào)整工作程序，確保施工安全和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。地表沉降觀測點(diǎn)間距根據(jù)隧道掘進(jìn)方法和隧道開挖寬度確定。一般沿隧道中心線每30m布設(shè)l點(diǎn)，但在距掘進(jìn)工作面50m以內(nèi)時(shí)觀測點(diǎn)距應(yīng)等于或小于15m。為了觀察隧道掘進(jìn)對地面影響的范圍和規(guī)律，還要在隧道中心線觀測點(diǎn)上布置橫斷面監(jiān)測點(diǎn)，自中心點(diǎn)向兩側(cè)不少于8m的范圍布設(shè)1～2個(gè)橫向監(jiān)測點(diǎn)。橫斷面上的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)及間距主要根據(jù)隧道的地質(zhì)情況和隧道結(jié)構(gòu)尺寸決定。4.3隧道內(nèi)變形監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)及標(biāo)志隧道結(jié)構(gòu)變形與沉降觀測，主要是建立一個(gè)施工期間監(jiān)控系統(tǒng)，需要布設(shè)不少的基準(zhǔn)點(diǎn)、控制點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)。布點(diǎn)位置及密度應(yīng)根據(jù)隧道經(jīng)過地區(qū)的地質(zhì)及施工方法而定，在地質(zhì)不良地段宜密，其它地段可稀一些。5變形觀測的周期與頻率變形觀測周期原則上應(yīng)根據(jù)隧道工程的環(huán)境以及施工期間地表與地下結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生變形量的大小來確定。一般變形觀測初期監(jiān)測周期宜短，頻率宜高。當(dāng)某些局部地段的變形較快較明顯時(shí)，宜縮短觀測周期，反之應(yīng)延長觀測周期。6結(jié)束語隨著測繪科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，地下隧道工程測量技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新和進(jìn)步，當(dāng)代工程測量的GPS定位技術(shù)、數(shù)字化測圖技術(shù)、物探方法進(jìn)行地下管線探測技術(shù)、激光準(zhǔn)直和掃平儀、全站儀與計(jì)算機(jī)組合斷面測量和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、施工變形測量和監(jiān)控量測自動(dòng)化系統(tǒng)等在隧道工程測量中都得到了應(yīng)用和發(fā)展，今后隨著國民經(jīng)濟(jì)狀況的好轉(zhuǎn)，隨著高速公路的不斷發(fā)展，服務(wù)于隧道工程測量工作，從理論和實(shí)踐上，必將進(jìn)一步完善發(fā)展，工程測量新技術(shù)、新方法也將在隧道工程測量中得到更廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1、《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ042—