張文新，張文強，張民慶，蔣永強

(1.中鐵隧道集團技術(shù)中心，河南洛陽 471009;2.中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009;3.鐵道部工程管理中心，北京 100844)

0 引言

隨著鐵路、公路的快速發(fā)展，行車速度的大幅提高，隧道斷面不斷加大，施工中采用有尺量測的難度也不斷增大，無尺量測越來越受重視。無尺量測是在開挖斷面內(nèi)埋設(shè)反光片，采用全站儀對反光片進行坐標(biāo)測量，利用坐標(biāo)的相對關(guān)系進行拱頂下沉和水平收斂的監(jiān)控量測。在已修建的隧道工程中，圓梁山隧道采用無尺量測主要體現(xiàn)其自動化程度高、系統(tǒng)精度高、操作方便等優(yōu)點［2］;曾家坪子1號隧道是3線大跨車站隧道，采用的是無尺量測，提出當(dāng)測角誤差為±1″，測距誤差為±10 mm時，收斂基線長度的中誤差為±0.89 mm，拱頂下沉的中誤差為±0.27 mm，但由于基準(zhǔn)點的物理狀態(tài)不夠穩(wěn)定，引起測站點坐標(biāo)誤差很大，而觀測過程中并沒有進行平差處理，所以觀測點的坐標(biāo)誤差＞±1.0 mm［3］;鄭西客專高橋隧道采用無尺量測，體現(xiàn)了操作方便、干擾少，系統(tǒng)精度高等特點［4］;瀏陽河隧道采用無尺量測技術(shù)，對如何提高隧道監(jiān)控量測的精度、提高監(jiān)控量測作業(yè)效率及實用性、可靠性方面有了較深入的了解［5］;在廈門翔安隧道施工中，無尺量測和有尺量測相結(jié)合使用，既體現(xiàn)出接觸量測作業(yè)的靈活機動，避免過多的從后視點向各個部大量的倒點工作和司鏡長時間倒鏡作業(yè)，又體現(xiàn)出無尺量測在大跨度空間、自動化程度、系統(tǒng)高精度方面的優(yōu)越性，并對有尺量測和無尺量測的優(yōu)先適用提出了建議［5］;葡萄山隧道采用無尺量測進行隧道拱頂下沉量測，體現(xiàn)其方便性［6］。而上述工程都沒有對誤差的產(chǎn)生過程進行詳細描述，對精度的高低沒有一個量化的概念，另外，少數(shù)隧道采用有尺和無尺相結(jié)合方式測量，也沒有對二者精度進行對比，只是達到了數(shù)據(jù)收集連續(xù)、操作方便的目的。本文通過在建的蘭渝鐵路木寨嶺隧道導(dǎo)洞試驗段采用的無尺量測和有尺量測相結(jié)合量測方法，從無尺量測可靠度進行研究和無尺量測與有尺量測的對比2方面進行論述。

1 無尺量測原理

無尺量測主要是利用全站儀自由設(shè)站遠距離測定量測點位不同時段相對的三維坐標(biāo)，將測量數(shù)據(jù)輸入計算機，并通過處理輸出監(jiān)測成果，準(zhǔn)確、快速地為施工提供數(shù)據(jù)參考。

1.1 拱頂下沉量測

將全站儀架設(shè)于后視點與量測斷面的中間位置，對中整平，后視后視點1，得到相對高程z1，再前視量測斷面拱頂反射片，得到相對高程z0，而后后視后視點2，得到相對高程z2，則量測斷面拱頂反射片中心的高程式中:z0，z1，z2均為盤左盤右量測后取得的平均值，H1和H2分別為后視點1，2的高程。

前次量測該點的高程為H′，則本次拱頂下沉量:h= H′－H。

1.2 凈空收斂量測

在能看到測點的地方自由架設(shè)全站儀，對中整平，量測收斂水平線兩端點的相對坐標(biāo)。盤左盤右取平均值得到收斂水平線兩端點相對坐標(biāo)分別為(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)。計算收斂水平線兩端點的對邊距離

2 無尺量測的誤差分析

監(jiān)測方法的精度對數(shù)據(jù)的分析影響很大。試驗采取無尺量測，且必須對無尺量測精度進行研究分析，查找影響精度的原因，制定提高監(jiān)測精度的措施，從而使數(shù)據(jù)采集得更加準(zhǔn)確。

測量儀器采用TC1201全站儀，誤差分析從系統(tǒng)誤差(儀器誤差)和偶然誤差2個方面進行對比量測校核。

2.1 系統(tǒng)誤差(儀器誤差)

1)數(shù)據(jù)采集。選用DyK187+998斷面進行量測試驗，測量儀器采用TC1201全站儀。量測人員對該斷面按“測點c—測點c′—測點b—測點b′”的順序重復(fù)量測5次(每個測點均用盤左、盤右量測)。測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 儀器誤差分析量測數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data analysis in terms of instrument errors

2)數(shù)據(jù)計算。采用量測數(shù)據(jù)計算水平收斂值，計算結(jié)果見表2。

表2 水平收斂計算結(jié)果表Table 2 Calculation results of horizontal convergence

2.2 偶然誤差

偶然誤差可分為測量誤差和人為誤差2部分。

2.2.1 測量誤差

1)數(shù)據(jù)采集。選用DyK187+998斷面作為監(jiān)測斷面，由量測人員分別在監(jiān)測點與基點的L/4，L/2，3L/4 3處不同的位置進行量測。具體布置如圖1所示，測試數(shù)據(jù)見表3。

圖1 無尺量測換點測量試驗布置示意圖Fig.1 Layout of transposition measurement in non-ruler measurement

表3 換位量測數(shù)據(jù)表Table 3 Data of transposition measurement

2)數(shù)據(jù)計算。采用量測數(shù)據(jù)計算水平收斂值，計算結(jié)果見表4。

表4 水平收斂計算結(jié)果表Table 4 Calculation results of horizontal convergence

3)誤差分析。由誤差計算式可算得:bb′斷面測量儀器最大誤差為0.25 mm，cc′斷面測量儀器誤差為0.397 mm?？扇Q點量測最大誤差為0.397 mm，約為0.4 mm。

2.2.2 人為誤差

1)數(shù)據(jù)采集。選用DyK187+998斷面進行量測試驗。由兩個量測人員(甲、乙)分別對該斷面按“測點c—測點c′—測點b—測點b′”的順序量測。測試數(shù)據(jù)見表5。

表5 換人量測數(shù)據(jù)表Table 5 Data of measurement carried out by different persons

2)數(shù)據(jù)計算。采用量測數(shù)據(jù)計算水平收斂值，計算結(jié)果見表6。

表6 水平收斂計算結(jié)果表Table 6 Calculation results of horizontal convergence

3)誤差分析。由誤差計算式可算得bb′斷面測量儀器最大誤差為0.5 mm，cc′斷面測量儀器誤差為0.07 mm。可取換人量測最大誤差為0.5 mm。

通過系統(tǒng)誤差和偶然誤差的分析，可知，偶然誤差=測量誤差+人為誤差=0.4+0.5=0.9 mm

綜合以上分析，采用無尺量測可能引起的最大總誤差=系統(tǒng)誤差+偶然誤差=0.2+0.9=1.1 mm，說明無尺量測的精度還是相當(dāng)高的，實際測量數(shù)據(jù)可靠。

3 無尺量測與有尺量測的對比

3.1 精確性

選取木寨嶺隧道DyK187+998，DyK188+001和DyK188+019里程正洞邊墻位置進行無尺量測和有尺量測方法進行水平收斂量測的對比研究。根據(jù)量測數(shù)據(jù)繪制水平收斂變形曲線如圖2所示。

圖2 木寨嶺隧道3個里程正洞邊墻位置水平收斂變形曲線(2010)Fig.2 Curves of horizontal convergence at sidewall at 3 different measurement positions in Muzhailing tunnel in 2010

由圖2可看出，采用無尺量測和有尺量測進行水平收斂監(jiān)控量測，其曲線型態(tài)、測量結(jié)果均相似。另外，從測試終值上看，二者差值為1～5mm，在收斂值的3%以內(nèi)，2種方法都是可靠的。

3.2 安全性

監(jiān)控量測的安全性主要是指儀器架設(shè)量測、數(shù)據(jù)記錄和施工的干擾來闡述。

1)無尺量測。①儀器選取與測點通視的任意位置架設(shè)，靈活性強，對中之后儀器自動讀數(shù)。②數(shù)據(jù)自動記錄在全站儀自帶的PC卡上，待量測完畢后在辦公室通過讀卡器將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦上進行分析處理。③可根據(jù)實際情況選擇施工干擾小，機動車通行少的位置架設(shè)，受施工影響極小，安全隱患少。

2)有尺量測。①測點較低時，受來回走動工作人員以及來回車輛干擾較大，容易造成儀器的損壞;測點較高時，需架設(shè)梯子到達測點位置，周圍環(huán)境和高度對測量工作人員的心理產(chǎn)生較大影響，安全隱患多。②人工讀數(shù)后通過手工記錄量測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場或辦公都可處理。③臺階法施工時，掌子面附近測點受施工工序影響過大，容易被擋，必須在特定的工序時間里進行量測。機動車輛、人員、施工機械以及其他堆積物對量測的干擾也很大。

通過比較分析，無尺量測的安全性要明顯高于有尺量測。

3.3 功效性

針對有尺量測和無尺量測的功效問題，通過對10個實驗斷面的下臺階測點(有尺量測掛尺時不需要架梯子)分別用采用有尺量測和無尺量測的方法進行量測并記錄數(shù)據(jù)，最后根據(jù)使用的總時間。計算出每個測點量測的平均用時。測量時間統(tǒng)計如表7所示。

表7 測量時間統(tǒng)計表Table 7 Statistics of measurement duration

由表7可知，在同樣沒有干擾的情況下，下臺階測點無尺量測的功效是有尺量測的2.6倍。對有尺量測而言，由于下臺階不需要架設(shè)梯子，顯然加快了測試速度，而無尺量測，對不同位置的測點測試速度基本相同，所以無尺量測的功效要遠大于有尺量測。

4 工程應(yīng)用案例

無尺量測技術(shù)通過在木寨嶺隧道7#斜井正洞進行了實際應(yīng)用，從2010年9—10月對40 m試驗段進行了測量，現(xiàn)取3個斷面測量結(jié)果予以說明。測線布設(shè)見圖3。其典型測點收斂歷時曲線見圖4。

由圖4可知:通過對各測點歷時曲線進行擬合，測點實際變形與理論相符合，量測數(shù)據(jù)離散性較小，數(shù)據(jù)呈規(guī)律性變化，各測線經(jīng)過開挖變形階段后，圍巖變形趨于收斂。

5 結(jié)論與體會

通過分析，對無尺量測誤差產(chǎn)生進行了深入分析，使其產(chǎn)生量化概念，說明無尺量測精度高，實際測量數(shù)據(jù)真實可靠。無尺量測明顯優(yōu)越于有尺量測，適合大力推廣，特別是對大跨度隧道更有優(yōu)勢;但無尺量測技術(shù)依然存在一些不足，如抗干擾能力差、對測量環(huán)境要求高、測點絕對位移值量測困難等。

在測量中為減少無尺量測引起的測量誤差，首先應(yīng)加強以下幾個方面的管理:指定熟練的量測人員專人進行量測，減小人為誤差;盡量將儀器固定在相對固定的位置，減少位置更換引起測量誤差;定期對儀器校核，減少儀器誤差;改善洞內(nèi)量測環(huán)境，減少對量測的干擾。

總之，無尺量測技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)進一步對其量測測點絕對位移方法、測點設(shè)置、軟件功能與實際需要相配套以及環(huán)境適應(yīng)性強等方面進行研究，使無尺量測技術(shù)更加完善。

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