程俊杰

（中鐵十八局集團(tuán)國(guó)際公司 天津）

一、引言

圍巖變化量測(cè)傳統(tǒng)上一般采用數(shù)顯或其他收斂計(jì)等接觸方式進(jìn)行凈空位移變化量測(cè)，再結(jié)合水準(zhǔn)儀觀測(cè)拱頂下沉變化。在全斷面開挖后這些方法易受施工干擾，人為因素對(duì)測(cè)量精度影響較大，測(cè)量速度慢，而且測(cè)量難度較大，難以滿足已做好初期支護(hù)落底的隧道全斷面圍巖監(jiān)控量測(cè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，全站儀在工程施工測(cè)量中得到了普及，大大提高了測(cè)量的精度和速度，特別是近幾年來，基于計(jì)算機(jī)和全站儀平臺(tái)開發(fā)出來的各種測(cè)量軟件，給測(cè)量工作帶來了一場(chǎng)技術(shù)革命。隧道斷面測(cè)量系統(tǒng)就是其中的一種，它為圍巖變化量測(cè)提供了一種新的量測(cè)工具和技術(shù)手段。

斷面測(cè)量系統(tǒng)是徠卡公司專為隧道斷面凈空測(cè)量開發(fā)出來的軟件。同時(shí)，它可作為圍巖變化量測(cè)一種新的工具和手段，其基本原理是利用全站儀定點(diǎn)設(shè)站，通過斷面測(cè)量系統(tǒng)中的機(jī)載軟件測(cè)量隧道凈空，測(cè)定同一斷面上各圍巖變化量測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)段的二維坐標(biāo)（高程和水平方向），將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)通過后處理軟件進(jìn)行分析處理，最后輸出量測(cè)成果，準(zhǔn)確、快速地為施工提供數(shù)據(jù)參考。

二、工程概況

良心隧道是國(guó)道主干線GZ40西漢高速公路寧陜筒車灣至洋縣槐樹關(guān)段公路隧道，位于陜西省洋縣境內(nèi)高橋溝-良心間的低山中，隧址區(qū)沖溝發(fā)育，多為V形溝。溝谷基巖裸露，地表灌木叢生，植被發(fā)育。隧道設(shè)左、右線分離式隧道。其右線隧道為直線隧道，全長(zhǎng)3580 m，屬特長(zhǎng)隧道。隧道進(jìn)口段近230 m地處一坡度約45°的山腰偏下，埋深最大不過36 m，除洞口外最小約18 m，絕大部分在18～30 m，處于淺埋偏壓地段。圍巖類別設(shè)計(jì)上除了洞口75 m為Ⅱ類，其余均為Ⅲ類，初期支護(hù)均有鋼支撐。隧道洞身設(shè)計(jì)沒有考慮偏壓結(jié)構(gòu)，在上半斷面掘進(jìn)350 m、下半段面落底200 m時(shí)，通過斷面測(cè)量，與早先測(cè)量的斷面比較分析，發(fā)現(xiàn)隧道變形扭曲，個(gè)別鋼支撐出現(xiàn)斷裂，造成了大面積的侵限。

為了確定受偏壓影響的隧道洞身變化穩(wěn)定與否，決定不采用原來的較傳統(tǒng)的方法，根據(jù)隧道洞身變形情況，重新布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)目標(biāo)選用專用反射膜片，結(jié)合斷面測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行圍巖凈空變化、拱頂下沉及周邊收斂的監(jiān)控量測(cè)。實(shí)踐表明，斷面測(cè)量系統(tǒng)在良心隧道右線偏壓段取得良好效果，并為圍巖穩(wěn)定性判別和指導(dǎo)施工提供了依據(jù)。

三、量測(cè)前準(zhǔn)備

（1）儀器設(shè)備。徠卡TCRA1102或能進(jìn)行無棱鏡測(cè)距型全站儀1臺(tái)，反射膜片（貼片尺寸2×2 cm）若干片，外業(yè)機(jī)載軟件Profiler Survey V2.0及斷面測(cè)量后處理軟件或具備同等功能的斷面測(cè)量軟件。

（2）貼片安裝。根據(jù)規(guī)范和有關(guān)要求，結(jié)合圍巖條件，每個(gè)斷面可按3～5條基線形式布置觀測(cè)點(diǎn)。可用全站儀定位放樣進(jìn)行貼片定位安裝。由于巖面大部分是初期支護(hù)，安設(shè)貼片前先將欲置貼片位置的巖面磨或清洗干凈，最好做到一塵不染，確保不干膠的貼片與巖面粘貼牢固，滿足量測(cè)周期要求。對(duì)于個(gè)別除了可以打磨到鋼支撐面上外，可用錨桿焊接角鋼在角鋼上粘貼貼片或用膨脹螺栓錨固鋼板以粘貼貼片。貼片表面法線方向最好垂直巖面或隧道軸向，便于儀器接收到最強(qiáng)的反射信號(hào)。

四、監(jiān)測(cè)精度

量測(cè)規(guī)范要求測(cè)距及角度均取自全站儀默認(rèn)標(biāo)稱精度，測(cè)得空間位置（X、Y、H）。其中，X指該斷面的里程，是固定不變的，實(shí)際測(cè)量采集數(shù)據(jù)時(shí)只測(cè)量Y和H，即水平方向和高程方向。采用隧道斷面測(cè)量系統(tǒng)量測(cè)斷面通過后處理分析，其監(jiān)控量測(cè)結(jié)果精度可達(dá)到0.001cm，完全可以滿足量測(cè)規(guī)范的要求。

五、外業(yè)數(shù)據(jù)采集

首先放樣出斷面量測(cè)時(shí)全站儀的測(cè)站點(diǎn)，再根據(jù)測(cè)站點(diǎn)定出監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)--目標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)的概略位置，這樣做是為了保證目標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)和測(cè)站點(diǎn)在同一斷面上，符合監(jiān)控量測(cè)要求，為下一步監(jiān)控量測(cè)工作做好準(zhǔn)備。按監(jiān)控量測(cè)要求，選取如圖1所示的5個(gè)測(cè)點(diǎn)，并由此形成了一封閉的量測(cè)斷面。外業(yè)要做的工作就是用機(jī)載軟件準(zhǔn)確測(cè)出這些點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)值（Y和H），其X坐標(biāo)即為該斷面里程。

1.儀器安置

在進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)采集數(shù)據(jù)前，首先選定一定點(diǎn)作為設(shè)站點(diǎn)，它應(yīng)該有三維坐標(biāo)，即里程（X）、偏移中心量（Y，左偏取負(fù)，右偏取正）和高程。再根據(jù)此點(diǎn)放樣出量測(cè)斷面上目標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)，使它們和該點(diǎn)保持在同一斷面內(nèi)。因?yàn)槎磧?nèi)地面事先澆筑了混凝土，做過仰拱填充，使該點(diǎn)與大地固連在一起，確保點(diǎn)位的穩(wěn)定性。每次進(jìn)行量測(cè)時(shí)都安置儀器在這一固定點(diǎn)。安置儀器時(shí)，只要按常規(guī)方法操作，做好精確對(duì)中整平即可。然后記錄量測(cè)儀器高。由于目標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)都是固定在洞壁上的，它們和測(cè)站點(diǎn)位于同一個(gè)斷面上，所以不需要定位方向，也不需要輸入測(cè)站點(diǎn)大地坐標(biāo)。

圖1 量測(cè)點(diǎn)位置布置

2.觀測(cè)

完成儀器設(shè)置工作后，測(cè)量工作的同時(shí)要求人為記錄測(cè)站點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)（X、Y、H）和儀高，或直接計(jì)算出儀器相對(duì)于斷面測(cè)量系統(tǒng)要定位到某一平面的高度（稱為儀器的相對(duì)高度）。本方法是要求計(jì)算出儀器相對(duì)于設(shè)計(jì)路面的高度，即測(cè)站點(diǎn)高程加上量測(cè)時(shí)儀器絕對(duì)高度再減去該斷面里程所對(duì)應(yīng)的路面中心設(shè)計(jì)標(biāo)高，所得值為斷面測(cè)量系統(tǒng)在該里程上的定位高度。然后進(jìn)行下一步斷面測(cè)量數(shù)據(jù)采集。啟動(dòng)斷面測(cè)量系統(tǒng)機(jī)載軟件Profiler Survey V2.0，軟件運(yùn)行顯示如圖2。

Profiler機(jī)載軟件所擁有的功能全部在徠卡TCRA（M）型全站儀上具體實(shí)現(xiàn)，“1 Intersection Calculate”菜單項(xiàng)完成外業(yè)交點(diǎn)計(jì)算；“2 Setup”菜單項(xiàng)完成儀器安置設(shè)站、歸零工作；“3 Profiler”菜單項(xiàng)完成斷面測(cè)量工作。

圖2 Profiler Survey斷面測(cè)量機(jī)載軟件主菜單

（1）交點(diǎn)計(jì)算。隧道平面定線參數(shù)文件已經(jīng)在TPSPRO斷面測(cè)量系統(tǒng)后處理軟件中預(yù)先形成，并拷貝到全站儀PCMCIA卡上，故可在啟動(dòng)Profiler Survey軟件后，選擇“1 Intersection Calculate”菜單項(xiàng)，計(jì)算求得本次測(cè)量工作所需的平面定位要素。

功能鍵說明：F2，“INPUT”：?jiǎn)?dòng)用戶輸入，操作員在此錄入條中錄入交點(diǎn)名稱；F4，“OK”：確定本次計(jì)算有效。返回圖2Profiler主窗體；ESC：取消本次計(jì)算。返回圖2Profiler Survey主窗體。

（2）儀器測(cè)站安置、歸零。在Profiler Survey軟件中，測(cè)站坐標(biāo)的輸入及后視方向的度盤配置，以及斷面方向的計(jì)算，操作員在全站儀上圖3所示窗體中完成。

在圖4所示的Profiler軟件設(shè)站窗體中，功能鍵F1，“CONT/OK”：確定用戶本次設(shè)站，并返回主窗體（CONT）；或確定用戶輸入的數(shù)據(jù)，并自動(dòng)計(jì)算斷面方向（OK）；F4，“Hz0”：?jiǎn)?dòng)全站儀度盤配置窗體，完成度盤配置；F5，“IMPRT”：?jiǎn)?dòng)設(shè)站坐標(biāo)輸入功能，允許用戶在各輸入條中輸入數(shù)據(jù)。

圖3 交點(diǎn)計(jì)算主體

窗體中所顯示信息：“StatName：”儀器安置測(cè)站名，本次輸入RK161030；“St.Northing”測(cè)站北坐標(biāo)（X），本次輸入 161030；“St.Eeatting：”測(cè)站東坐標(biāo)（Y），本次輸入-3.064；“St.Elev：”測(cè)站高程（H）本次輸入9999；“Inst.Heigh t：”儀器高（Hi），可先直接輸入 0，后處理時(shí)通過記錄的儀器高再計(jì)算出相對(duì)的儀器高，在后出連軟件中進(jìn)行重新定位計(jì)算；“HZ_F：”機(jī)載軟件根據(jù)里程自動(dòng)計(jì)算所得斷面理論方向。

圖4 Profiler機(jī)載軟件設(shè)站窗口

（3）具體設(shè)站步驟。在隧道中架好全站儀后，在Profiler軟件設(shè)站窗體中：按F5“IMPRT”功能鍵啟動(dòng)設(shè)站數(shù)據(jù)輸入功能，分別錄入儀器安置坐標(biāo)X、Y、H（或里程、偏移、9999；其中9999不是實(shí)際高程而是標(biāo)識(shí)），和儀器高（或高差）。

當(dāng)在窗體中完成設(shè)站數(shù)據(jù)輸入后，按F1“OK”鍵自動(dòng)計(jì)算。顯示斷面方向在Hz_F：項(xiàng)。

操作員可按F4“HZ0”進(jìn)入全站儀歸零窗體，照準(zhǔn)后視方向點(diǎn)配置全站儀度盤到已知方向。

完成安置、歸零按F1“CONT”返回Profiler軟件主菜單窗體。

3.斷面測(cè)量

完成全站儀機(jī)載Profiler Survey軟件設(shè)站安置、歸零工作后，接下來，應(yīng)在Profiler軟件主菜單窗體中，選擇“3.Profiler”項(xiàng)菜單進(jìn)入（圖5）。

該窗體內(nèi)顯示信息含義：“CHAINGE：”測(cè)量斷面里程；“Pt：”已經(jīng)完成測(cè)量采集的點(diǎn)數(shù)；“Hz：”全站儀水平度盤讀數(shù)；“V：”全站儀垂直度盤讀數(shù)?！癝D：”測(cè)量所得斜距。

圖5 斷面測(cè)量數(shù)據(jù)采集窗體

進(jìn)入斷面測(cè)量數(shù)據(jù)采集窗體后，按直接按F1“Start”功能鍵，開始啟動(dòng)斷面測(cè)量，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，隨即按一下F4“Stop”，出現(xiàn)如圖6所示，再手動(dòng)依次瞄準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)即目標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)（貼片）正中心，再依次按一下F2“DIST”，即可獲得全部的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

需要補(bǔ)充說明的是，在斷面測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，斷面方向可認(rèn)為是固定的，即測(cè)站點(diǎn)與目標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)的連線，交點(diǎn)計(jì)算和儀器歸零這兩步可省去，直接進(jìn)入機(jī)載軟件設(shè)站窗體進(jìn)行設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)輸入定位，此時(shí)可發(fā)現(xiàn)機(jī)載軟件根據(jù)里程自動(dòng)計(jì)算所得斷面理論方向沒有，而且在后面的斷面數(shù)據(jù)采集窗體中第一行也沒有里程顯示，這是因?yàn)闆]有進(jìn)行交點(diǎn)計(jì)算，不過，絲毫不影響斷面數(shù)據(jù)的采集。這是因?yàn)槊看瘟繙y(cè)目標(biāo)點(diǎn)和置鏡點(diǎn)都是固定的（目標(biāo)點(diǎn)宏觀上可認(rèn)為不變，變化是微小的），而且誤差來源僅僅在于每次量取儀器高度（因?yàn)榱繙y(cè)儀器高對(duì)點(diǎn)位高程變化有直接的影響），故而要保證量測(cè)的準(zhǔn)確性和精確性，可量取三次取其平均值作為儀高，可將誤差減少到最小。其外業(yè)采集的數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 斷面測(cè)量數(shù)據(jù)采集窗體

圖7 目標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)布置示意圖

由此圖可看出，實(shí)際采集的是5組數(shù)據(jù)：5條斜距和其對(duì)應(yīng)的天頂距。這5組數(shù)據(jù)隨著圍巖的收斂變化以及儀器的高低而變化，而儀器高每次人為量測(cè)，通過后面的比較分析就可得出圍巖的收斂變化量。需要注意的是當(dāng)觀測(cè)拱頂目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，無法精確照準(zhǔn)，這時(shí)只要用激光點(diǎn)指向該點(diǎn)人為直接判斷準(zhǔn)確度，可參照反射回來的激光強(qiáng)度。

當(dāng)全站儀完成斷面采集后，按功能鍵Shift+F6“END”，返回Profiler軟件主菜單窗體。按照有關(guān)規(guī)范要求，對(duì)于每量測(cè)斷面，定點(diǎn)后進(jìn)行了第一次量測(cè)，而后再進(jìn)行了定期觀測(cè)直至圍巖穩(wěn)定。

六、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析及處理

用徠卡專用數(shù)據(jù)連接線把儀器與計(jì)算機(jī)相連，每測(cè)一次將量測(cè)原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，運(yùn)行斷面測(cè)量系統(tǒng)后處理軟件對(duì)量測(cè)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析處理，分析處理后的數(shù)據(jù)幻化成洞室絕對(duì)坐標(biāo)值，再根據(jù)坐標(biāo)差值比較確定圍巖變化。最終結(jié)果是以斷面圖和斷面數(shù)據(jù)表的形式顯示。如圖8所示，它是某次量測(cè)與第一次所測(cè)比較分析出來的結(jié)果。

由此可見，原始量測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理轉(zhuǎn)化成坐標(biāo)值，圍巖變化量通過斷面分析后用坐標(biāo)比較所得的差值反映出來的。因該隧道為直線隧道，所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是以隧道軸線里程遞增方向?yàn)閄軸、垂直隧道軸線前進(jìn)方向左側(cè)為負(fù)右側(cè)為正為Y軸，過隧道路面中心線豎直向上方向?yàn)閆軸建立的三維坐標(biāo)系統(tǒng)。這種處理結(jié)果極為形象直觀，把圍巖收斂絕對(duì)變化包括周邊收斂、位移及拱頂下沉變化，直接以坐標(biāo)（水平方向和豎直方向）差值的形式表示出來。對(duì)隧道偏壓造成的隧道洞室收斂、位移等的變形觀測(cè)提供了一種有效的量測(cè)方法。而傳統(tǒng)方法只對(duì)圍巖內(nèi)收斂變化進(jìn)行量測(cè)，對(duì)隧道整體性偏移卻無法量測(cè)。

圖8 斷面圖和斷面數(shù)據(jù)表

需要說明的是，外業(yè)數(shù)據(jù)采集的點(diǎn)號(hào)順序是1-2-3-4-5，而斷面后處理分析后點(diǎn)位的編號(hào)正好相反，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分別是5-4-3-2-1測(cè)量，這并不影響量測(cè)的整個(gè)過程和結(jié)果。

最后結(jié)果雖出來了，變化也基本上清楚了。為了能更直接客觀地表示收斂變化的規(guī)律可尋性和可比性，直至圍巖變化的穩(wěn)定性，需要對(duì)上述分析結(jié)果做進(jìn)一步整理。因?yàn)橛辛撕筇幚矸治龀鰜淼臄嗝鎴D和數(shù)據(jù)（顯示的是絕對(duì)坐標(biāo)Y和Z），可用本次的結(jié)果分別與上次以及第一次比較，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，整理成表1。

表1 良心隧道右線偏壓圍巖凈空變化量測(cè)記錄表

此結(jié)果僅僅是以直接的數(shù)據(jù)形式顯示的變化情況。傳統(tǒng)分析方法是根據(jù)每條測(cè)線繪制一定的位移曲線圖，而在本方法中為了適應(yīng)這一種形式以便形象地看出圍巖變化的趨勢(shì)，可根據(jù)表中每個(gè)斷面每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)繪制位移時(shí)間曲線圖，只不過是測(cè)點(diǎn)位移時(shí)間曲線圖。這里就不在贅述了。

七、信息反饋

鑒于該段隧道處于偏壓狀態(tài)，圍巖不僅有一般情況下的內(nèi)收斂（包括拱頂下沉）的特性，又有整體移位的特性，出現(xiàn)了圍巖變形、初期支護(hù)脫落及鋼支撐扭曲甚至現(xiàn)斷裂，隧道洞身二次襯砌出現(xiàn)了嚴(yán)重侵限等情況。在采用了上述圍巖變形量測(cè)的方法對(duì)圍巖變化進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)控量測(cè)的同時(shí)，隧道洞身偏壓段也及時(shí)采取了補(bǔ)救措施，在大部分地段安設(shè)臨時(shí)鋼支撐--套拱進(jìn)行二次支護(hù)，所有偏壓結(jié)構(gòu)段打?qū)Ч茏{，固結(jié)圍巖人為改變圍巖的類別，增加圍巖的穩(wěn)定性；洞外山坡腳進(jìn)行反壓回填，阻止山體位移。與此同時(shí)，山體也建立了放射性觀測(cè)網(wǎng)，洞內(nèi)外結(jié)合，觀測(cè)山體變形情況，更加確切量測(cè)隧道洞室變化情況。

經(jīng)過長(zhǎng)期的量測(cè)積累并建立了一套量測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，自發(fā)現(xiàn)變形偏壓至今確定處理方案近1年的時(shí)間內(nèi)，圍巖基本穩(wěn)定，從而可以確定進(jìn)行下一步襯砌工作。

由于隧道洞身變形較大，直接影響隧道襯砌成型后的凈空，而此凈空是不能更改的。經(jīng)甲方及有關(guān)專家研究確定了一套方案：降低偏壓段路面設(shè)計(jì)標(biāo)高20 cm，將原設(shè)計(jì)的路面墊層20 cm取消；二次襯砌改為雙層鋼結(jié)構(gòu)砼，最小厚度保證30 cm；部分地段不能保證最小厚度的，必須處理，原鋼支撐襯砌厚度不夠的地方要擴(kuò)挖換拱。至此，該段偏壓隧道的后續(xù)施工按此方案進(jìn)行。

八、結(jié)束語

在良心隧道右線偏壓段施工中，采用斷面測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行圍巖凈空位移量測(cè)，為該隧道施工提供了科學(xué)合理的數(shù)據(jù)依據(jù)、保證了施工安全和施工質(zhì)量、加快了施工進(jìn)度。實(shí)踐證明，斷面測(cè)量系統(tǒng)作為觀測(cè)圍巖凈空位移量測(cè)技術(shù)在該偏壓隧道施工中的應(yīng)用起到了極為重要的作用，是確定該隧道施工方案、變更隧道設(shè)計(jì)和保證隧道施工安全的重要依據(jù)，在判定隧道圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)效果、發(fā)現(xiàn)變異等方面取得良好效果。