楊茂華， 孫亞霖

(佛山市公路橋梁工程監(jiān)測(cè)站有限公司， 廣東 佛山 528041)

隨著社會(huì)的發(fā)展，城市交通壓力越來(lái)越大，城市軌道交通迎來(lái)井噴式發(fā)展。隨著大量城市軌道項(xiàng)目的上馬，軌道工程的安全問(wèn)題日益凸顯，對(duì)工程監(jiān)測(cè)提出了更高要求。管片結(jié)構(gòu)豎向位移監(jiān)測(cè)在地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中具有重要地位，目前主要采用公路隧道的測(cè)量方法，如精密水準(zhǔn)測(cè)量法、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。這些方法都存在一定局限，如水準(zhǔn)儀測(cè)量倒尺法存在掛尺不便的問(wèn)題，測(cè)量工作強(qiáng)度高、時(shí)間久，需較多人力和物力投入；自動(dòng)化系統(tǒng)造價(jià)高，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，常需人為干預(yù)才能連續(xù)工作。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，精度更高的全站儀在隧道施工監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不用測(cè)量?jī)x器高和棱鏡高的三角高程測(cè)量方法得到廣泛運(yùn)用，并取得了很好的效果。

1 測(cè)量方法及原理

三角高程測(cè)量方法是基于徠卡圓棱鏡和小棱鏡的全站儀測(cè)量管片結(jié)構(gòu)豎向位移的方法，測(cè)量過(guò)程中不用量取儀器高和棱鏡高，且對(duì)全站儀的設(shè)站位置無(wú)太多要求，架設(shè)在通視好的位置即可。

監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)由地面國(guó)家一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)引入隧道洞口外，并設(shè)置牢固的強(qiáng)制對(duì)中墩，在對(duì)中墩上放置圓棱鏡。布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，為保證測(cè)量精度，選擇基準(zhǔn)點(diǎn)零點(diǎn)位置時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)距離第一站儀器安置點(diǎn)的水平距離應(yīng)不小于后視點(diǎn)高度的2倍，以防后視點(diǎn)觀測(cè)豎直角大于30°。保持較小的后視點(diǎn)豎直角，以適當(dāng)增加水平距離，可增強(qiáng)后視點(diǎn)的穩(wěn)定性。

隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在拱頂，并避開(kāi)施工管道，監(jiān)測(cè)點(diǎn)用360°小棱鏡固定在管片上，每隔固定距離布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并按照順序編號(hào)(見(jiàn)圖1)。

圖1 拱頂沉降測(cè)量路線

測(cè)量時(shí)，將全站儀架在點(diǎn)A，此時(shí)后視點(diǎn)為點(diǎn)O，前視點(diǎn)為點(diǎn)5，然后依次測(cè)量點(diǎn)1～5，完成一測(cè)站的觀測(cè)；然后搬至點(diǎn)B，此時(shí)后視點(diǎn)為點(diǎn)5，依次測(cè)量該站需測(cè)量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)完后搬至下一站進(jìn)行測(cè)量。為保證測(cè)量精度，后視點(diǎn)和前視點(diǎn)到站點(diǎn)的水平距離應(yīng)大于測(cè)點(diǎn)高度的2倍。

2 測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算

2.1 高程計(jì)算

如圖2所示，設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)為點(diǎn)1，待測(cè)點(diǎn)為點(diǎn)2，在測(cè)點(diǎn)1、2分別安放圓棱鏡，在測(cè)點(diǎn)1、2大致中間的位置安放全站儀，按照常規(guī)三角高程測(cè)量原理，則測(cè)點(diǎn)1、2間的高差為：

圖2 拱頂測(cè)量計(jì)算示意圖

(1)

式中：H1、H2分別為測(cè)點(diǎn)1、2到站點(diǎn)平面的距離；S1、S2分別為測(cè)點(diǎn)1、2到站點(diǎn)的距離；α1、α2分別為測(cè)點(diǎn)1、2到站點(diǎn)連線與水平面的夾角；K1、K2分別為測(cè)站到測(cè)點(diǎn)1、2的大氣折光系數(shù)。

點(diǎn)1為基準(zhǔn)點(diǎn)，高程已知，則測(cè)點(diǎn)2的高程為：

(2)

由于是在洞內(nèi)測(cè)量，測(cè)量距離較短，測(cè)量環(huán)境穩(wěn)定、均勻，每點(diǎn)的測(cè)量情況相似，大氣折光的影響較微弱，為抓住主要矛盾，分析三角高程測(cè)量誤差的主要影響因素，不考慮大氣折光的影響，式(2)簡(jiǎn)化為：

H2=H1+S2sinα2-S1sinα1

(3)

2.2 中誤差計(jì)算

點(diǎn)1為基準(zhǔn)點(diǎn)，高程穩(wěn)定，不考慮點(diǎn)1的誤差，對(duì)式(3)進(jìn)行全微分，得：

(4)

式中：dH2為測(cè)點(diǎn)2高程的微分量；dS1、dS2分別為測(cè)點(diǎn)1、2至測(cè)站斜距的微分量；dα1、dα2分別為測(cè)點(diǎn)1、2豎直角的微分量。

由于測(cè)量使用的是同一臺(tái)儀器，前后視距又大致相等，各距離和角度中誤差分別按照相等來(lái)處理，根據(jù)誤差傳播定律，式(4)的中誤差為：

mh=±

(5)

式中：mh為測(cè)點(diǎn)2的高程中誤差；ms為距離測(cè)量的中誤差；mα為高度角測(cè)量的中誤差；ρ″為轉(zhuǎn)換系數(shù)，其值為206 265。

2.3 精度分析

采用徠卡TM50全站儀配合徠卡圓棱鏡(見(jiàn)圖3)進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)角精度mα=±0.5″，測(cè)距精度ms=±(0.6 mm+1 ppm)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理功能，可免去洞內(nèi)計(jì)算和測(cè)量常數(shù)設(shè)置等，從而大大減少測(cè)量工作時(shí)間。

圖3 測(cè)量?jī)x器

按照控制變量的方法，分別固定距離和角度，計(jì)算測(cè)點(diǎn)高程的中誤差，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表1可知：1) 豎直角不變時(shí)，mα值不變，ms隨著觀測(cè)距離的增大而增大，測(cè)量誤差增幅隨著觀測(cè)距離的增大而增大。2) 如果每次測(cè)量距離不變，則ms影響值固定，mα影響值隨測(cè)量距離的增加而增加，測(cè)點(diǎn)高程誤差有所增加，但增幅不大。3) 測(cè)點(diǎn)高程誤差的最大影響量取決于測(cè)量時(shí)豎直角，隨著豎直角的增大，測(cè)點(diǎn)高程誤差快速增大。4) 根據(jù)GB 50911-2013 《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的要求，工程監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí)時(shí)，豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)站高差中誤差小于等于0.6 mm。對(duì)于徠卡TM50全站儀，豎直角控制在30°以下，測(cè)量距離在200 m以內(nèi)都滿足要求。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

某城市軌道交通二號(hào)線的某段地下區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，斷面形式為圓形，結(jié)構(gòu)形式為裝配式鋼筋砼單層襯砌。洞身主要穿過(guò)強(qiáng)～中等風(fēng)化砂巖、泥巖，局部拱頂為殘積土，無(wú)不良地質(zhì)，特殊巖土為人工填土、軟土、殘積土、風(fēng)化巖及膨脹巖。隧道范圍的主要建(構(gòu))筑物有南北大涌公路涵、泰陶衛(wèi)浴(2層)、?？谌诵刑鞓?、鳳凰人行天橋、隔田坊安全小區(qū)、石油公司油庫(kù)、鳳凰崗加油站、石灣站端頭民房區(qū)等。工程監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí)，其中管片結(jié)構(gòu)豎向位移為必測(cè)項(xiàng)目。

該項(xiàng)目區(qū)間豎向位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)(點(diǎn))以85高程系統(tǒng)為基準(zhǔn)建立，采用施工坐標(biāo)系，起始附合于地鐵施工控制網(wǎng)二等精密水準(zhǔn)點(diǎn)上?？刂泣c(diǎn)由基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)組成，根據(jù)該線路車站待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)物的位置分布及道路地表等監(jiān)測(cè)對(duì)象分布情況，控制網(wǎng)分段布設(shè)成局部獨(dú)立網(wǎng)，與觀測(cè)點(diǎn)一起布設(shè)成閉合環(huán)網(wǎng)、附合網(wǎng)或附合線路等?；鶞?zhǔn)點(diǎn)是檢驗(yàn)工作基點(diǎn)穩(wěn)定性的基準(zhǔn)，設(shè)在遠(yuǎn)離地鐵基坑或隧道施工影響區(qū)的穩(wěn)固位置，距基坑開(kāi)挖深度或隧道埋深2.5倍范圍之外。以3個(gè)斷面的豎向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果(見(jiàn)圖4～6)為例分析測(cè)量結(jié)果的可靠性。

圖4 0#斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 17#斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖6 33#斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖4～6可看出：3個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化平緩、圓滑，只有個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)略微起伏；豎向位移整體上呈現(xiàn)越來(lái)越小的規(guī)律，符合隨著盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)離管片結(jié)構(gòu)豎向位移逐漸收斂的規(guī)律。采用全站儀三角高程測(cè)量方法進(jìn)行管片結(jié)構(gòu)豎向位移測(cè)量科學(xué)、可行。

4 結(jié)論

(1) 傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量方法操作不便，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而采用全站儀三角高程測(cè)量方法快速且精度滿足要求，是測(cè)量管片結(jié)構(gòu)豎向位移的一種新方法。

(2) 采用全站儀測(cè)量時(shí)，相鄰兩測(cè)點(diǎn)間可以不通視，儀器只需整平，無(wú)需對(duì)中，不用量取儀器高，測(cè)量快速、靈活，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(3) 使用全站儀采取三角測(cè)量時(shí)，若需進(jìn)一步提高精度，可采取盡量使前后視距相等、盡量降低豎直角、適當(dāng)增加測(cè)回?cái)?shù)等措施。