陳軍紅，王炳燕

(1.新疆工程學院 土木工程學院，烏魯木齊 830091；2.海南靈宇地理信息有限公司，?？?571138 )

隨著“一帶一路”倡議逐漸落實，新疆作為絲綢之路的核心區(qū)，與國內(nèi)外開展經(jīng)濟合作日趨頻繁，經(jīng)濟得到高速發(fā)展[1]．但據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)人民政府發(fā)布的政府工作報告顯示，基礎(chǔ)設(shè)施滯后一直是制約新疆經(jīng)濟發(fā)展最大短板[2]．近年來，為彌補短板，新疆大力推進絲綢之路經(jīng)濟帶核心區(qū)交通樞紐中心建設(shè)，加強基礎(chǔ)設(shè)置投入力度，相繼京新高速公路、蘭新高鐵等項目開建，眾多項目涉及隧道建設(shè)廣泛采用新奧法進行設(shè)計與施工，已是在軟弱破碎圍巖地段修筑隧道的一種普遍方法．

由于巖體生成條件與地質(zhì)作用的復雜性，施工條件的復雜性，以及對工程設(shè)計參數(shù)的精確要求，采用新奧法必須需要通過多種量測手段，在施工過程中對圍巖動態(tài)和支護結(jié)構(gòu)工作狀況進行動態(tài)監(jiān)測．監(jiān)測結(jié)果可作為施工現(xiàn)場分析參數(shù)和修改設(shè)計的依據(jù)，為預見事故和險情，采取措施，防患于未然起到關(guān)鍵性作用．

凈空收斂量測是隧道監(jiān)控量測中的一項重要量測內(nèi)容，施工現(xiàn)場普遍利用全站儀自由設(shè)站對邊測量(RDM)方法對隧道凈空收斂量測．本文從全站儀的對邊測量原理，隧道非接觸凈空監(jiān)測方法、某工程應(yīng)用等三個方面對邊測量的理論、技術(shù)與應(yīng)用進行系統(tǒng)性介紹，對工程建設(shè)與專業(yè)教學具有一定的指導意義．

1 全站儀對邊測量功能

1.1 基本原理

所謂對邊是指一個角對面的那條邊．對邊測量，是指在不搬動儀器的情況下直接測量多個目標與某一個起始點間的斜距[3]、平距和高差.其測量基本原理如圖1所示.在三維空間中有任意兩個目標A與B，為測定A、B間的斜距SAB、水平距離Dab、高差h，在A、B兩側(cè)點安置反光棱鏡，在與A、B兩點均通視的任意點O上安置全站儀，觀測至A、B兩點的斜距S1、S2和豎直角α1、α2以及水平角β，分別根據(jù)三角余弦定理、三角高程測量、勾股定理計算得出A、B兩點的水平距離Dab、高差h、斜距SAB.具體計算公式如(1)、(2)所示．

圖1 對邊測量基本原理

(1)

h=S1sinα1-S2sinα2+vA-vB

(2)

式中，v1、v2分別為A、B測點的棱鏡高.

1.2 操作過程

全站儀的對邊測量功能，有兩種測量模式選擇：折線式與射線式，如圖2所示.

圖2 全站儀對邊測量模式

以NTS391R10型全站儀為例，說明射線式的施測過程：

第1步：在距離測量模式下，單擊[對邊]按鍵，進入對邊測量功能；

第2步：用筆針選擇A-B,A-C(射線式)；

第3步：照準棱鏡P1，單擊[測距]按鍵，顯示屏顯示全站儀與棱鏡P1之間的平距；

第4步：單擊[繼續(xù)]按鍵；

第5步：照準棱鏡P2，單擊[測距]按鍵；

第6步：單擊[繼續(xù)]按鍵，顯示屏顯示棱鏡P1和棱鏡B之間的平距(dHD)、高差(dVD)和斜距(dSD)；

第7步：要測定P1與P3、P4之間的距離，可分別照準棱鏡P3、P4，參照上述步驟，依次單擊[測距]、[繼續(xù)]、[測距]等按鍵，則顯示屏可顯示棱鏡P1與P3、P1與P4之間的平距(dHD)、高差(dVD)和斜距(dSD).

圖3 射線式的施測過程

2 全站儀自由設(shè)站對邊測量的隧道非接觸凈空監(jiān)測方法

隧道凈空，是指隧道內(nèi)輪廓線所包圍的空間，包括隧道建筑限界、通風及其功能所需的斷面面積．隧道工程在人工鉆破及TBM開挖時，隧道圍巖周邊各點趨向隧道中心變形，即收斂，凈空收斂量測(隧道壁面兩點間水平距離量測)可提供圍巖動態(tài)變形程度的判斷信息．

因為其具有量測結(jié)果直觀，測試數(shù)據(jù)可靠、量測儀表長期穩(wěn)定性好、抗外界干擾性強等優(yōu)點，一直是隧道開挖過程中監(jiān)控量測的首選與必測項目．其量測方法有收斂儀量測與全站儀量測兩種．由于收斂計量測方法效率低，實施過程與現(xiàn)場施工相互干擾，一般施工企業(yè)較多使用全站儀對邊測量法．為提高測量精度，該方法主要包括四個步驟[4]：

1)監(jiān)測點布設(shè)：按照規(guī)范要求，將兩個監(jiān)測點左右對稱布設(shè)在監(jiān)測斷面最大開挖線處，并進行保護，避免監(jiān)測點在隧道施工中被影響破壞．

2)全站儀設(shè)站：一般在施工現(xiàn)場允許的條件下，采用自由設(shè)站方式，將全站儀架設(shè)在所要測量斷面的隧道中心線處．若不允許，應(yīng)該根據(jù)全站儀望遠鏡放大率、有效測程、距隧道監(jiān)測斷面與距隧道中心線的距離等參數(shù)，選擇任意斷面合理位置架設(shè).比如，在兩車道公路隧道，將全站儀架設(shè)在隧道監(jiān)測斷面40～60 m，距隧道中心線5.25 m的范圍之內(nèi)．[5]

3)監(jiān)測點觀測：設(shè)站完成后，按照規(guī)范要求，利用全站儀對邊測量功能完成觀測斷面測線之間長度量測數(shù)據(jù)讀取，并進行記錄．

4)凈空收斂值計算：根據(jù)測線觀測值，比較不同周期同一條測線長度的變化，可反映隧道凈空收斂變形情況．

3 新疆某輸水隧道工程凈空變化監(jiān)測

3.1 工程概況

項目位于新疆，主體為輸水隧洞工程，輸水隧洞采用TBM與鉆破法結(jié)合的施工方式，包括隧洞開挖、一次性支護、鋼筋混凝土襯砌和回填、固結(jié)灌漿和1#支洞施工．1#支洞長2 596.59 m，縱坡10.4%，為直墻圓拱型斷面，施工排水為逆坡．施工過程依據(jù)新奧法基本原理，通過專用儀器和鞏固對圍巖和支護結(jié)構(gòu)受力、變形以及它們之間的關(guān)系進行觀測，依據(jù)監(jiān)測結(jié)果對其穩(wěn)定性和安全性進行評價．凈空變化監(jiān)測是必測項目之一．

3.2 凈空收斂量測方案設(shè)計

測點布設(shè)：根據(jù)《水利水電工程測量規(guī)范》(SL 2792002)、《水利水電工程施工測量規(guī)范》(SL 52-2015)規(guī)定，為了準確測定隧道圍巖力學形態(tài)變化情況，凈空變化量測應(yīng)需在同一斷面上進行，量測斷面的間距與測點數(shù)量應(yīng)根據(jù)隧道埋深、巖石級別、隧道斷面大小、開挖方法、支護形式等確定，一般依據(jù)表1選用．在隧道開挖、初次襯砌完成后的24 h內(nèi)，對開挖處進行監(jiān)測點布設(shè)，要求各測點應(yīng)距開挖面2 m的范圍內(nèi)盡快安設(shè)，并保證在每次開挖12 h內(nèi)取得初讀數(shù)，最遲不得超過24 h，且在下一循環(huán)開挖前必須完成，測點應(yīng)牢固可靠，易于識別．本項目隧道巖石屬于ⅢJ級，凈空收斂量測測點布設(shè)如圖4所示．1#支洞凈空變化測點布設(shè)在線路中線位置，測點編號為A，沿里程前進方向，中線左側(cè)點編號B、D，右側(cè)為C、E．TBM開挖段測點布設(shè)在斷面A、B、C、D處．

表1 斷面間距和每斷面測點數(shù)量

圖4 輸水隧道測點布設(shè)與編號

量測工具與量測頻率：對于隧道凈空變化量測，本項目采用索佳STE1030R全站儀進行．觀測點上應(yīng)該預埋鋼板，鋼板埋設(shè)時應(yīng)盡量使鋼板面正對測站方向.鋼板上粘貼膜片式回復反射器(反射片)．通過全站儀對邊測量功能，直接量測兩點之間水平距離作為測線長度，即為凈長，求出兩次量測的增量(減量)ΔL，即為此處的凈空變化量．監(jiān)測頻率應(yīng)根據(jù)測點距開挖面的距離及位移速度按照表2中的規(guī)定執(zhí)行，兩種情況所列觀測頻率不同時應(yīng)取較高的觀測頻率.若出現(xiàn)異常情況或者不良地質(zhì)條件時，應(yīng)加大觀測頻率.

表2 監(jiān)控量測頻率

3.3 隧道收斂數(shù)據(jù)處理分析

《規(guī)范》要求，現(xiàn)場量測所得的原始數(shù)據(jù)，具有一點的離散性，其中包含測量誤差，需對所測數(shù)據(jù)進行一定的數(shù)據(jù)處理．在取得監(jiān)測數(shù)據(jù)后，及時量測整理分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制各種變形-時間關(guān)系曲線，預測變形發(fā)展趨向及隧道圍巖結(jié)構(gòu)的安全性[6-7]．新疆某工程輸水隧道圍巖共40條測線，本文以ZK0+580斷面中AB測線的收斂數(shù)據(jù)說明數(shù)據(jù)處理與分析方法，BC、CD等其它測線相同，這里再贅述．該斷面實測數(shù)據(jù)如表3所示．

表3 ZK0+580斷面AB測線凈空收斂實測數(shù)據(jù)

表4 凈空收斂值回歸分析模型選擇與評價(Coefficients with 95% confidence bounds)

圖5 左線ZK0+580斷面凈空收斂時態(tài)曲線

其次，隧道圍巖和初期支護結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定性判斷．《規(guī)范》規(guī)定，隧道圍巖和初期支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)根據(jù)量測結(jié)果，結(jié)合以下兩個條件判斷：

條件1：隧道周邊收斂速度有明顯減緩均勢，收斂量已達到總收斂量的80%以上；

條件2：根據(jù)位移變化速度判別(表5).

表5 位移變化速度與隧道圍巖穩(wěn)定關(guān)系

對AB測線回歸指數(shù)函數(shù)曲線求極值，得到該斷面凈空收斂量的位移終值：

(3)

從表6可看出，工作面開挖20天后，隧道凈空收斂量以達到總收斂值的80%以上，70天以后，凈空收斂量基本完成．

表7 時間(T))-位移變化速率(U′)關(guān)系

依據(jù)規(guī)范，對比上表，在0～19天之間，ZK0+580斷面凈空收斂位移處于急劇變化階段，應(yīng)加強防護措施．經(jīng)過31天，凈空收斂位移基本達到穩(wěn)定，即隧道圍巖和初期支護結(jié)構(gòu)趨于基本穩(wěn)定，可停止測量，施作二次襯砌．

4 結(jié)論

在新疆“一帶一路”大背景下，公共基礎(chǔ)建設(shè)項目增多，隧道工程也會隨之增多．針對隧道的凈空變化監(jiān)測問題，本文基于全站儀對邊測量的功能，依據(jù)工程作業(yè)規(guī)范，通過工程案例詳細介紹隧道凈空變化監(jiān)測的布點方法、數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計、數(shù)據(jù)處理模型選擇與處理方法、隧道圍巖穩(wěn)定性判斷方法等內(nèi)容，為今后其他項目開展實施提供參考，為專業(yè)院校工程測量內(nèi)容教學提供案例．