劉百明

(中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司,遼陽(yáng) 111010)

隧道監(jiān)控量測(cè)是隧道安全施工的一項(xiàng)重要保障環(huán)節(jié),其中隧道內(nèi)的變形研究是隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目的重點(diǎn),變形量直接反映出圍巖的穩(wěn)定性與項(xiàng)目施工的安全性。在隧道變形監(jiān)測(cè)中,采用傳統(tǒng)的收斂計(jì)測(cè)量周邊收斂并采用水準(zhǔn)儀掛尺測(cè)量拱頂沉降的方式效率較低,且受施工影響較大。目前自動(dòng)化智能監(jiān)測(cè)方法尚未成熟[1],亟需一種滿足精度要求且效率較高的新方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)監(jiān)測(cè)方法。

本項(xiàng)目以山東某高速公路隧道為依托進(jìn)行研究,該隧道總長(zhǎng)為1 609 m。隧道左線的軸線起止樁范圍為ZK5+322～K6+125,長(zhǎng)度為803.0 m,隧道右線的軸線起止樁范圍為K5+320～K6+126,長(zhǎng)度為806.0 m。該隧道為分離式中隧道,設(shè)雙向六車道(左右洞單向各三車道),該隧道為超大斷面小凈距隧道。雙洞進(jìn)出口兩側(cè)約前100 m 為Ⅴ級(jí)圍巖,圍巖較破碎、裂隙較發(fā)育,該段隧道采用交叉中隔壁法施工。將施工的大斷面劃分為若干個(gè)小斷面,按順序分開(kāi)施工,每個(gè)施工的小斷面形成一個(gè)封閉或半封閉的承載結(jié)構(gòu),最終形成完整的隧道斷面結(jié)構(gòu)。隧道中間部分為Ⅲ級(jí)圍巖與Ⅳ級(jí)圍巖,該部分圍巖完整性較好,相應(yīng)隧道段采用上下臺(tái)階法施工。

在整個(gè)隧道施工過(guò)程中,各部分交叉作業(yè)較多,傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式受施工影響程度較大且效率較低[2-3]。為盡量加快施工作業(yè)進(jìn)度,本項(xiàng)目研究了一種效率更高的隧道變形監(jiān)測(cè)方法,即在隧道變形監(jiān)測(cè)中采用高精度全站儀后方交會(huì)的方法代替水準(zhǔn)儀掛尺法,并采用全站儀對(duì)邊測(cè)量法代替收斂計(jì)測(cè)量的技術(shù)方法。同時(shí)對(duì)全站儀兩種方法的原理及誤差來(lái)源開(kāi)展研究,最終確定在合理的范圍內(nèi)可利用全站儀后方交會(huì)法及全站儀對(duì)邊測(cè)量法代替水準(zhǔn)儀掛尺法及收斂計(jì)法在隧道內(nèi)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),且相應(yīng)方法滿足監(jiān)測(cè)精度的要求。

1 儀器及原理

1.1 選用儀器

拓普康ES-101 高精度全站儀實(shí)物(1 秒精度)如圖1 所示,天寶DINI03 電子水準(zhǔn)儀實(shí)物如圖2 所示。

圖1 拓普康ES-101 高精度全站儀實(shí)物

圖2 天寶DINI03 電子水準(zhǔn)儀實(shí)物

1.2 全站儀后方交會(huì)法原理

全站儀后方交會(huì)法是由兩個(gè)及以上已知基準(zhǔn)點(diǎn)的距離和方向作為后視點(diǎn),通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,首先根據(jù)已知基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo),利用全站儀按最小二乘法平差算出該測(cè)站上的儀器中心的坐標(biāo),進(jìn)而觀測(cè)未知點(diǎn)的坐標(biāo)[4-6]。整個(gè)過(guò)程中,隧道內(nèi)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)已知且穩(wěn)定,僅起傳遞作用,每次測(cè)量時(shí)全站儀的位置可以是隨意的,因此利用全站儀后方交會(huì)法在隧道洞內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)能夠較好地適應(yīng)施工隧道中的不良條件,全站儀后方交會(huì)法原理示意如圖3 所示。

圖3 全站儀后方交會(huì)法原理示意

圖3 中P點(diǎn)為全站儀的位置,其坐標(biāo)為(XP,YP,ZP);A、B兩點(diǎn)為一直基準(zhǔn)點(diǎn),坐標(biāo)分別為(XA,YA,ZA)和(XB,YB,ZB);1 號(hào)點(diǎn)與2 號(hào)點(diǎn)為隧道內(nèi)周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)?！螦計(jì)算公式如式(1)所示,∠B計(jì)算公式如式(2)所示。

式中,∠A=∠BAP,∠B=∠ABP,θ=∠APB,L=AB,L1=AP,L2=BP

根據(jù)余弦定理,P點(diǎn)在A、B兩點(diǎn)設(shè)定的參考系中的坐標(biāo)計(jì)算公式如式(3)和式(4)所示。

P點(diǎn)高程可根據(jù)A、B兩個(gè)已知點(diǎn)的高程利用正切函數(shù)得到,P點(diǎn)高程計(jì)算公式如式(5) 和式(6)所示(參數(shù)不同,所用公式不同)。

最終按最小二乘法平差設(shè)置全站儀的測(cè)站,進(jìn)而可以觀測(cè)隧道內(nèi)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

全站儀后方交會(huì)誤差不僅與全站儀自身測(cè)角、測(cè)距的精度有關(guān),還與全站儀測(cè)站點(diǎn)與已知點(diǎn)水平夾角(∠APB)、垂直夾角有關(guān)。后方交會(huì)角度一般為40°～150°,交會(huì)角度不應(yīng)過(guò)大或過(guò)小,角度在90°～100°為最佳精度。故盡量控制全站儀測(cè)站點(diǎn)與已知點(diǎn)水平夾角(∠APB)接近180°,且垂直夾角＞3°,從而設(shè)置后方交會(huì)的測(cè)站[7-8]。

1.3 全站儀對(duì)邊測(cè)量法原理

全站儀對(duì)邊測(cè)量是在全站儀開(kāi)機(jī)調(diào)整完成后選擇對(duì)邊測(cè)量模式,瞄準(zhǔn)測(cè)量完第一個(gè)點(diǎn),全站儀的屏幕上會(huì)有平距、高差、斜距3 個(gè)選項(xiàng),再瞄準(zhǔn)第二個(gè)點(diǎn)選擇相應(yīng)的功能鍵,即可完成全站儀的對(duì)邊測(cè)量。全站儀對(duì)邊測(cè)量法原理示意如圖4所示。

圖4 全站儀對(duì)邊測(cè)量法原理示意

在C、D兩個(gè)隧道周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)通視的位置P處安設(shè)全站儀,根據(jù)三角函數(shù)的余弦定理及全站儀的三角高程測(cè)量原理可以計(jì)算出C點(diǎn)、D點(diǎn)的水平距離與高差。水平距離D的計(jì)算公式如式(7)所示。

式中,D1、D2分別為全站儀到C點(diǎn)、D點(diǎn)的水平距離,且D1=S1·cosα、D2=S2·cosβ。

將相關(guān)參數(shù)代入式(7),可得計(jì)算公式如式(8)所示。

利用全站儀的三角高程測(cè)量原理可以得出C點(diǎn)、D點(diǎn)的高差,高差h計(jì)算公式如式(9)所示。

進(jìn)而得到C點(diǎn)、D點(diǎn)的斜距,斜距S計(jì)算公式如式(10)所示。

在隧道周邊收斂中使用的全站儀對(duì)邊測(cè)量法,其誤差主要與全站儀本身測(cè)角、測(cè)距的精度以及全站儀與兩個(gè)待測(cè)點(diǎn)組成的三角形(△PCD)的形狀及大小有關(guān)。在全站儀精度一致的情況下,全站儀安置在待測(cè)點(diǎn)C、待測(cè)點(diǎn)D兩者的垂直平分線上時(shí),其誤差最小。故在實(shí)際操作中,應(yīng)盡量將全站儀置于待測(cè)收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直平分線上[9-12]。

2 計(jì)算方法及監(jiān)測(cè)方案

2.1 隧道周邊收斂計(jì)算方法

(1) 周邊收斂的第一種計(jì)算方法:設(shè)測(cè)點(diǎn)1 本次測(cè)量的坐標(biāo)為(X1,Y1,Z1),測(cè)點(diǎn)2 測(cè)量的坐標(biāo)為(X2,Y2,Z2),測(cè)點(diǎn)1 上次測(cè)量的坐標(biāo)為(X01,Y01,Z01),測(cè)點(diǎn)2 上次測(cè)量的坐標(biāo)為(X02,Y02,Z02),測(cè)點(diǎn)1 與測(cè)點(diǎn)2 為隧道某一斷面的收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn),則隧道本斷面的收斂值[13-14]為

(2) 周邊收斂的第二種計(jì)算方法(使用全站儀):將全站儀置于兩個(gè)待測(cè)的隧道周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)線中間,完成儀器調(diào)整后直接利用全站儀的測(cè)斜距功能觀測(cè)兩個(gè)待測(cè)的隧道周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn),最后讀取全站儀數(shù)據(jù)[15],隧道本斷面的收斂值為S本次-S上次。

2.2 隧道拱頂沉降計(jì)算方法

若測(cè)點(diǎn)5 為某斷面的拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),該點(diǎn)本次測(cè)量的坐標(biāo)為(X5,Y5,Z5),上次測(cè)量的坐標(biāo)為(X05,Y05,Z05),則本斷面的拱頂沉降量為Z5-Z05。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

山東某高速公路隧道為分離式中隧道,雙向六車道布置,左右洞單向各三車道,該隧道為超大斷面小凈距隧道。雙洞進(jìn)出口兩側(cè)約前100 m 為Ⅴ級(jí)圍巖,圍巖較破碎、裂隙較發(fā)育,該段采用交叉中隔壁法施工,隧道中間部分為Ⅲ級(jí)圍巖與Ⅳ級(jí)圍巖,該部分圍巖完整性較好,該段采用上下臺(tái)階法施工。

(1) 交叉中隔壁法施工時(shí)選取施工的先行洞的上導(dǎo)洞拱頂沉降點(diǎn)(A點(diǎn))及周邊收斂點(diǎn)(B點(diǎn)和C點(diǎn))作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。交叉中隔壁法的施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5 所示。

圖5 交叉中隔壁法的施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

(2) 上下臺(tái)階法施工時(shí)選取上導(dǎo)洞的拱頂沉降點(diǎn)(A點(diǎn))及周邊收斂點(diǎn)(B點(diǎn)和C點(diǎn))作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。上下臺(tái)階法的施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6 所示。

圖6 上下臺(tái)階法的施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)

在隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)中,分別使用水準(zhǔn)儀掛尺法監(jiān)測(cè)及全站儀監(jiān)測(cè)的方式,將使用水準(zhǔn)儀掛尺法監(jiān)測(cè)的方式作為對(duì)比方式,研究利用全站儀后方交會(huì)方法的可行度。通過(guò)對(duì)隧道進(jìn)口樁號(hào)為K5+405、K5+415、K5+525 以及K5+535 的4 個(gè)拱頂沉降監(jiān)測(cè)斷面長(zhǎng)達(dá)15 d 的監(jiān)測(cè)(開(kāi)挖15 d 后隧道拱頂沉降基本已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)),獲得相關(guān)拱頂沉降數(shù)據(jù),各斷面拱頂沉降如圖7 所示。

圖7 各斷面拱頂沉降

通過(guò)分析沉降數(shù)據(jù)可知,兩種監(jiān)測(cè)方式的本次沉降值及累計(jì)沉降值誤差均未超過(guò)0.5 mm,滿足《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》 (JTG/T 3660—2020)的精度要求,故證明高精度全站儀后方交會(huì)法在隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)中可代替水準(zhǔn)儀掛尺法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 隧道周邊收斂監(jiān)測(cè)

在隧道周邊收斂監(jiān)測(cè)中,研究了3 種不同方法。

第一種方法是通過(guò)全站儀后方交會(huì)法測(cè)兩個(gè)隧道洞內(nèi)收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),然后進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算得出兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離,進(jìn)而得出該斷面的收斂值。

第二種方法是利用全站儀對(duì)邊測(cè)量功能,直接對(duì)兩個(gè)隧道洞內(nèi)收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行斜距的測(cè)量,進(jìn)而得出該斷面的收斂值。

第三種方法是使用隧道收斂計(jì)在事先布設(shè)好的收斂點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量,一般需重復(fù)測(cè)量讀數(shù)3 次,待符合精度要求后,對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算,最終確定測(cè)量值,進(jìn)而得到該斷面的實(shí)際收斂值。

通過(guò)對(duì)該隧道進(jìn)口樁號(hào)為K5+385、K5+395、K5+550 以及K5+570 這4 個(gè)周邊收斂監(jiān)測(cè)斷面長(zhǎng)達(dá)15 d 的監(jiān)測(cè),獲得相關(guān)周邊收斂數(shù)據(jù),各斷面周邊收斂如圖8 所示。

圖8 各斷面周邊收斂

從施工斷面的周邊收斂監(jiān)測(cè)情況可以看出,3 種方法的變化趨勢(shì)及累計(jì)收斂值基本一致,且全站儀后方交會(huì)法及對(duì)邊測(cè)量法均可適應(yīng)兩種不同大小的收斂斷面,其誤差也都＜0.5 mm,滿足《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660—2020)的精度要求。直接使用對(duì)邊測(cè)量法更貼近實(shí)際收斂值且更為方便,故在利用全站儀測(cè)收斂值時(shí),推薦使用對(duì)邊測(cè)量法。

3.3 不同監(jiān)測(cè)方法的效率對(duì)比

拱頂沉降效率對(duì)比如表1 所示。

表1 拱頂沉降效率對(duì)比

周邊收斂效率對(duì)比如表2 所示。

表2 周邊收斂效率對(duì)比

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)隧道施工時(shí)拱頂沉降監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到高精度全站儀后方交會(huì)法與水準(zhǔn)儀掛尺法的變化趨勢(shì)、累計(jì)沉降值基本相同,故高精度全站儀后方交會(huì)法在隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)中可代替水準(zhǔn)儀掛尺法。與傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀掛尺法相比,全站儀后方交會(huì)法可自由設(shè)置測(cè)站,能夠在最大程度上適應(yīng)隧道內(nèi)交叉作業(yè)的影響,節(jié)省人力的同時(shí)提升效率。

(2) 通過(guò)對(duì)隧道施工時(shí)周邊收斂監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到全站儀對(duì)邊測(cè)量法、后方交會(huì)法以及收斂計(jì)法的變化趨勢(shì)、累計(jì)收斂值基本一致,大斷面與小斷面誤差基本一致,說(shuō)明全站儀的兩種周邊收斂監(jiān)測(cè)方式可適應(yīng)隧道施工的各種工序;其累計(jì)收斂值誤差均未超過(guò)0.5 mm,故高精度全站儀隧道周邊收斂的兩種監(jiān)測(cè)方法均滿足測(cè)量精度要求,直接使用對(duì)邊測(cè)量法所得結(jié)果更貼近實(shí)際收斂值且操作更方便。

(3) 在隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)中,全站儀后方交會(huì)法的誤差不僅來(lái)源于測(cè)角與測(cè)距的精度,還與全站儀測(cè)站點(diǎn)與已知點(diǎn)水平夾角(∠APB)、垂直夾角有關(guān)。盡量控制全站儀測(cè)站點(diǎn)與已知點(diǎn)水平夾角(∠APB)接近180°,且垂直夾角＞3°,再設(shè)置后方交會(huì)的測(cè)站,這樣能最大限度減小誤差。

(4) 在隧道周邊收斂監(jiān)測(cè)中,使用全站儀對(duì)邊測(cè)量法產(chǎn)生的誤差主要與全站儀本身測(cè)角、測(cè)距的精度以及全站儀與兩個(gè)待測(cè)點(diǎn)組成的三角形的形狀及大小有關(guān)。在全站儀精度一致的情況下,全站儀安置在待測(cè)點(diǎn)C與點(diǎn)D的垂直平分線上時(shí),其誤差最小。