全站仪在隧道变形监测中的应用研究

1、同济大学 硕士学位论文全站仪在隧道变形监测中的应用研究 姓名：晏成 申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：夏才初 20050301 摘要 摘要 本文结合工程实践，对全站仪在隧道变形监测中的应用及其实施过程中存在的问题进行了分析研究工作，主要如下： 根据隧道变形监测的要求，对全站仪在隧道洞室变形与外部变形自动监测中的实施方法与测量精度进行了分析研究；用统计检验的方法来判断基准点位的稳定性；对变形观测点的数据进行处理，测站点稳定条件下，采用系统差分方法；测站点不稳定时，采用空问直角最小二乘坐标转换进行处理；龙山隧道变形监测数据分析表明，采用仕”、（）级全站仪进行隧道洞室三维变形监测能够达到

2、内的精度，外部变形自动监测变形点的三维坐标位移量中误差在内，满足了隧道变形监测的需要。关键词：隧道工程，全站仪，变形监测，自由设站，数据处理，精度分析 ， ： ， 洌椋恚澹睿螅椋铮睿幔? ， ， 【”、（）】 ， ： ， ， ， ， ， 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的届本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以

3、赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名雾装 眸弓月如日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名： 年 月 同 年 月 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 签名：澎玻 齿年月二。日 第一章前言

4、第一章前言课题的来源和研究意义课题产生的社会背景 二十世纪八十年代以来，随着我国改革开放不断深化，国民经济蓬勃发展，公路隧道的发展逐渐加快。我国是一个多山的国家，左右的国土是山地或重丘，高速公路建设由于技术上的需要，必须建设很多穿越崇山峻岭的山岭隧道，尤其是随着西部大开发战略的实施，在西部高原山区修建大量的高速公路，为缩短公路里程、改善线形和交通运输条件及环境保护，以保障行车的安全性、舒适性和快捷性，修建公路隧道的数量日益增多，据不完全统计，到年底，我国已建成的隧道约公里，隧道长度占线路总里程的比例越来越高，如云南元磨高速公路有隧道座，隧道约占总里程的贵州崇遵高速公路共有隧道座，隧道约占总里程

5、的。 在过去很长一段时间内，由于受当时经济发展水平的制约和隧道设计、施工技术上认识的局限性，隧道施工期变形监测未受到充分重视。近年来，随着我国公路隧道建设的迅速发展，隧道新奥法施工技术得到推广应用，在公路隧道建设中取得了较好的成绩，而监控量测是新奥法施工的核心【”，是监视围岩稳定性，检验设计与施工是否正确合理及安全的重要手段。我国隧道建设发展速度很快，传统的监测技术越来越难以满足现代隧道快速、大跨、安全施工的要求。课题研究的意义 隧道工程建设处理的对象是经历了漫长的地质年代而生成的地质体，其具有工程的隐蔽性、地质条件的复杂多变性和岩土体性质把握的不准确性，因此，常被称为“隐蔽工程”和“灰色系统

6、”。一般的：程测试相比，隧道工程中的现场量测具有特殊重要的作用。而对这一点并小是所有的人都认以到了，著 第一章前言名岩石力学专家米勒（）说， “在岩土工程，特别是在隧道工程中变形量测的重要性尚未被很多人所认识。有些人把很重要的监测过程看成是仅仅为了满足科研奢望而使用一下的时髦。同这种观点相反，对岩土结构特别是对隧道的形态所进行的量测己被证明，其重要性犹如对钢结构和混凝土结构所进行的静力计算一样。” 在隧道施工中，支护系统与围岩之间呈现着错综复杂的关系，并不总是能用“荷载一结构物”模型加以概括；特别是在采用与围岩紧密结合的锚喷支护、按新奥法原则修建隧道的情下况下， “荷载一结构物”模型显然不能正

7、确地描述围岩和支护系统之间的相互关系。因此，隧道旋工过程中，尤其采用新奥法施工时，对围岩应力调整过程和围岩变形情况进行监测是必要的。许多隧道开挖的经验表明，在施工过程中所进行的现场量测是获得关于围岩稳定性和支护系统力学形态变化动态的信息，确定隧道的开挖方法、合理的二次支护施作时间和进行信息化施工决策防止隧道坍塌的重要手段。 以施作及时、同围岩结合紧密并具有一定柔性的锚杆一喷射混凝土支护的使用为技术背景所发展起来的“隧道工程新奥地利法”），以其具有较大的灵活性、适应于任意尺寸隧道断面以及较大范围的地质条件和多变的岩石参数等特点，在现代隧道施工中被普遍采用。“新奥法”的原则是：隧道施工过程中安全条

8、件的获得和隧道使用过程中安全度和工程质量的保证，主要依靠围岩自身通过应力调整所建立的平衡。因此采用新奥法施工时，施工中对围岩应力调整过程和围岩变形情况监测，及时反馈围岩一支护复合体的力学动态及其变化是非常必要的。 隧道周边的位移是围岩与支护系统力学形态变化最直接最明显的反应，易于建立一些准则，来实现监控量测结果的反馈。在隧道工程中，位移监测作为掌握围岩动态的有效手段已引起工程界的广泛重视。目前已经广泛推广使用的隧道等地工程中的信息化技术【】要求在施工中设置监测系统，以获得在隧道丌挖及设置支护过程中围岩稳定性及支护工作状态的信息，而位移量测【】【】【是施工期监测的主要内容。位移监测的重要性决定了

9、及时地、高质量地数据采集是绝对必要的，另一方面，测量过程对施工的干扰又必须减少到最小，即测量工作必须快速进行。 传统勺隧道变形峪测，一般采用钢尺式收敛计、挂钢尺抄平、水准测量等接触方式进行，该方法具有成本低、操作简单和适应恶劣施一环境的优点。这 ， 第一章前言种接触方式监测的缺点是费用昂贵且现场安装难度大，通常只能布置一个断面，并且监测速度慢，无法及时反映隧道全线的稳定情况；同时，接触方式一般无法进行三维观测，当要了解隧道三维变形时，上述传统方法显得无能为力。随着我国西部大开发战略的实施，西部山区将有越来越多的大跨度、多断面、围岩越来越复杂隧道的修建，传统的监测方法具有明显的局限性，如现场操作

10、困难、对施工干扰大、测量精度下降等问题。随着现代测量技术的发展，特别是快速、高精度、自动化的电子全站仪的出现，使得这类仪器应用于隧道变形监测成为可能。以全站仪为主要设备的非接触隧道变形监测方法，越来越得到广泛的应用，成为发展的主要方向；与传统接触式量测方法相比，该方法能获取测点更全面的三维位移数据，而且可以克服传统围岩监测断面过少、获得的信息不丰富、监测过程复杂等特点，有利于结合现行的数值计算方法进行监测信息的反馈工作，且具有快速省力、数据处理自动化程度高和无须接近测点等特点，而且还能将数据量测数据存储起来，进行长期的监控量测，对隧道的施工和养护都具有重要的意义。隧道变形监测技术的发展概况 隧

11、道变形监测技术的发展 自年在瑞士苏黎士首次召丌岩石力学现场量测的国际会议后，人们才开始重视了现场量测技术。在隧道工程施工中，对隧道围岩变形监测是众多测试参数中重要参数之一，是保证工程设计、旋工科学合理和安全生产的重要措施。传统隧道变形监测技术采用钢尺式收敛计、挂钢尺抄平等接触方式进行，但越来越难以满足现代隧道快速、大跨、安全施工的技术要求。年代以来，随着电子技术的发展，电子全站仪的问世为隧道变形监测开辟了一条新的途径；工程实践表明，全站仪监测精度可达到皿毫米级。近几年发展起来的数字摄影测量和实时摄影测量为摄影测量技术在隧道变形监测中的深入应用开拓了非常广泛的前景，其精度已能达到毫米级水平。光、

12、机、电技术的发展，促进了无线遥测技术、光纤传感技术的进步为隧道变形监测提供了精确、可靠、便捷的方法，具有很大的发展潜力和经济效益。尽管如此，隧道变形监测技术在实 第一章前言践过程中还存在很多还不确定的因素，需要进一步研究和完善。现有隧道变形监测的方法 公路隧道变形监测的核心是要及时、有效地获得隧道施工过程中围岩和支护的力学动态及稳定状况完整、可靠的数据，为评价和修改初期支护参数、力学分析及二次衬砌施作时间提供信息依据；通过信息反馈及预测预报来优化施工组织设计，指导现场施工，确保隧道施工的安全与质量和工程项目的社会、经济和环境效益。目前，隧道变形监测主要有以下几种方法： 、传统位移监测方法 隧道

13、位移监测的传统项目是拱项下沉和周边收敛。采用收敛计对隧道周边进行收敛测量，尽管收敛计本身的读数精度很高，但在监测过程中，受到设备安置等各种因素的影响，实际重复精度只能达到”左右。同时，这种方法有明显的局限性，因为这种方法受限于隧道周边上各点之间的相对距离，且只能求得一点相对于另一点的位移。在某些情况下，从量测读数中很难甚至不可能获得明晰的隧道变形特点图。例如图卜所示，隧道不对称变形和纵向位移，采用传统的方法就测不出来。 不对称变形 枞向变形 图采用传统位移监测方法无法发现的变形 尽管可以监测边布置成如图卜所示的网状，利用杆 式伸长计加测部分点的绝对位移，用数学方法来确定其他 点的绝对位移，但这

14、种方法有以下缺陷：伸长计必须在隧 道开挖喷混凝土后埋设，从埋设到可供使用需要较长时 自，而这段时闻恰恰是隧道刷边变形最快的时段：另外， 图 伸长计不可能完全锚固于隧道丌挖松散区之外，加上数学 第一章前言模型的近似性，用这种方法求得的绝对位移实际上并不精确，不能真实反映隧道的实际变形。 采用传统水准测量的方法来监测隧道拱顶下沉，可以达的精度，但当测量边墙的点时，则很难进行测量，因而也不甚精确。 进行水准测量和获取收敛读数因需要投入一定的人力和时间来收集数据，从而在一定程度上干扰了施工进程。此外，由于施工通风、旋工机械和设备及其它障碍物的影响，采用传统方法经常不能获得连续的变形信息。 、全站仪自由

15、三维工作站 全站仪的全称为全站型电子速测仪，它由光电测距仪、电子经纬仪和数据处理系统组成。一台全站仪，除能自动测距、测角外，还能完成一个测站所需完成的工作，包括平距、高差、高程、坐标等，它具有多功能、高精度、自动化等优点，是其他常规仪器所无法比拟的【引。全站仪采用自由设站三维观测原理，指的是从任意测站观测若干己知点的方向和距离，通过坐标变换（或按最小二乘法平差算出该测站上仪器中心的坐标，然后以此测出其余点的新坐标。变形监测的基本思想是通过对比测点在不同时刻的三维坐标（，），得到该测点在该时段内的位移（相对某一初始状态）。与传统接触式量测方法相比，该方法能够获取测点更全面的三维位移数据，有利于结

16、合现行的数值计算方法进行监测信息的反馈工作，同时具有快速省力、数据处理自动化程度高和无须接近测点等特点。全站仪自由三维观测如图卜所示。 测点（反射膜片） 矧全站仪三三维洲站观测不意幽 第一章前言 在隧道变形观测中，与全站仪配合使用的反射目标，目前是采用一种膜片式回复反射器作为测点靶标以取代价格昂贵的圆棱镜反射器。回复反射指的是光波顺原路返回的现象。具有回复反射性能的膜片形如塑料胶片，其面由均匀满布的微型棱镜及透明塑料薄膜构成，反面涂有压敏不干胶，可以牢固地粘附在结构表面上。这种反射膜片，大小可以任意剪裁，价格低廉。 目前，在日本、瑞士等发达国家，已将全站仪正式应用于隧道及地下工程的净空位移量测

17、中。全站仪也逐渐成为世界上许多著名厂商生产的重要测量仪器之一，其中尤以瑞士徕卡公司和日本索佳公司的全站仪最为著名。 全站仪主要有以下特点：（）采用同轴双速控制、微动结构，使照准更加快捷、准确；（）控制面板提供了良好的人机界面，具有强大的人机对话功能，操作简便，能有效减少按健时出现的错误，另外也有助于减轻作业人员的疲劳感：（）设有双向倾斜补偿器，可以自动对水平和竖直方向进行修，以消除竖轴倾斜误差的影响；（）机内设有测量应用软件，可以方便地进行三维坐标测量、后方交会、放样测量及其他测量等工作；（）具有双路通讯功能，可将量馐荽涓獠考扑慊部山邮芡獠考扑慊闹噶詈褪荨?在我国的工程测量中也已广泛使用了全站

18、仪，将全站仪用于隧道位移量测的技术也正在研究和探索应用。普通的全站仪（测程可达）和无反射全站仪（测程在范围内）测距精度均能达到（）或（。）。量测仪器以及计算机硬件水平的进步，为隧道围岩变形量测奠定了必要的硬件条件。如果结合高精度三维测量方法和合理的数据处理技术，可以将测量精度提高到亚毫米级，从而实现全站仪隧道位移量测的国产化。 、近景摄影量测 观测隧道变形的近景摄影量测同地面上的近景摄影量测一样，所用摄影机有两种类型：一种是带有框标和定向设备的量测相机摄影经纬仪，一种是没有框标和定向设备的非量测相机普通照相机。但不论采用那种类型的摄影机，都是根据目标点控制点和待定点）在像空间坐标系的坐标和其物

19、空间坐标之间的关系，建立目标点（地物点、像点和投影中心的共线方程。近景摄影量测隧道洞室位移的实质，就是测算出目标点的物窄坐标，测算出相应点的物空坐标的变化，即为相应的三维位移矢量【】【】。 近年来，将摄影量测技术用于隧道洞室位移监测，具精度已能达到毫米级水平。近景摄影量测已从模拟法步入解析法。根据摄影最测的基本原理，按照 第一章前言测定已知元素的不同，近景摄影量测有以下几种：（）测定地面控制点的方法；（）测定摄影外方位元素的方法；（）直接线性变换的方法；（）手持相机监测隧道洞室位移的近景摄影量测新技术。其中前三种方法由于量测时间长，或需要购置价格昂贵的摄影经纬仪和坐标量测仪，或对施工和运营干扰

20、很严重而难以推广使用。手持相机监测隧道洞室位移的近景摄影量测新技术的优点为：（）在洞室断面上布置的变形标志点越多越好，既能客观地反映整个洞室的变形动态，又能提高点位的量测精度，并不增加洞内的观测时间；（）由于自由设置摄站和基尺，变形点标志设置方便，能在开挖后的数分钟内拍摄完毕，能及时反映洞室的最初状态，对施工干扰很小；（）不需专用设备，普通相机代替了摄影经纬仪，鼠标代替了坐标量测仪，扫描仪仅需花费两、三千元即可购置，有些设备大都可以利用单位已有的，从而减少了设备开支。该技术能客观、及时、全面、可靠地反映洞室位移的动态变化，实现洞室位移观测的数字化，向自动化方向迈出了可喜的一步。 目前，经试验测

21、定，该技术仍然需要进一步提高量测精度：（）改变标志图形，使其便于量测；（）采用数字相机，实现实时近景摄影量测，减少冲洗相片造成的误差影响。实时近景摄影量测已是当前国内外争先研究的热点。文献介绍了在北京地铁王府井车站进行的隧道变形的近景摄影量测试验，取得了良好的效果。可以预测，实现手持相机观测隧道洞室位移的实时近景摄影量测已为期不远。 、无线遥测技术 无线遥测技术代表了当今世界的先进水平，开发位移无线遥测技术将会产生极大的经济效益和社会效益。位移无线遥测技术的研制成功，将会在铁路、公路、矿山、地质等需要量测位移的各个领域得到广泛的应用。 文献介绍了一种多通道无线遥测隧道围岩位移系统，围岩位移变化经过机械传动使装在无线遥测数据采集发射装置中的容栅式位移传感器输出的信号发生变化。传感器同时输出两路不同的信号数据信号、同步信号），而用无线方式同时传输这两路信号是极其困难的，因此，先将这两