隧道施工测量技术与变形监测

隧道施工测量技术与变形监测徐福国西部矿业黄南资源开发有限责任公司地址：青海省西宁市胜利路枫林绿洲3号楼21层1室【摘要】文章结合马平高速公路隧道施工测量的实际工作，阐述了主要技术工作方法，论述了隧道施工洞外与洞内控制测量、变形测量的内容和方法，变形观测周期和频率，基准点和变形点的布设方案。随着测绘科学技术的迅速发展，公路隧道施工测量技术也在不断地创新和进步，当代工程测量的GPS定位技术、数字化测图技术、激光、准直仪、全站仪与计算机组合断面测量和数据处理系统、施工变形测量和监控量测自动化系统，从理论和实践上，必将进一步完善发展，工程测量新技术、新方法也将在公路隧道施工测量中得到更广泛的应用。【关键词】隧道施工测量变形监测1概述隧道施工测量精度设计根据工程的特性、施工方法、施工精度、设备安装精度和贯通距离等诸多因素确定的，它不仅要保证隧道贯通，而且要满足线路定线和放样的精度要求。隧道施工测量的一项主要任务是保证隧道贯通。其贯通误差的大小将直接影响到隧道施工质量和工程造价。根据马平高速公路测量仪器和设备状况以及隧道结构的竖向允许偏差，很容易满足贯通误差设计要求。采用不等精度分配方法，将高程贯通测量误差分配到高程测量的各个环节。此外，通过监测随时预报变形、位移值的大小，以便及时修改施工参数对隧道采取加固措施，控制变形量保证安全。2隧道施工测量主要技术方法2.1断面测量在隧道中直线段每10m，曲线段每5m测量一个断面，并根据隧道不同的断面形状，在断面上选择与相关的位置测定其与线路中线的距离。过去很多单位采用人工直接丈量的方法，不仅精度低，速度慢，而且工作量非常大。随着测量仪器和测量技术的发展，断面测量仪面世后，断面测量工作有了新的突破．但该仪器不能实行一站多断面测量，而且价格昂贵。经研究和实践，采用全站仪、数据采集器、计算机和觇牌组成断面测量系统进行断面测量。利用该系统进行断面测量的方法有两种，一种是将全站仪和觇牌安置在隧道中线点上，首先测量置镜点至欲测断面中线点的水平距离和高程，并将水平角置零，然后就可连续依次测量多个断面测量点水平角和垂直角数据，并自动传输到数据采集器之中，并通过计算机经运算即可求出待测点与中线距离，最终以数据表格和断面图的形式输出观测成果。另外，为保证测量的断面垂直于中线，在觇牌上安置有简单照准装置和水平读盘装置，不管是直线、圆曲线还是缓和曲线段，都可以根据事先计算后的觇牌至仪器方向与断面夹角值标定出断面方向。另一种方法是将全站仪或觇牌安置在隧道内任意位置，则测量仪器或觇牌在非线路中心进行断面测量。该方法利用任意安置仪器或觇牌的点与线路关系，通过计算确定断面里程和方向，从而进行断面测量。上述两种断面测量方法速度快，使用方便，而且可以充分利用本单位现有测量仪器设备。2.2GPS控制网测量采用GPS进行首级控制测量，控制网由10个点组成，布设成单三角锁形式，该网采用3台WMl01单频接收机观测，异步环闭合差为1.73×10-6～2.89×10-6，边长中误差为±2.1mm，点位中误差为±3.5mm。考虑到隧道施工测量误差分配到GPS测量的误差精度要求(相邻点位中误差小于±l0mm)，为加强控制网整体强度，采用一次布设两级观测，整体平差的原则设计和布设GPS网。一级网由2个重叠的大地四边形组成，二级网为一级网下加密的三角锁。GPS网采用3台TRIMBLE4000SSE双频接收机进行观测，一级网共观测5个时段，二级加密网共观测11个时段，每时段观测60min。重复测站数R=3.7，网的可靠性指标η=0.625。外业观测结果：同步环16个．平均闭合差为0.4×10-6，最大闭合差为2.83×10-6，最小闭合差为0.07×10-6，绝大部分均小于O.5×10-6。异步环36个，最大闭合差为2.83×10-6，最小闭合差为0.06×10-6，大部分均小于1×10-6。全网计31条边，其中复测边占45％，平均互差值为4.4mm。平差时选定以2个已知点为固定点，以一级网下加密三角锁的网型方案进行平差，平差后点位中误差为±3.2mm,方位中误差为±O.23″，边长中误差为±2.3mm。同时通过对不同网型方案的平差方法的分析，发现在一级网加密导线的方案以较小的工作量同样可以得到较高的测量精度。2.3定向测量在马平高速公路施工测量中，采用全站仪、垂准仪和陀螺经纬仪组成的联合作业方法进行隧道施工定向。该方法摆脱了传统悬吊钢丝的联系三角形法，不仅克服了受外界电磁干扰和施工场地狭窄制约．图形强度不易提高，占用时间过长等缺点，不仅增加了测量检核条件．又提高了定向精度。在马平高速公路施工测量中所使用的GAK-1陀螺经纬仪标称精度为一次定向中误差差±20″，实际作业时定向边的陀螺方位角一般随隧道掘进独立定向3次，每次3测回，如果只顾及陀螺方位角及其改正数的测定误差．则定向边陀螺方位角可达到±20″。除上述定向测量方法外，当隧道较长时，则采用导线测量方法传递坐标和方向，同样布设双导线加强检核和提高精度；在某些长距离的大型重要贯通工程中，通常要测设很长距离的经纬仪导线，导线在巷道转弯处往往又有一些短边，由于隧道测角误差积累的结果，往往难以保证较高精度的贯通要求，而在隧道中要大幅度提高测角精度是比较困难的，所以在实际工作中经常采用在导线中加测一些高精度的陀螺定向边的方法来建立隧道平面控制，尤其是用于大型重要贯通的平面控制，它可以在不增加测角工作量以提高测角精度的前提下，显著减小测角误差对于经纬仪导线点位误差的影响，从而保证了巷道的正确贯通。还可采用在隧道边墙上钻孔，通过钻孔投测坐标或测定投测点陀螺方位角的方法提高定向精度。3地下隧道变形监测的内容和方法地下隧道变形监测的内容、方法和仪器见图1和表l。——边坡支护桩、墙位移测量——结构拱顶沉降测量变形监测内容————地表沉降变形测量——隧道顶部沉降观测——断面变形测量图1表1变形监测的方法和仪置测量内容测量方法常用测量仪器边坡支护桩大地测量、物理测量精密水准仪、测斜仪、全站仪墙位移测量结构拱顶沉降测量大地测量精密水准仪地表沉降变形测量大地测量精密水准仪、全站仪隧道中心变形测量大地测量精密水准仪、全站仪隧道顶部沉降观测大地测量精密水准仪、全站仪断面变形测量大地测量精密水准仪、全站仪4隧道变形监测网（点）的布设方案从隧道变形监测内容来看，支护结构变形测量仅设局部范围，多数用物理仪器量测或按中等精度做沉降位移测量，一般由各施工单位完成。而在施工过程中对地表的变形观测和对隧道结构的变形监测所涉及的范围大、要求的精度高和监测的时间长，必须做整体考虑，拟订统一要求的布设和实施方案。4.1变形测量基准网(点)的建立4.1.1平面变形监测基准网(点)隧道地面控制网沿线路分两级布设。首级GPS网和二级精密导线网，将它作为平面位移的基准网(点)是可行的。但是，为了满足对基准点稳定可靠的要求，在隧道施工期间应该对平面控制网(点)进行定期检核测量，若发现某些点不稳定，应及时对平面位移监测成果进行改正处理，或停止使用。4.1.2地面沉降监测基准网(点)隧道地面高程控制网的首级网为二等水准网，可作为沉降观测的基准。为了保证沉降基准网(点)的稳定可靠和长期使用，还应在二等水准网中沿线路建立一定数量的深埋于新鲜岩石上的基岩水准点。选择基岩水准点的位置时，不仅要求全线均匀分布，而且还要考虑在适当地段增加点数。在隧道施工期间，对作为隧道沉降观测的二等水准基点，必须进行定期检测，保证其稳定可靠。4.1.3隧道内基准网(点)选择隧道内平面位移和沉降监测基准网(点)时．应当充分利用原有的导线点和水准点，在施工过程中对其做多次检查测量，而且贯通后按符合线路重新平差，其平面和高程数据及点的稳定性都比较可靠。当施工过程中这些点有可能被破坏时，则需要结合做控制基标选择新的基准点组，并及时测定坐标和高程，作为隧道内监测的起算点。4.2地表沉降监测点的布设在隧道开挖地段，如果遇到不良地质时，为了保证施工期间地面隆起和沉陷控制在差以内，以防止隧道坍塌危及安全，必须进行地表的沉降观测，通过对地表的沉降观测和数据反馈，及时准确地提供施工参数；或掌握施工中围岩和支护的力学动态及稳定程度，以便修改设计和调整工作程序，确保施工安全和支护结构的稳定。地表沉降观测点间距根据隧道掘进方法和隧道开挖宽度确定。一般沿隧道中心线每30m布设l点，但在距掘进工作面50m以内时观测点距应等于或小于15m。为了观察隧道掘进对地面影响的范围和规律，还要在隧道中心线观测点上布置横断面监测点，自中心点向两侧不少于8m的范围布设1～2个横向监测点。横断面上的监测点数及间距主要根据隧道的地质情况和隧道结构尺寸决定。4.3隧道内变形监测点的布设及标志隧道结构变形与沉降观测，主要是建立一个施工期间监控系统，需要布设不少的基准点、控制点和监测点。布点位置及密度应根据隧道经过地区的地质及施工方法而定，在地质不良地段宜密，其它地段可稀一些。5变形观测的周期与频率变形观测周期原则上应根据隧道工程的环境以及施工期间地表与地下结构可能产生变形量的大小来确定。一般变形观测初期监测周期宜短，频率宜高。当某些局部地段的变形较快较明显时，宜缩短观测周期，反之应延长观测周期。6结束语随着测绘科学技术的迅速发展，地下隧道工程测量技术也在不断地创新和进步，当代工程测量的GPS定位技术、数字化测图技术、物探方法进行地下管线探测技术、激光准直和扫平仪、全站仪与计算机组合断面测量和数据处理系统、施工变形测量和监控量测自动化系统等在隧道工程测量中都得到了应用和发展，今后随着国民经济状况的好转，随着高速公路的不断发展，服务于隧道工程测量工作，从理论和实践上，必将进一步完善发展，工程测量新技术、新方法也将在隧道工程测量中得到更广泛的应用。参考文献1、《公路隧道施工技术规范》（JTJ042—