陳惠霞

(中鐵十八局集團(tuán)公司， 天津 300222)

圍巖凈空位移量測(cè)是新奧法隧道施工過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié),是判斷圍巖穩(wěn)定性和指導(dǎo)施工的重要依據(jù)。圍巖凈空位移量測(cè)傳統(tǒng)上采用機(jī)械式或機(jī)械-電子式收斂計(jì)等接觸方式進(jìn)行，這些方法具有成本低、簡(jiǎn)便可靠、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)施工干擾大,人為因素對(duì)測(cè)量精度影響較大,測(cè)量速度慢,越來越難以滿足現(xiàn)代軟弱圍巖隧道快速、安全、高效的施工要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,全站儀在工程施工測(cè)量中得到了普及,大大提高了測(cè)量的精度和速度,特別是近幾年來,全站儀應(yīng)用自動(dòng)精確照準(zhǔn)、鎖定跟蹤、聯(lián)機(jī)控制、免棱鏡測(cè)距等許多新技術(shù),給測(cè)量工作帶來了一場(chǎng)技術(shù)革命,特別是全站儀的遙測(cè)技術(shù),為圍巖凈空位移量測(cè)提供了新的量測(cè)工具和技術(shù)手段。

全站儀遙測(cè)技術(shù)作為觀測(cè)圍巖凈空位移量測(cè)技術(shù),其基本原理是利用全站儀自由設(shè)站遠(yuǎn)距離測(cè)定量測(cè)點(diǎn)位不同時(shí)段相對(duì)的三維坐標(biāo),將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)通過軟件進(jìn)行后處理,最后輸出監(jiān)測(cè)成果,準(zhǔn)確、快速地為施工提供數(shù)據(jù)參考。

1 工程概況

洛香特長(zhǎng)隧道為貴廣鐵路重點(diǎn)控制工程之一,為雙線隧道,全長(zhǎng)11 232 m,位于貴州省凱里從江縣,進(jìn)口里程DK278+125,出口里程DK289+357,全隧位于半徑5 500 m偏左曲線上,洞內(nèi)按人字坡設(shè)置。

出口施工區(qū)圍巖均為Ⅲ～Ⅴ級(jí),主要為沉積巖(砂頁巖互層)、變質(zhì)巖(板巖、千枚巖、片巖、變質(zhì)砂巖)和第四系殘坡積黏性土和堆積土,屬于華夏構(gòu)造體系和新華夏構(gòu)造體系聯(lián)合影響帶,普遍具風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水特征,水質(zhì)具有酸性侵蝕。

由于地質(zhì)條件差、埋深大、施工難度大，為確保隧道施工安全、穩(wěn)妥、高效、快速,對(duì)圍巖量測(cè)提出了更高的要求,必須做到準(zhǔn)確、及時(shí)、快速和安全。要滿足監(jiān)測(cè)的高要求,采用常規(guī)的機(jī)械式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很困難,為此選用全站儀遙測(cè)技術(shù)作為觀測(cè)圍巖凈空位移量測(cè)技術(shù)。實(shí)踐表明,該技術(shù)在洛香隧道取得了良好的量測(cè)結(jié)果和經(jīng)濟(jì)效益。

2 量測(cè)前準(zhǔn)備

2.1 儀器設(shè)備

徠卡TCRA1102全站儀一臺(tái)；反射膜片(貼片),選用Lecai尺寸為4 cm×4 cm貼片若干片；機(jī)載Deformation軟件及圍巖收斂分析后處理軟件。

2.2 貼片安裝

根據(jù)規(guī)范有關(guān)要求及圍巖條件、開挖方法等,確定圍巖凈空位移量測(cè)斷面的位置及間距,以及每個(gè)斷面的基線布置形式。貼片安裝過程：對(duì)于完整性較好的巖石,可直接在其表面貼片,但安設(shè)貼片前必須清洗欲置貼片位置的巖面,粘貼必須牢固,能滿足量測(cè)周期要求；對(duì)于不穩(wěn)定巖石可用錨桿焊接角鋼，在角鋼上粘貼貼片,或用膨脹螺栓錨固鋼板以粘貼貼片。貼片表面法線方向最好垂直隧道軸向,以使儀器接收到最強(qiáng)的反射信號(hào)。

3 監(jiān)測(cè)精度及儀器參數(shù)設(shè)置

量測(cè)規(guī)范要求：測(cè)距取位至0.1 mm,角度0.1″,空間位置(X、Y、H)0.1 mm。采用該技術(shù)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度完全可以滿足量測(cè)規(guī)范的要求。

對(duì)應(yīng)量測(cè)規(guī)范精度要求的儀器參數(shù)設(shè)置：ΔD測(cè)距較差限差0.5 mm；角度歸零差限差5″；水平角2C差限差15″；i角指標(biāo)差限差30″；2C差互差限差6″；Δi指標(biāo)差互差限差10″；測(cè)回?cái)?shù)6個(gè)。

4 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

針對(duì)隧道內(nèi)不同圍巖及地質(zhì)情況,按相關(guān)規(guī)范及有關(guān)要求對(duì)不同地段進(jìn)行圍巖量測(cè)。下面就隧道出口施工區(qū)DK289+330斷面的量測(cè)過程做詳細(xì)闡述。

該段為軟弱沉積巖地質(zhì),開挖時(shí)圍巖出現(xiàn)較大變形,待工作面素噴后,選擇了5測(cè)點(diǎn)、6條基線法來測(cè)設(shè)(見圖1)。

圖1 斷面基線布置

4.1 儀器安置

量測(cè)內(nèi)容主要是各量測(cè)點(diǎn)間相對(duì)距離,全站儀可以自由安置(對(duì)中整平就可以,不需要建站及大地坐標(biāo)輸入,也不需進(jìn)行儀器對(duì)中、量?jī)x器高等),但為了消除貼片傾斜對(duì)測(cè)距的影響,每次量測(cè)時(shí)測(cè)站位置應(yīng)大致相同。同時(shí)，為了加強(qiáng)反射片對(duì)儀器激光反射效果和量測(cè)準(zhǔn)確性,應(yīng)把儀器設(shè)置在量測(cè)斷面前后5 m內(nèi)較為合適。先選擇適當(dāng)?shù)奈恢冒仓脙x器,精確整平后,打開儀器電源,按儀器Prog鍵進(jìn)入Deformation量測(cè)程序,按圍巖量測(cè)參數(shù)規(guī)范要求對(duì)儀器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4.2 觀測(cè)

完成儀器設(shè)置工作后,首先對(duì)各目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行儀器確認(rèn),照準(zhǔn)時(shí)可用儀器激光導(dǎo)向功能,激光點(diǎn)指向貼片正中,防止每次測(cè)量照準(zhǔn)不同而產(chǎn)生圍巖變化誤導(dǎo)信息。按DIST鍵,將該點(diǎn)位置信息(角度、平距、X、Y、H等)電子記錄存入儀器內(nèi)存(或PC卡),并輸入點(diǎn)號(hào)(如編號(hào)為1、2、3、4、5等)。按次序?qū)ζ溆喔鼽c(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別,儀器內(nèi)置獨(dú)特的ATR(Automatic Target Recognition)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別功能,可自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)，自動(dòng)瞄準(zhǔn)目標(biāo)，自動(dòng)跟蹤目標(biāo),自動(dòng)測(cè)量,利用程序?qū)崿F(xiàn)人工智能數(shù)據(jù)采集(見圖2)。

圖2 全站儀畫像攝影觀測(cè)圍巖凈空位移量測(cè)示意

為了確保隧道DK289+330斷面量測(cè)的精度,便于對(duì)同一基線進(jìn)行相互檢校,測(cè)設(shè)時(shí)在DK289+335隧道軸線的左右側(cè)相對(duì)位置處,設(shè)置左右兩測(cè)站,左右測(cè)站的距離可自由設(shè)置。具體觀測(cè)如下。

左站測(cè)量：在DK289+335處左側(cè)設(shè)置儀器,并選擇目標(biāo)點(diǎn)后準(zhǔn)備量測(cè),啟動(dòng)儀器LEFT MEASURE功能,儀器伺服馬達(dá)自動(dòng)按目標(biāo)順序測(cè)量各點(diǎn)信息6測(cè)回(正倒鏡全圓觀測(cè)法)。

右站測(cè)量：左站測(cè)量完畢后,儀器搬至DK289+335處右側(cè),同左站測(cè)量順序一樣進(jìn)行右站測(cè)量。測(cè)量完畢后,可以在儀器中調(diào)用CHECKING功能檢查左右測(cè)站同一基線長(zhǎng)度,若發(fā)現(xiàn)基線左右站測(cè)量長(zhǎng)度較差超限(0.5 mm),可以對(duì)這條基線重測(cè)。

按照規(guī)范要求,對(duì)于DK289+330量測(cè)斷面,在開挖后1 h進(jìn)行了第一次量測(cè),而后在開挖后4 h、9 h、18 h、48 h,共進(jìn)行了5次觀測(cè)。每次觀測(cè)均取測(cè)站名為DK289+330,儀器會(huì)依據(jù)內(nèi)置時(shí)間不同,自動(dòng)對(duì)每次觀測(cè)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行編號(hào)。

5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

5.1 數(shù)據(jù)輸出

用數(shù)據(jù)連接線把儀器與計(jì)算機(jī)相連(外業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀器內(nèi)存內(nèi))或?qū)x器內(nèi)的PCMCIA卡插入計(jì)算機(jī)PC卡插槽(外業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PC內(nèi)),將各次量測(cè)原始數(shù)據(jù)在觀測(cè)后導(dǎo)入計(jì)算機(jī),同時(shí)在程序內(nèi)填入斷面的形狀、開挖方法、覆蓋厚度、地質(zhì)描述、圍巖類別、隧道支護(hù)設(shè)計(jì)等資料。計(jì)算機(jī)圍巖收斂分析軟件將對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析處理,輸出圍巖位移成果,如測(cè)線1位移速度-時(shí)間變化曲線(見圖3)、測(cè)線的位移趨勢(shì)圖及回歸分析(見圖4)、各測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間段的位移值等,以及自動(dòng)對(duì)成果進(jìn)行分析,判斷圍巖的穩(wěn)定性(顯示“該測(cè)線穩(wěn)定至少×天”),為支護(hù)提供參數(shù)。

圖3 測(cè)線1位移速度-時(shí)間變化曲線

圖4 測(cè)線1位移-時(shí)間曲線

5.2 數(shù)據(jù)的處理與分析

所有分析計(jì)算都在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)進(jìn)行,對(duì)于測(cè)線1,第5次量測(cè)數(shù)據(jù)輸入后,經(jīng)分析處理,顯示該測(cè)線穩(wěn)定至少1 d。對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)分別采用指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)進(jìn)行人工回歸分析,與計(jì)算機(jī)分析處理進(jìn)行比較,得出相同的結(jié)論。其計(jì)算過程如下：

(1)指數(shù)函數(shù)

該測(cè)線穩(wěn)定至少1 d，

回歸方程為:指數(shù)函數(shù)U0=a×bt

式中,a=0.026,b=12.284,總誤差Q=0.000 1,回歸方程標(biāo)準(zhǔn)差為σ=(Q/(n-k))0.5

對(duì)于給定的t0,當(dāng)置信度為95%時(shí),u0的預(yù)測(cè)區(qū)間為

12.284×lg(t+1)-σ

12.284×lg(t+1)+σ

1 d周邊收斂量：a×pow(b,t)=3.815 mm

(2)對(duì)數(shù)函數(shù)

該測(cè)線穩(wěn)定至少1 d，

回歸方程為:對(duì)數(shù)函數(shù)U0=a+b×lg(t)

式中,a=0.207,b=0.135,總誤差Q=0.000 1,回歸方程標(biāo)準(zhǔn)差為σ=(Q/(n-k))0.5

對(duì)于給定的t0,當(dāng)置信度為95%時(shí),u0的預(yù)測(cè)區(qū)間為

0.135×lg(t+1)-σ

0.135×lg(t+1)+σ

1 d周邊收斂量：a+pow(b,t)=3.957 mm

(3)冪函數(shù)

該測(cè)線穩(wěn)定至少1 d,

回歸方程為:冪函數(shù)U0=a×tb

式中,a=14.668,b=1.289,總誤差Q=0.000 1,回歸方程標(biāo)準(zhǔn)差為σ=(Q/(n-k))0.5

對(duì)于給定的t0,當(dāng)置信度為95%時(shí),u0的預(yù)測(cè)區(qū)間為

1.289×lg(t+1)-σ

1.289×lg(t+1)+σ

1 d周邊收斂量：y=a×pow(t,b)=3.025 mm

最后根據(jù)時(shí)態(tài)回歸結(jié)果,結(jié)合監(jiān)控量測(cè)管理等級(jí)(見表1),進(jìn)行位移、速率綜合分析判斷。

表1 監(jiān)控量測(cè)管理等級(jí)

6 信息反饋

鑒于該段隧道為軟弱沉積巖地段,通常變形量較大,對(duì)于以上量測(cè)成果,及時(shí)把圍巖變形情況反饋給現(xiàn)場(chǎng)施工,要求加強(qiáng)該段初期支護(hù)措施,控制圍巖與支護(hù)收斂變形。

(1)鎖腳錨桿：在拱墻腳以上0.5 m、1.0 m、1.5 m處設(shè)鎖腳錨桿,采用R32N自進(jìn)式錨桿或φ42鋼花管并注漿。

(2)臨時(shí)卡口梁：當(dāng)開挖下部或變形較大時(shí),在起拱線或地面以下50 cm處增設(shè)I16型鋼卡口梁,局部地段在地面以下施做鋼筋混凝土卡口梁。

(3)套拱：當(dāng)圍巖或變形較大或增長(zhǎng)加快時(shí),沿初期支護(hù)內(nèi)緣設(shè)I16型鋼鋼架,并在拱墻腳打鎖腳錨桿,與其焊接在一起。

對(duì)于隧道開挖、支護(hù)，都按施工規(guī)范要求進(jìn)行了圍巖量測(cè),并建立了相應(yīng)數(shù)據(jù)庫,為隧道施工的安全、質(zhì)量、進(jìn)度，提供了準(zhǔn)確有力的技術(shù)保證。

7 結(jié)束語

在洛香隧道的施工中,采用全站儀遙測(cè)技術(shù)觀測(cè)圍巖凈空位移量測(cè)技術(shù),為隧道施工提供了科學(xué)合理的數(shù)據(jù)依據(jù)，保證了施工安全和施工質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度，是指導(dǎo)隧道施工方案，修正隧道設(shè)計(jì)和保證隧道施工安全的重要依據(jù),是評(píng)價(jià)隧道穩(wěn)定性和支護(hù)效果,發(fā)現(xiàn)變異等問題的重要措施。

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