王常磊 熊 偉

（1. 安徽省第一測(cè)繪院，安徽 合肥 230031；2. 安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603）

傳統(tǒng)的隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)方法采用鋼尺收斂計(jì)接觸量測(cè)，它與施工相互干擾，人為因素影響較大，量測(cè)質(zhì)量不穩(wěn)定，導(dǎo)致其難以滿足現(xiàn)代隧道快速掘進(jìn)、安全施工的要求。因此，研究和探索運(yùn)用高精度的測(cè)量機(jī)器人在規(guī)定精度內(nèi)對(duì)隧道圍巖變形進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)報(bào)的實(shí)用系統(tǒng)，具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 極坐標(biāo)法測(cè)量原理

如圖1所示，O為工作基點(diǎn)，測(cè)站鉛垂線方向?yàn)閆軸，以定向方向?yàn)閄軸建立左手直角坐標(biāo)系O-XYZ，P為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，起算邊至施測(cè)方向的夾角為α，OP的斜距為S，豎直角為γ；P點(diǎn)在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為P （XP，YP，ZP）[2]，則有：

圖1 極坐標(biāo)法測(cè)量坐標(biāo)示意圖

2 極坐標(biāo)法精度分析

在隧道監(jiān)測(cè)中，需要準(zhǔn)確測(cè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，即（X、Y、Z），并且還需綜合分析點(diǎn)位平面和高程精度。以TCA2003測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，分析在不同距離及角度 （5°～50°） 情況下，加入大氣折光改正，儀器高中誤差，可計(jì)算極坐標(biāo)法點(diǎn)位平面和高程精度并繪制精度曲線。極坐標(biāo)法平面精度曲線如圖2所示，極坐標(biāo)法高程精度曲線如圖3所示。

圖2 極坐標(biāo)法平面精度曲線

圖3 極坐標(biāo)法高程精度曲線

如圖2、3所示，在距離200 m，豎直角為20°范圍內(nèi)，極坐標(biāo)法的平面和高程精度可達(dá)1 mm。如果考慮隧道監(jiān)測(cè)基點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系，將極大地提高極坐標(biāo)法三角高程測(cè)量的精度。

3 極坐標(biāo)法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

在隧道變形監(jiān)測(cè)中，需設(shè)立基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)基點(diǎn)、然后對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。

（1） 基準(zhǔn)點(diǎn) （參考點(diǎn)）：基準(zhǔn)點(diǎn)是進(jìn)行變形觀測(cè)的起算點(diǎn)，用來(lái)定期檢校工作基點(diǎn)的參考點(diǎn)，至少保證在3個(gè)點(diǎn)以上，以相互檢校?；鶞?zhǔn)點(diǎn)通常應(yīng)位于變形區(qū)以外，點(diǎn)上放置采用強(qiáng)制對(duì)中裝置，要求覆蓋整個(gè)隧道變形監(jiān)測(cè)區(qū)域。

（2） 監(jiān)測(cè)基點(diǎn) （工作基點(diǎn)）：工作基點(diǎn)是直接用來(lái)測(cè)定各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參考點(diǎn)，應(yīng)選在靠近觀測(cè)目標(biāo)且便于觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置上。工作基點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成變形監(jiān)測(cè)的首級(jí)網(wǎng)。

監(jiān)測(cè)前，首先，依據(jù)變形體上目標(biāo)點(diǎn)及參考點(diǎn)的分布情況，合理安置TCA2003全站儀，使所有目標(biāo)點(diǎn)與全站儀的距離均在設(shè)置的觀測(cè)范圍內(nèi)，且避免同一方向上有2個(gè)相似監(jiān)測(cè)點(diǎn)，給測(cè)量機(jī)器人的目標(biāo)識(shí)別帶來(lái)困難。

（3） 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)：變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在變形體上，能充分反映隧道變形情況。變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)與工作基點(diǎn)構(gòu)成次級(jí)網(wǎng)。對(duì)隧道各個(gè)變形監(jiān)測(cè)斷面的間距、變形點(diǎn)的最大變形方向以及變形點(diǎn)的埋設(shè)位置，一般應(yīng)綜合考慮確定。在隧道變形體以外的穩(wěn)定區(qū)域也應(yīng)適當(dāng)布點(diǎn)，在隧道掘進(jìn)方向及變形較快的地段，應(yīng)適當(dāng)加密。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安有對(duì)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站的反射膜片。

3.2 極坐標(biāo)法數(shù)據(jù)采集過程

極坐標(biāo)法隧道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一般是由測(cè)量機(jī)器人、反射棱鏡 （反射膜片） 組成，一測(cè)站TCA2003全站儀的監(jiān)測(cè)工作流程如圖4所示。

圖4 測(cè)量模塊工作流程

3.3 極坐標(biāo)法監(jiān)測(cè)步驟

（1） 在監(jiān)測(cè)基點(diǎn)A架設(shè)測(cè)量機(jī)器人，后視K1點(diǎn)，K2作為參考點(diǎn)；（2） 后視K1點(diǎn)，確定將儀器坐標(biāo)系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)相統(tǒng)一；（3） 啟動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件，對(duì)儀器各項(xiàng)限差進(jìn)行設(shè)置；（4） 利用學(xué)習(xí)測(cè)量， 將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的大致坐標(biāo)通過學(xué)習(xí)測(cè)量，存儲(chǔ)到記錄文件中；（5） 進(jìn)行各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn) （1～5號(hào)點(diǎn)） 自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4 變形計(jì)算

在隧道變形監(jiān)測(cè)中，通過極坐標(biāo)法觀測(cè)各隧道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)變化，計(jì)算變形點(diǎn)位移量，分析隧道變形趨勢(shì)。由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制，以及隧道實(shí)地監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)，工作情況復(fù)雜等情況，沒有就相關(guān)理論及應(yīng)用進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。本文利用某市地鐵隧道下行線S1斷面16期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1 隧道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形計(jì)算

隧道收斂測(cè)量主要是計(jì)算隧道斷面各變形點(diǎn)平面和高程坐標(biāo)的變形值，單位為毫米，分析隧道的穩(wěn)定性，可由相關(guān)數(shù)據(jù)繪制S1斷面各點(diǎn)三維坐標(biāo)在各時(shí)段的坐標(biāo)位移圖，如圖5所示。

圖5 斷面S1各點(diǎn)三維坐標(biāo)變化量

4.2 隧道頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形計(jì)算

利用某市地鐵下行線隧道頂板4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)16期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算每期相對(duì)沉陷量，如圖6所示。

圖6 頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉陷量示意圖

4.3 隧道變形分析

根據(jù)工程變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案要求，監(jiān)測(cè)精度要求為≤±0.5 mm，隧道變形允許值為5 mm，預(yù)警值和報(bào)警值分別取為2.5 mm和4 mm。

通過圖1～5可以看出，斷面S1各點(diǎn)的變形比較穩(wěn)定，16期變形量累計(jì)不超過1 mm，變形量在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全范圍內(nèi)，說明在監(jiān)測(cè)過程中S1斷面是比較穩(wěn)定的。通過圖1～6可以看出，XJ1、XJ2點(diǎn)的變形量相對(duì)較小，但XJ3、XJ4兩點(diǎn)變形量相對(duì)較大，是因?yàn)閄J3、XJ4在隧道開挖方向，最后開挖完成，受隧道開挖影響較大?？傮w來(lái)說，隧道頂板各點(diǎn)變形量在隧道安全施工允許值范圍內(nèi)，沒有超過預(yù)警值2.5 mm，證明了監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了利用極坐標(biāo)法，通過對(duì)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)變化量以及隧道頂板沉陷量的監(jiān)測(cè)，計(jì)算隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量，分析隧道變形趨勢(shì)，為隧道穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析證明，TCA2003測(cè)量機(jī)器人在高精度隧道自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用是可靠的，能滿足生產(chǎn)實(shí)踐的要求。