FS1平板測(cè)微器在隧道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

林全坤，張文東，李宇翔

0 引言

隧道監(jiān)控量測(cè)作為新奧法的三大核心之一，對(duì)評(píng)價(jià)隧道施工方法的可行性、設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，了解隧道實(shí)際圍巖級(jí)別及其變形特性等能夠提供準(zhǔn)確、及時(shí)的依據(jù)，對(duì)隧道二次襯砌的施作時(shí)間具有決定性意義。因此，它是保障隧道建設(shè)成功的重要手段。隧道監(jiān)控量測(cè)的主要任務(wù)應(yīng)做到提高安全性，修正設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工、積累建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)分析、處理，及時(shí)向施工方、監(jiān)理方、設(shè)計(jì)方和業(yè)主提供分析資料，掌握該工程客觀條件下所表現(xiàn)出來的一些地下工程施工規(guī)律和特點(diǎn)，為今后類似工程或工法本身的發(fā)展提供借鑒，以提高地下工程的設(shè)計(jì)和施工水平，并為隧道運(yùn)營(yíng)后的養(yǎng)護(hù)與維修提供可靠的原始數(shù)據(jù)。為節(jié)省工程投資，提高大斷面公路隧道的設(shè)計(jì)和施工水平提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保證。

1 拱頂下沉監(jiān)測(cè)方案及原理

本文拱頂下沉的監(jiān)測(cè)方案以全斷面法開挖為例，拱頂布置三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體布置方式如圖1所示。

本次測(cè)量采用DSZ2精密水準(zhǔn)儀，F(xiàn)S1平板測(cè)微器進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，儀器如圖2、圖3所示。

在水準(zhǔn)儀上安裝上測(cè)微器可使其測(cè)量精度達(dá)到0.1 mm估讀到0.01 mm，隧道拱頂下沉測(cè)量采取基點(diǎn)正立塔尺，拱頂?shù)箳熹摼沓叩姆绞竭M(jìn)行測(cè)量，具體測(cè)量方式如圖4所示。

圖1 全斷面法施工時(shí)量測(cè)斷面布置圖

圖2 DSZ2精密水準(zhǔn)儀

2 測(cè)微器使用方法

關(guān)于測(cè)微器的使用方法問題，說明書上的表述是，在水準(zhǔn)儀上安裝好測(cè)微器并調(diào)平儀器，調(diào)節(jié)測(cè)微器旋轉(zhuǎn)按鈕，使水準(zhǔn)儀的十字絲與塔尺或鋼卷尺的整厘米位置對(duì)齊，然后通過測(cè)微器觀察口讀取微讀數(shù)，塔尺或鋼卷尺讀數(shù)加上微讀數(shù)就是測(cè)量值。其計(jì)算方法如公式(1)所示:

圖3 FS1平板測(cè)微器

圖4 拱頂下沉量測(cè)方法示意圖

在隧道拱頂下沉的監(jiān)測(cè)中我們采取的是圖4的測(cè)量方式，但說明書中關(guān)于隧道監(jiān)測(cè)中的倒掛鋼卷尺的情況沒有說明，以至于測(cè)量在實(shí)際工作中，大多數(shù)測(cè)量人員在倒掛鋼卷尺時(shí)依然采取鋼卷尺讀數(shù)加上微讀數(shù)的計(jì)算方式，部分人員采取的是鋼卷尺讀數(shù)減去微讀數(shù)的計(jì)算方法，兩種計(jì)算方法如公式(2)、公式(3)所示:

3 拱頂監(jiān)測(cè)中測(cè)微器的使用方法及理論分析

3.1 倒掛鋼卷尺微讀數(shù)的正確計(jì)算方法

關(guān)于在隧道監(jiān)測(cè)中測(cè)微器的使用問題，人們的爭(zhēng)議主要出現(xiàn)在倒掛鋼卷尺微讀數(shù)的計(jì)算方法上，采用同種測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量計(jì)算方法有公式(2)、公式(3)兩種可能性，顯然這是和事實(shí)相矛盾的，采用公式(2)計(jì)算方法的測(cè)量人員認(rèn)為說明書中就是要求加微讀數(shù)，此種方式符合要求;采用公式(3)計(jì)算方法的測(cè)量人員認(rèn)為倒掛鋼卷尺時(shí)應(yīng)該和正立塔尺計(jì)算理論相反;還有大部分人員認(rèn)為微讀數(shù)的處理方法主要取決于初次測(cè)量計(jì)算方法，只要后期計(jì)算方法和初次保持一致那么無論是加上微讀數(shù)還是減去微讀數(shù)并不影響測(cè)量結(jié)果，儀器自動(dòng)可以消除微讀數(shù)造成的計(jì)算錯(cuò)誤。本人在實(shí)踐中分別采取變換儀器高度對(duì)如圖4隧道的拱頂下沉在短時(shí)間內(nèi)(1 h內(nèi))進(jìn)行多次測(cè)量，采取兩種不同的計(jì)算理論分別計(jì)算，具體測(cè)量成果如表1所示。

在隧道監(jiān)測(cè)中使用測(cè)微器可以提高測(cè)量精度，使其測(cè)量精度達(dá)到0.1 mm，從上面測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)果分析可以直觀的發(fā)現(xiàn)，采用公式(2)進(jìn)行計(jì)算，測(cè)量差值最小也為2.98 mm，而采用公式(3)進(jìn)行計(jì)算，最大差值只為0.08 mm，采用公式(2)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理滿足不了測(cè)量精度為0.1 mm的精度要求，而采用公式(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理其測(cè)量結(jié)果可以滿足精度要求，因此從實(shí)踐的角度看采用公式(3)才是正確的計(jì)算方法。

表1 隧道拱頂下沉兩種計(jì)算方法數(shù)據(jù)對(duì)比表

續(xù)表1 隧道拱頂下沉兩種計(jì)算方法數(shù)據(jù)對(duì)比表

3.2 倒掛鋼卷尺微讀數(shù)計(jì)算方法的理論證明

上面已經(jīng)通過實(shí)踐驗(yàn)證了公示(3)計(jì)算方法的正確性，下面通過理論方法給予證明。在同一個(gè)水準(zhǔn)平面上立兩個(gè)相同且總長(zhǎng)度為100 cm的塔尺，其中一個(gè)為正立塔尺而另一個(gè)為倒立塔尺，架設(shè)好水準(zhǔn)儀并安裝上測(cè)微器進(jìn)行測(cè)量，具體測(cè)量方式如圖5所示。

圖5 正倒立塔尺測(cè)量示意圖

首先調(diào)整儀器觀測(cè)正立塔尺，調(diào)節(jié)水準(zhǔn)儀使其十字絲中絲對(duì)準(zhǔn)塔尺的整厘米處，如圖5所示，從圖可知正立塔尺整數(shù)讀數(shù)為80 cm，我們假設(shè)此時(shí)測(cè)微器的讀數(shù)為a，然后我們轉(zhuǎn)動(dòng)儀器，把水準(zhǔn)儀對(duì)準(zhǔn)倒立的塔尺，因?yàn)閮蓚€(gè)塔尺立在同一水平面上，所以此時(shí)倒立塔尺的整數(shù)讀數(shù)為20 cm，設(shè)其微讀數(shù)為b，設(shè)正立塔尺總讀數(shù)為M，倒立塔尺總讀數(shù)為N，其計(jì)算如公式(4)、公式(5)所示:

由圖可知M+N=100，則b=－a。

由此證明了倒立塔尺的實(shí)際值應(yīng)該是整數(shù)讀數(shù)減去其微度數(shù)，所以公式(3)從理論上是成立的。

4 結(jié)論

通過實(shí)踐和理論證明可以得出測(cè)微器的正確使用方法以及注意事項(xiàng):

1)當(dāng)測(cè)量前后視都采取正立塔尺時(shí)，旋轉(zhuǎn)測(cè)微手輪，使分劃板水平橫絲與水準(zhǔn)塔尺上最近的厘米值格重合，讀取塔尺讀數(shù)及測(cè)微尺讀數(shù)，各自塔尺讀數(shù)加上各自本身測(cè)微尺讀數(shù)，然后遵循后視減去前視即可求得兩點(diǎn)高差。

高差=后視(塔尺1+微讀數(shù)1)－前視(塔尺2+微讀數(shù)2)。

2)當(dāng)測(cè)量前后視分別采取正立塔尺和倒掛鋼尺時(shí)，旋轉(zhuǎn)測(cè)微手輪，使分劃板水平橫絲與各自尺子上最近的厘米值格重合，讀取尺子讀數(shù)及測(cè)微尺讀數(shù)，倒掛鋼尺的尺子讀數(shù)減去本身微讀數(shù)加上正立的塔尺讀數(shù)加上其本身微讀數(shù)，二者之和即為兩點(diǎn)高差。

高差=后視(立塔尺+微讀數(shù))+前視(掛鋼尺－微讀數(shù))。

3)當(dāng)測(cè)量前后視都采取倒掛鋼尺時(shí)，旋轉(zhuǎn)測(cè)微手輪，使分劃板水平橫絲與鋼尺上最近的厘米值格重合，讀取各自鋼尺讀數(shù)及各自測(cè)微尺讀數(shù)，各自鋼尺讀數(shù)減去本身微讀數(shù)，然后二者相減即為兩點(diǎn)高差。

高差=前視(掛鋼尺1－微讀數(shù)1)－后視(掛鋼尺2－微讀數(shù)2)。

4)使用測(cè)微器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，如果旋轉(zhuǎn)測(cè)微手輪后，分劃板水平橫絲與尺子相鄰上下整厘米都比較接近重合(即微讀數(shù)過大或過小)時(shí)，一般應(yīng)變換調(diào)整儀器高度，重新架設(shè)，可有效消除測(cè)量誤差。

5)在同一天的測(cè)量過程中最好采用兩次測(cè)量(變換儀器高度)，當(dāng)兩次測(cè)量高差超過0.1 mm時(shí)，測(cè)量值作廢，兩次測(cè)量高差值小于0.1 mm時(shí)，采取兩次量測(cè)結(jié)果的平均值作為本天測(cè)量終值數(shù)據(jù)。此法可以消除人為錯(cuò)誤，同時(shí)可有效減小測(cè)量誤差。

［1］JTG D70－2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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