青島地鐵3號線某區間隧道拱頂沉降測量方法選擇與精度分析

王軍，李鵬

(青島市勘察測繪研究院，山東青島 266032)

1 引言

近年來，城市地鐵建設如火如荼的進行，隧道變形監測的重要性也越來越顯現。而國內外現有的文獻資料中有關隧道拱頂沉降監測方法的介紹和分析仍不太完善，本文結合青島地鐵3號線某區間隧道監測工程，研討拱頂沉降的測量方法、精度和注意事項，以備不同地質條件下不同支護結構隧道工程對于拱頂沉降監測方法的選擇。

2 測量方法簡述

2.1 監測點要求和注意事項

目前青島市地鐵的拱頂沉降測點一般都是直接焊接在鋼格柵上，以鋼格柵的沉降來代替拱頂土體的沉降，造成了拱頂沉降測量的不準確。用鋼格柵的沉降代替土體的沉降造成的測量誤差主要是由于鋼格柵與土體之間一般存在40 mm～80 mm的超挖空隙。當拱頂上方土體沉降至鋼格柵處后，鋼格柵才隨土體一同沉降，顯而易見，鋼格柵的沉降要落后于土體沉降一段時間，即使在鋼格柵架設后，立即在超挖空隙中進行回填注漿，漿液的固結仍需時間，所以這種直接用鋼格柵沉降代替拱頂土體沉降的方法仍然是不準確的。正確的做法應該是用套管將測桿直接插入拱頂土體中，才能測量到拱頂上方土體的真實沉降。測點的大小要適中，如過小，測量時不易找到，如過大，爆破時易被打壞。支護結構施工時要注意保護測點，一旦發現測點被掩埋，要盡快重新設置，以保證觀測數據的連續性。

2.2 方法分類

拱頂沉降的接觸測量方法大致有三種:

(1)精密水準儀配合因瓦掛尺(掛鉤塔尺)法，

(2)精密水準儀懸掛鋼尺法，

(3)精密水準儀倒尺測量。

拱頂沉降的非接觸測量方法目前多采用全站儀結合反光片靶標法。

3 接觸測量實踐與精度分析

3.1 接觸測量實踐

本區間隧道Ⅱ～Ⅴ圍巖段，初期支護以巖石噴錨支護為主，錨桿采用全長粘結型砂漿錨桿，Ⅳ～Ⅴ級圍巖段中加設格柵鋼架，洞身設超前小導管作為輔助施工措施，實施鉆爆施工。若采用非接觸測量方法，所設反光片標靶容易被爆破飛石破壞。若使用精密水準儀倒尺測量，則由于該隧道洞高＞5 m，超出水準尺長度所及，故無法量測。若使用懸掛鋼尺法，利用鋼尺自重來保證尺面與地面垂直，待外業完畢以后，在數據處理環節進行鋼尺溫度修正，測量精度可滿足工程要求，但鑒于洞高限制，懸掛及摘取鋼尺的環節又使測量效率較低。因此該段采用了精密水準儀配合因瓦掛尺法，在塔尺的頂端做掛鉤，加工成掛鉤塔尺，尺長5 m，可輕松懸掛和摘除，使得該方法方便、實用、高效。在測量過程中，為提高測量精度，減少測站數，可在距離監測點較近的位置設基準點，隨隧道開挖推進和拱頂沉降點跟進，基準點隨之跟進。如圖1所示，拱頂點高程計算公式為:

圖1 拱頂沉降接觸測量方法示意圖

拱頂沉降監測中采用水準儀為DSZ2，每千米往返測高差中誤差≤0.5 mm，實際測量中，測定沉降點的測站數≤2，視距≤30 m，所以每千米路線長度上的測站數為:

各測站單向測量高程中誤差為:

拱頂沉降點測量高程中誤差為:

3.2 實測數據分析

圖2為本區間隧道Ⅲ類圍巖段拱頂沉降點GC50－01、GC49－02、GC51－01 一段時間內的累積變量－時間曲線，由上文所述，該測量方法滿足三等水準精度要求，可應用于隧道拱頂沉降的測量。

圖2 青島地鐵某區間拱頂點累積變量－時間曲線

4 非接觸測量實踐與精度分析

4.1 非接觸測量實踐

本區間隧道Ⅵ圍巖段，地下水豐富，采用水平旋噴樁止水，施做小導管和超前深孔預注漿，預先加固掌子面前方巖土層，并填充土層空隙，封堵地下水，從而保證施工的安全性。該段不采用鉆爆施工，反光片靶標不易被破壞，所以采用全站儀配合反光片靶標的三角高程測量方法。在一側邊墻穩定處設立基準點，拱頂埋設拱頂點并粘貼反光片靶標，如圖3所示。

由于觀測距離較近，可忽略球氣差的影響。測量精度計算方法如下:

圖3 全站儀測量拱頂沉降示意圖

式中，SOB為 O、B兩點間斜距，SOA為 O、A兩點間斜距;Ma、Mb分別為∠a、∠b的測角中誤差。

拱頂沉降監測中采用全站儀標稱精度Mα=2″，MD=2+2ppm。由于該項測量一般情況下后視基準點高度角不大于10°，前視監測點高度角不大于20°，邊長不超過 50 m。所以取 Ma=Mb=2″、MD=2 mm，假定SOA=SOB，根據式(1)，可得精度計算值如表1所示。

可知，該方法測量拱頂沉降時，測量中誤差會隨觀測垂直角的增大而增大，同時中誤差也會隨著測距增加。在等距離和等角度的對比中，我們易知，測角精度對于拱頂沉降精度的影響要比測距精度影響大，因此在測量中，測量人員嚴格做好整平、瞄準工作是至關重要的。由表1我們可得到在最不利組合條件下兩測回拱頂點高程中誤差為±0.72 mm，可滿足隧道拱頂沉降測量的精度要求。

不同高度角組合的監測拱頂沉降中誤差計算值 表1

4.2 實測數據舉例分析

圖4為本區間隧道Ⅵ圍巖段拱頂沉降點GC02－01、GC04－01一段時間內的累積變量－時間曲線，采用方法為全站儀配合反光片標靶，每次設站位置與該點大致距離 ＜40 m，后視高度角＜1°，前視高度角＜10°，兩次測量。如表1中所示，兩次測量測點高程中誤差≤0.46 mm。滿足三等水準精度要求，該測量方法可應用于隧道拱頂沉降的測量。

圖4 青島地鐵某區間拱頂點累積變量－時間曲線

5 結語

精密水準儀配合因瓦掛尺(掛鉤塔尺)法，在實踐中，方便快捷，尤其適用于鉆爆開挖的隧道工程。對于洞高超出水準尺所及的隧道，相對于原始的倒尺測量和懸掛鋼尺的方法，該方法可以高效、便捷地獲得可靠測量結果，具有較高的實用性。

在本區間隧道Ⅵ圍巖段采用全站儀三角高程方法測量拱頂沉降，理論與實踐證明該方法滿足拱頂沉降監測的精度要求。應用表明該方法具有快速、高效、可靠的優點，測量結果能較好地反映出施工過程中圍巖及土體的基本變形趨勢及受施工等因素影響而產生的異常變化，可以為現場施工安排及支護結構的穩定性評價提供可靠的依據。

［1］王庭，劉維寧，何海建.城市地鐵開挖引起地表沉降的原因分析和量測問題探討［J］.土木工程學報，2000，4:47～50

［2］熊飛，王耀輝，唐新建.基于全站儀的隧道拱頂沉降測量方法研究［C］.城市勘測信息化，湖北省測量學會，2008.32(2)

［3］金彪，吳北平，李艷芳.曲線擬合與自回歸模型在地鐵變形監測中的運用［J］.地礦測繪，2009，25(1):35～7

［4］李冰.全站儀在三角高程傳遞中的主要誤差與精度分析［J］.福建建設科技，2007，5

［5］張煜，趙玉龍，劉建洪.隧道施工現場監控量測數據的回歸分析研究［A］.道路與橋隧技術［C］.北京:原子能出版社，2005:311～315

［6］康勇，李曉紅，靳曉光等.鷓鴣山隧道東口段監控量測數據處理及其工程應用［A］.2003年全國公路隧道學術會議論文集［C］.北京:人民交通出版社，2003:342～347