良心隧道右線偏壓段圍巖變化的量測

程俊杰

（中鐵十八局集團國際公司 天津）

一、引言

圍巖變化量測傳統上一般采用數顯或其他收斂計等接觸方式進行凈空位移變化量測，再結合水準儀觀測拱頂下沉變化。在全斷面開挖后這些方法易受施工干擾，人為因素對測量精度影響較大，測量速度慢，而且測量難度較大，難以滿足已做好初期支護落底的隧道全斷面圍巖監控量測。隨著科學技術的發展，全站儀在工程施工測量中得到了普及，大大提高了測量的精度和速度，特別是近幾年來，基于計算機和全站儀平臺開發出來的各種測量軟件，給測量工作帶來了一場技術革命。隧道斷面測量系統就是其中的一種，它為圍巖變化量測提供了一種新的量測工具和技術手段。

斷面測量系統是徠卡公司專為隧道斷面凈空測量開發出來的軟件。同時，它可作為圍巖變化量測一種新的工具和手段，其基本原理是利用全站儀定點設站，通過斷面測量系統中的機載軟件測量隧道凈空，測定同一斷面上各圍巖變化量測點在不同時段的二維坐標（高程和水平方向），將測量數據輸入計算機通過后處理軟件進行分析處理，最后輸出量測成果，準確、快速地為施工提供數據參考。

二、工程概況

良心隧道是國道主干線GZ40西漢高速公路寧陜筒車灣至洋縣槐樹關段公路隧道，位于陜西省洋縣境內高橋溝-良心間的低山中，隧址區沖溝發育，多為V形溝。溝谷基巖裸露，地表灌木叢生，植被發育。隧道設左、右線分離式隧道。其右線隧道為直線隧道，全長3580 m，屬特長隧道。隧道進口段近230 m地處一坡度約45°的山腰偏下，埋深最大不過36 m，除洞口外最小約18 m，絕大部分在18～30 m，處于淺埋偏壓地段。圍巖類別設計上除了洞口75 m為Ⅱ類，其余均為Ⅲ類，初期支護均有鋼支撐。隧道洞身設計沒有考慮偏壓結構，在上半斷面掘進350 m、下半段面落底200 m時，通過斷面測量，與早先測量的斷面比較分析，發現隧道變形扭曲，個別鋼支撐出現斷裂，造成了大面積的侵限。

為了確定受偏壓影響的隧道洞身變化穩定與否，決定不采用原來的較傳統的方法，根據隧道洞身變形情況，重新布設觀測點，觀測目標選用專用反射膜片，結合斷面測量系統進行圍巖凈空變化、拱頂下沉及周邊收斂的監控量測。實踐表明，斷面測量系統在良心隧道右線偏壓段取得良好效果，并為圍巖穩定性判別和指導施工提供了依據。

三、量測前準備

（1）儀器設備。徠卡TCRA1102或能進行無棱鏡測距型全站儀1臺，反射膜片（貼片尺寸2×2 cm）若干片，外業機載軟件Profiler Survey V2.0及斷面測量后處理軟件或具備同等功能的斷面測量軟件。

（2）貼片安裝。根據規范和有關要求，結合圍巖條件，每個斷面可按3～5條基線形式布置觀測點。可用全站儀定位放樣進行貼片定位安裝。由于巖面大部分是初期支護，安設貼片前先將欲置貼片位置的巖面磨或清洗干凈，最好做到一塵不染，確保不干膠的貼片與巖面粘貼牢固，滿足量測周期要求。對于個別除了可以打磨到鋼支撐面上外，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巖面或隧道軸向，便于儀器接收到最強的反射信號。

四、監測精度

量測規范要求測距及角度均取自全站儀默認標稱精度，測得空間位置（X、Y、H）。其中，X指該斷面的里程，是固定不變的，實際測量采集數據時只測量Y和H，即水平方向和高程方向。采用隧道斷面測量系統量測斷面通過后處理分析，其監控量測結果精度可達到0.001cm，完全可以滿足量測規范的要求。

五、外業數據采集

首先放樣出斷面量測時全站儀的測站點，再根據測站點定出監控量測點--目標觀測點的概略位置，這樣做是為了保證目標觀測點和測站點在同一斷面上，符合監控量測要求，為下一步監控量測工作做好準備。按監控量測要求，選取如圖1所示的5個測點，并由此形成了一封閉的量測斷面。外業要做的工作就是用機載軟件準確測出這些點的絕對坐標值（Y和H），其X坐標即為該斷面里程。

1.儀器安置

在進行監控量測采集數據前，首先選定一定點作為設站點，它應該有三維坐標，即里程（X）、偏移中心量（Y，左偏取負，右偏取正）和高程。再根據此點放樣出量測斷面上目標觀測點，使它們和該點保持在同一斷面內。因為洞內地面事先澆筑了混凝土，做過仰拱填充，使該點與大地固連在一起，確保點位的穩定性。每次進行量測時都安置儀器在這一固定點。安置儀器時，只要按常規方法操作，做好精確對中整平即可。然后記錄量測儀器高。由于目標觀測點都是固定在洞壁上的，它們和測站點位于同一個斷面上，所以不需要定位方向，也不需要輸入測站點大地坐標。

圖1 量測點位置布置

2.觀測

完成儀器設置工作后，測量工作的同時要求人為記錄測站點點位坐標（X、Y、H）和儀高，或直接計算出儀器相對于斷面測量系統要定位到某一平面的高度（稱為儀器的相對高度）。本方法是要求計算出儀器相對于設計路面的高度，即測站點高程加上量測時儀器絕對高度再減去該斷面里程所對應的路面中心設計標高，所得值為斷面測量系統在該里程上的定位高度。然后進行下一步斷面測量數據采集。啟動斷面測量系統機載軟件Profiler Survey V2.0，軟件運行顯示如圖2。

Profiler機載軟件所擁有的功能全部在徠卡TCRA（M）型全站儀上具體實現，“1 Intersection Calculate”菜單項完成外業交點計算；“2 Setup”菜單項完成儀器安置設站、歸零工作；“3 Profiler”菜單項完成斷面測量工作。

圖2 Profiler Survey斷面測量機載軟件主菜單

（1）交點計算。隧道平面定線參數文件已經在TPSPRO斷面測量系統后處理軟件中預先形成，并拷貝到全站儀PCMCIA卡上，故可在啟動Profiler Survey軟件后，選擇“1 Intersection Calculate”菜單項，計算求得本次測量工作所需的平面定位要素。

功能鍵說明：F2，“INPUT”：啟動用戶輸入，操作員在此錄入條中錄入交點名稱；F4，“OK”：確定本次計算有效。返回圖2Profiler主窗體；ESC：取消本次計算。返回圖2Profiler Survey主窗體。

（2）儀器測站安置、歸零。在Profiler Survey軟件中，測站坐標的輸入及后視方向的度盤配置，以及斷面方向的計算，操作員在全站儀上圖3所示窗體中完成。

在圖4所示的Profiler軟件設站窗體中，功能鍵F1，“CONT/OK”：確定用戶本次設站，并返回主窗體（CONT）；或確定用戶輸入的數據，并自動計算斷面方向（OK）；F4，“Hz0”：啟動全站儀度盤配置窗體，完成度盤配置；F5，“IMPRT”：啟動設站坐標輸入功能，允許用戶在各輸入條中輸入數據。

圖3 交點計算主體

窗體中所顯示信息：“StatName：”儀器安置測站名，本次輸入RK161030；“St.Northing”測站北坐標（X），本次輸入 161030；“St.Eeatting：”測站東坐標（Y），本次輸入-3.064；“St.Elev：”測站高程（H）本次輸入9999；“Inst.Heigh t：”儀器高（Hi），可先直接輸入 0，后處理時通過記錄的儀器高再計算出相對的儀器高，在后出連軟件中進行重新定位計算；“HZ_F：”機載軟件根據里程自動計算所得斷面理論方向。

圖4 Profiler機載軟件設站窗口

（3）具體設站步驟。在隧道中架好全站儀后，在Profiler軟件設站窗體中：按F5“IMPRT”功能鍵啟動設站數據輸入功能，分別錄入儀器安置坐標X、Y、H（或里程、偏移、9999；其中9999不是實際高程而是標識），和儀器高（或高差）。

當在窗體中完成設站數據輸入后，按F1“OK”鍵自動計算。顯示斷面方向在Hz_F：項。

操作員可按F4“HZ0”進入全站儀歸零窗體，照準后視方向點配置全站儀度盤到已知方向。

完成安置、歸零按F1“CONT”返回Profiler軟件主菜單窗體。

3.斷面測量

完成全站儀機載Profiler Survey軟件設站安置、歸零工作后，接下來，應在Profiler軟件主菜單窗體中，選擇“3.Profiler”項菜單進入（圖5）。

該窗體內顯示信息含義：“CHAINGE：”測量斷面里程；“Pt：”已經完成測量采集的點數；“Hz：”全站儀水平度盤讀數；“V：”全站儀垂直度盤讀數。“SD：”測量所得斜距。

圖5 斷面測量數據采集窗體

進入斷面測量數據采集窗體后，按直接按F1“Start”功能鍵，開始啟動斷面測量，進行數據采集，隨即按一下F4“Stop”，出現如圖6所示，再手動依次瞄準測點即目標觀測點（貼片）正中心，再依次按一下F2“DIST”，即可獲得全部的觀測數據。

需要補充說明的是，在斷面測量系統應用于監控量測數據采集時，斷面方向可認為是固定的，即測站點與目標觀測點的連線，交點計算和儀器歸零這兩步可省去，直接進入機載軟件設站窗體進行設站點坐標輸入定位，此時可發現機載軟件根據里程自動計算所得斷面理論方向沒有，而且在后面的斷面數據采集窗體中第一行也沒有里程顯示，這是因為沒有進行交點計算，不過，絲毫不影響斷面數據的采集。這是因為每次量測目標點和置鏡點都是固定的（目標點宏觀上可認為不變，變化是微小的），而且誤差來源僅僅在于每次量取儀器高度（因為量測儀器高對點位高程變化有直接的影響），故而要保證量測的準確性和精確性，可量取三次取其平均值作為儀高，可將誤差減少到最小。其外業采集的數據如圖7所示。

圖6 斷面測量數據采集窗體

圖7 目標觀測點布置示意圖

由此圖可看出，實際采集的是5組數據：5條斜距和其對應的天頂距。這5組數據隨著圍巖的收斂變化以及儀器的高低而變化，而儀器高每次人為量測，通過后面的比較分析就可得出圍巖的收斂變化量。需要注意的是當觀測拱頂目標點時，無法精確照準，這時只要用激光點指向該點人為直接判斷準確度，可參照反射回來的激光強度。

當全站儀完成斷面采集后，按功能鍵Shift+F6“END”，返回Profiler軟件主菜單窗體。按照有關規范要求，對于每量測斷面，定點后進行了第一次量測，而后再進行了定期觀測直至圍巖穩定。

六、內業數據分析及處理

用徠卡專用數據連接線把儀器與計算機相連，每測一次將量測原始數據導入計算機，運行斷面測量系統后處理軟件對量測斷面數據進行自動分析處理，分析處理后的數據幻化成洞室絕對坐標值，再根據坐標差值比較確定圍巖變化。最終結果是以斷面圖和斷面數據表的形式顯示。如圖8所示，它是某次量測與第一次所測比較分析出來的結果。

由此可見，原始量測數據經計算機處理轉化成坐標值，圍巖變化量通過斷面分析后用坐標比較所得的差值反映出來的。因該隧道為直線隧道，所采用的坐標系統是以隧道軸線里程遞增方向為X軸、垂直隧道軸線前進方向左側為負右側為正為Y軸，過隧道路面中心線豎直向上方向為Z軸建立的三維坐標系統。這種處理結果極為形象直觀，把圍巖收斂絕對變化包括周邊收斂、位移及拱頂下沉變化，直接以坐標（水平方向和豎直方向）差值的形式表示出來。對隧道偏壓造成的隧道洞室收斂、位移等的變形觀測提供了一種有效的量測方法。而傳統方法只對圍巖內收斂變化進行量測，對隧道整體性偏移卻無法量測。

圖8 斷面圖和斷面數據表

需要說明的是，外業數據采集的點號順序是1-2-3-4-5，而斷面后處理分析后點位的編號正好相反，對應的數據分別是5-4-3-2-1測量，這并不影響量測的整個過程和結果。

最后結果雖出來了，變化也基本上清楚了。為了能更直接客觀地表示收斂變化的規律可尋性和可比性，直至圍巖變化的穩定性，需要對上述分析結果做進一步整理。因為有了后處理分析出來的斷面圖和數據（顯示的是絕對坐標Y和Z），可用本次的結果分別與上次以及第一次比較，并進行統計歸納，整理成表1。

表1 良心隧道右線偏壓圍巖凈空變化量測記錄表

此結果僅僅是以直接的數據形式顯示的變化情況。傳統分析方法是根據每條測線繪制一定的位移曲線圖，而在本方法中為了適應這一種形式以便形象地看出圍巖變化的趨勢，可根據表中每個斷面每個點的數據繪制位移時間曲線圖，只不過是測點位移時間曲線圖。這里就不在贅述了。

七、信息反饋

鑒于該段隧道處于偏壓狀態，圍巖不僅有一般情況下的內收斂（包括拱頂下沉）的特性，又有整體移位的特性，出現了圍巖變形、初期支護脫落及鋼支撐扭曲甚至現斷裂，隧道洞身二次襯砌出現了嚴重侵限等情況。在采用了上述圍巖變形量測的方法對圍巖變化進行長期的監控量測的同時，隧道洞身偏壓段也及時采取了補救措施，在大部分地段安設臨時鋼支撐--套拱進行二次支護，所有偏壓結構段打導管注漿，固結圍巖人為改變圍巖的類別，增加圍巖的穩定性；洞外山坡腳進行反壓回填，阻止山體位移。與此同時，山體也建立了放射性觀測網，洞內外結合，觀測山體變形情況，更加確切量測隧道洞室變化情況。

經過長期的量測積累并建立了一套量測數據庫，自發現變形偏壓至今確定處理方案近1年的時間內，圍巖基本穩定，從而可以確定進行下一步襯砌工作。

由于隧道洞身變形較大，直接影響隧道襯砌成型后的凈空，而此凈空是不能更改的。經甲方及有關專家研究確定了一套方案：降低偏壓段路面設計標高20 cm，將原設計的路面墊層20 cm取消；二次襯砌改為雙層鋼結構砼，最小厚度保證30 cm；部分地段不能保證最小厚度的，必須處理，原鋼支撐襯砌厚度不夠的地方要擴挖換拱。至此，該段偏壓隧道的后續施工按此方案進行。

八、結束語

在良心隧道右線偏壓段施工中，采用斷面測量系統進行圍巖凈空位移量測，為該隧道施工提供了科學合理的數據依據、保證了施工安全和施工質量、加快了施工進度。實踐證明，斷面測量系統作為觀測圍巖凈空位移量測技術在該偏壓隧道施工中的應用起到了極為重要的作用，是確定該隧道施工方案、變更隧道設計和保證隧道施工安全的重要依據，在判定隧道圍巖穩定性和支護效果、發現變異等方面取得良好效果。