自由設站邊角交會與反射片在隧道變形監測中的結合應用

張萬平

摘 要：在一些大型工程項目建設期間，為了掌握其在建設期受溫度變化和自然地理、環境影響、以及檢核設計參數，需要掌握該工程各階段的變形量和變形趨勢，常常需要對其進行變形觀測。通過自由設站邊角交會設站，并利用彎管目鏡配合全站儀進行人工觀測目標反射片在沈丹客運專線監測項目中的應用，能夠達到垂直及收斂變形1mm精度的監測目的。

關鍵詞：自由設站；后方交會；前方交會；自動照準；彎管目鏡

中圖分類號：U456 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0186-02

沈丹客專TJ-2標項目部為了掌握無砟軌道鋪設前隧道拱頂是否存在變形，確保鐵路無砟軌道結構鋪設質量，施工期間按照設計要求進行了系統的沉降變形動態觀測，保證隧道工程達到規定的變形控制要求，分析推算出最終沉降量和工后沉降，合理確定無砟軌道鋪設時間，特要求對隧道拱頂區域開展三維變形觀測，并要求能夠反映隧道拱頂沉降監測點和側壁收斂監測點毫米級的變形量。

道扎子隧道變形觀測為應用對象，該隧道為單洞雙線隧道。位于本溪市南芬區下馬塘境內，進口里程為DK99+350，出口里程為DK99+461.67，全長為111.67m，圍巖級別Ⅴ級，考慮到隧道內條件有限，為了保障隧道施工正常進行，不影響施工進度安排和工序銜接，本隧道通過多種監測方案比選，最終選擇自由設站測量方法配合反射片完成本項目監測實施方案。本項目監測方案實施的整體思路為：

（1）首先對反射片的觀測精度進行驗證：通過查閱相關資料，我們所使用Leica公司生成的尺寸40mm*40mm的反射片在距離儀器9米測量時誤差穩定，標準差為0.14mm，內符合精度較高[1]。在距離反射片9米時，我們利用Leica TCA1201+全站儀對反射片中心從入射角分別為-60°、-30°、-0°、-30°、-60°進行連續20次的三維坐標觀測，通過三維坐標差計算的標準差為0.54mm。說明在利用全站儀對反射片進行觀測時，在9m左右距離的內符合精度較高。但從不同視線入射角度測量時，測量的距離有所差別。且通過試驗觀測發現，雖然儀器有反射片測量模式，由于反射片的反射能力有限，儀器自身的自動搜索功能無法找到反射片中心并獲取坐標，只能通過人工照準的方式瞄準反射片中心進行測量。為了在隧道內觀測隧道頂二襯的監測點，我們專門配置了彎管目鏡用于瞄準目標。

（2）建立監測基準，以保證監測點的測量有穩定可靠的起算基準。因隧道內現場條件有限，各影響因素較多，須在較短時間內完成監測，通過方案比選、研究，我們在隧道內監測區域外穩定的地方建立了平面高程基準網，基準網形見圖1。平面網采用自由設站邊角交會的方式建立，高程采用二等水準測量方法建立，每個基準點都有平面和高程值。

（3）自由設站邊角交會。每次自由設站時，儀器架設在固定位置，通過三維后方交會獲得儀器中心的三維坐標并進行設站。因每次的設站位置和后視基準點相同，設站精度控制指標為X、Y、Z均≤0.7mm，定向精度≤2″。

（4）由于布設的反射片監測點均位于隧道二襯頂部，每次儀器設站后，只有利用彎管目鏡人為照準反射片中心進行觀測。為了保證觀測精度，每次觀測均正倒鏡觀測兩個測回，取其平均值坐標單期觀測成果。隧道內監測反射片布設位置如圖2所示。

綜合考慮時效性和精度指標，選取2013年2月23日至2013年10月30日9期觀測數據，通過對各監測點高程累計變形情況和邊墻監測點三維坐標差計算的累計距離變化情況（即收斂量）的分析，看是否存在明顯的變形趨勢。統計出各期監測點的累計沉降量見表1，隧道邊墻左右兩側監測點三維坐標差計算的收斂量統計見表2。

從統計的斷面監測點累計沉降量數據看，監測點相鄰周期變形量最大為2mm，各期累計沉降變形量最大為1.6mm，累計沉降變形曲線如圖3所示。從統計的斷面監測點累計沉降量數據看，監測點相鄰周期變形量最大為2mm，各期累計沉降變形量最大為1.6mm。累計收斂曲線如圖4所示。

由于各監測點的沉降量及收斂量都很小，從變形過程曲線及擬合曲線看也沒有發現明顯的變形趨勢。假設所有監測點均沒有變形或變形量很小可忽略不計，則監測數據表現出的波動可認為全部來自測量誤差。則可通過各期變化量計算儀器自由設站誤差和觀測誤差的累加測量精度，由監測點沉降測量誤差計算的高程測量標準差為0.88mm，由監測點三維坐標差反算的收斂標準差為0.26mm。所以，利用全站儀自由設站配合彎管目鏡進行人工瞄準目標反射片進行變形觀測的方法，能夠反映超過1.76mm的變形。

在現場監測點布設不受其他條件限制的情況下，可以利用照準精度更高、能夠實現自動化觀測的精密棱鏡代替反射片進行觀測，自由設站時已知點和監測點間可全自動觀測，能夠完成監測精度要求更高的測量任務。

通過文章的分析，可以得到如下結論：（1）通過自由設站并利用彎管目鏡配合全站儀觀測反射片的監測方法，能夠在鐵路建設期間實現變形觀測任務。（2）通過監測數據分析，在假設沒有變形的前提下，通過此種方式獲取的收斂變形觀測數據和沉降觀測數據的觀測標準差均能達到1mm。（3）以后類似的監測項目，在條件允許的條件下可以將反射片用棱鏡代替，實現更高精度全自動變形監測。

參考文獻：

[1]樊鋼，李懷萍.反射片測量精度的檢測[A].2004年全國測繪儀器綜合學術年會論文集[C].成都：中國測繪學會，2004：120-121.

[2]李宗春，李廣云，范生宏，等.全站儀近距離測距精度檢驗方法的探討[J].測繪信息與工程，2002（4）：37-38.

[3]張忠良，楊友濤，劉成龍.軌道精調中后方交會點三維嚴密平差方法研究[J].鐵道工程學報，2008（5）：33-36.

[4]鐵建設[2006]158號.客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南[Z].

[5]鐵建設[2006]189號.客運專線無碴軌道鐵路工程測量暫行規定[S].

[6]TB10101-99.新建鐵路工程測量規范[S].

[7]GB12897-91.國家一、二等水準測量規范[S].

[8]沈丹客專鐵路工程設計文件[Z].