全站儀在管片結構豎向位移監測中的應用

楊茂華， 孫亞霖

(佛山市公路橋梁工程監測站有限公司， 廣東 佛山 528041)

隨著社會的發展，城市交通壓力越來越大，城市軌道交通迎來井噴式發展。隨著大量城市軌道項目的上馬，軌道工程的安全問題日益凸顯，對工程監測提出了更高要求。管片結構豎向位移監測在地鐵隧道變形監測中具有重要地位，目前主要采用公路隧道的測量方法，如精密水準測量法、自動化監測系統等。這些方法都存在一定局限，如水準儀測量倒尺法存在掛尺不便的問題，測量工作強度高、時間久，需較多人力和物力投入；自動化系統造價高，系統穩定性差，常需人為干預才能連續工作。隨著工業技術的發展，精度更高的全站儀在隧道施工監測中的應用越來越廣泛，不用測量儀器高和棱鏡高的三角高程測量方法得到廣泛運用，并取得了很好的效果。

1 測量方法及原理

三角高程測量方法是基于徠卡圓棱鏡和小棱鏡的全站儀測量管片結構豎向位移的方法，測量過程中不用量取儀器高和棱鏡高，且對全站儀的設站位置無太多要求，架設在通視好的位置即可。

監測基準點由地面國家一、二等水準網引入隧道洞口外，并設置牢固的強制對中墩，在對中墩上放置圓棱鏡。布設監測點時，為保證測量精度，選擇基準點零點位置時基準點距離第一站儀器安置點的水平距離應不小于后視點高度的2倍，以防后視點觀測豎直角大于30°。保持較小的后視點豎直角，以適當增加水平距離，可增強后視點的穩定性。

隧道內監測點設置在拱頂，并避開施工管道，監測點用360°小棱鏡固定在管片上，每隔固定距離布設一個監測點，并按照順序編號(見圖1)。

圖1 拱頂沉降測量路線

測量時，將全站儀架在點A，此時后視點為點O，前視點為點5，然后依次測量點1～5，完成一測站的觀測；然后搬至點B，此時后視點為點5，依次測量該站需測量的監測點，測完后搬至下一站進行測量。為保證測量精度，后視點和前視點到站點的水平距離應大于測點高度的2倍。

2 測量數據計算

2.1 高程計算

如圖2所示，設基準點為點1，待測點為點2，在測點1、2分別安放圓棱鏡，在測點1、2大致中間的位置安放全站儀，按照常規三角高程測量原理，則測點1、2間的高差為：

圖2 拱頂測量計算示意圖

(1)

式中：H1、H2分別為測點1、2到站點平面的距離；S1、S2分別為測點1、2到站點的距離；α1、α2分別為測點1、2到站點連線與水平面的夾角；K1、K2分別為測站到測點1、2的大氣折光系數。

點1為基準點，高程已知，則測點2的高程為：

(2)

由于是在洞內測量，測量距離較短，測量環境穩定、均勻，每點的測量情況相似，大氣折光的影響較微弱，為抓住主要矛盾，分析三角高程測量誤差的主要影響因素，不考慮大氣折光的影響，式(2)簡化為：

H2=H1+S2sinα2-S1sinα1

(3)

2.2 中誤差計算

點1為基準點，高程穩定，不考慮點1的誤差，對式(3)進行全微分，得：

(4)

式中：dH2為測點2高程的微分量；dS1、dS2分別為測點1、2至測站斜距的微分量；dα1、dα2分別為測點1、2豎直角的微分量。

由于測量使用的是同一臺儀器，前后視距又大致相等，各距離和角度中誤差分別按照相等來處理，根據誤差傳播定律，式(4)的中誤差為：

mh=±

(5)

式中：mh為測點2的高程中誤差；ms為距離測量的中誤差；mα為高度角測量的中誤差；ρ″為轉換系數，其值為206 265。

2.3 精度分析

采用徠卡TM50全站儀配合徠卡圓棱鏡(見圖3)進行測量，其測角精度mα=±0.5″，測距精度ms=±(0.6 mm+1 ppm)，具有強大的數據存儲和處理功能，可免去洞內計算和測量常數設置等，從而大大減少測量工作時間。

圖3 測量儀器

按照控制變量的方法，分別固定距離和角度，計算測點高程的中誤差，結果見表1。

表1 參數計算結果

由表1可知：1) 豎直角不變時，mα值不變，ms隨著觀測距離的增大而增大，測量誤差增幅隨著觀測距離的增大而增大。2) 如果每次測量距離不變，則ms影響值固定，mα影響值隨測量距離的增加而增加，測點高程誤差有所增加，但增幅不大。3) 測點高程誤差的最大影響量取決于測量時豎直角，隨著豎直角的增大，測點高程誤差快速增大。4) 根據GB 50911-2013 《城市軌道交通工程監測技術規范》的要求，工程監測等級為一級時，豎向位移監測點測站高差中誤差小于等于0.6 mm。對于徠卡TM50全站儀，豎直角控制在30°以下，測量距離在200 m以內都滿足要求。

3 工程應用實例

某城市軌道交通二號線的某段地下區間采用盾構法施工，斷面形式為圓形，結構形式為裝配式鋼筋砼單層襯砌。洞身主要穿過強～中等風化砂巖、泥巖，局部拱頂為殘積土，無不良地質，特殊巖土為人工填土、軟土、殘積土、風化巖及膨脹巖。隧道范圍的主要建(構)筑物有南北大涌公路涵、泰陶衛浴(2層)、海口人行天橋、鳳凰人行天橋、隔田坊安全小區、石油公司油庫、鳳凰崗加油站、石灣站端頭民房區等。工程監測等級為一級，其中管片結構豎向位移為必測項目。

該項目區間豎向位移監測控制網(點)以85高程系統為基準建立，采用施工坐標系，起始附合于地鐵施工控制網二等精密水準點上。控制點由基準點和工作基點組成，根據該線路車站待監測結構物的位置分布及道路地表等監測對象分布情況，控制網分段布設成局部獨立網，與觀測點一起布設成閉合環網、附合網或附合線路等。基準點是檢驗工作基點穩定性的基準，設在遠離地鐵基坑或隧道施工影響區的穩固位置，距基坑開挖深度或隧道埋深2.5倍范圍之外。以3個斷面的豎向位移監測結果(見圖4～6)為例分析測量結果的可靠性。

圖4 0#斷面監測結果

圖5 17#斷面監測結果

圖6 33#斷面監測結果

從圖4～6可看出：3個斷面的監測數據變化平緩、圓滑，只有個別點出現略微起伏；豎向位移整體上呈現越來越小的規律，符合隨著盾構機遠離管片結構豎向位移逐漸收斂的規律。采用全站儀三角高程測量方法進行管片結構豎向位移測量科學、可行。

4 結論

(1) 傳統水準測量方法操作不便，費時費力，而采用全站儀三角高程測量方法快速且精度滿足要求，是測量管片結構豎向位移的一種新方法。

(2) 采用全站儀測量時，相鄰兩測點間可以不通視，儀器只需整平，無需對中，不用量取儀器高，測量快速、靈活，具有明顯優勢。

(3) 使用全站儀采取三角測量時，若需進一步提高精度，可采取盡量使前后視距相等、盡量降低豎直角、適當增加測回數等措施。