基于全站仪对边测量功能的隧道周边位移非接触量测方法的研究

摘要：为克服大断面隧道日益增多、施工方法多变给隧道周边位移量测带来的不便，通过对对边测量原理的分析，提出了基于对边测量的全站仪非接触法进行隧道周边位移量测的方法。研究表明，这种方法对施工干扰小、操作过程简单、测量速度快、量测精度高、环境适应性强，特别是对于大跨隧道，更能显示出其强大的优点，克服了传统的接触式量测方法的缺点，为隧道周边位移量测提供了一种全新的测量方法。

关键词：全站仪 对边测量 非接触法 隧道周边位移量测

In order to overcome the inconvenience the increase of the Large cross-section tunnel and the changeable of the construction methods that have given to the measurement of the tunnel displacement.In this paper,the principle of measurement of edge is analysed,and the measurement of the tunnel displacement based on the non-contact total station method is approved.The study shows that the technique is possessed following features:simple,fast speed,accurate,strong envieonment adaptation.Particularly,it can bring out the best for the Large cross-section tunnel,and it overcomes the shortcomings of the traditional methods,Which brings a new measuring method for the measurement of the tunnel displacement.

Key words:total station, principle of measurement of edge,non-contact, measurement of the tunnel displacement.

一、引言

随着我国轨道交通的飞速发展，大断面隧道日益增多，施工方法多变，而在隧道开挖完成初期，洞体周边围岩不可避免的会产生变形，其变形量的大小和速率直接影响施工进度、效率和安全生产。采用传统的收敛计等接触方式的方法进行量测，对施工干扰大、速度慢、人为因素影响较大。为解决这些问题，本文对对边测量的原理进行了分析，对基于对边测量的全站仪非接触法量测的方法进行了研究，认为这是一种切实可行的隧道周边位移量测的新方法，下面将研究情况逐一说明。

二、测点埋设

测点采用预埋小钢板，钢板的一侧粘贴反射膜片。钢板预埋件的制作尺寸可依据反射膜片的尺寸而定，应能够满足安设反射膜片。钢板焊接在靠近掌子面的第一榀钢支撑上，为避免施工人员或机械扰动预埋件，预埋件伸出围岩或初期支护表面，能够满足粘贴反射膜片即可。埋设钢板预埋件应与监测断面周壁垂直，约成90度角。一般常用的反射膜片的尺寸为40mm×40mm或20mm×20mm，将反射膜片粘贴在朝向洞口的一侧钢板上。喷射混凝土前，将塑料袋或废旧的水泥袋缠绕在钢板上，待喷射混凝土完毕后，解开塑料袋或废旧的水泥袋，及时清理其表面混凝土，并完成初始读数。监测完成后应及时对测点进行保护，以免施工时反射膜片表面被覆盖或污染。

三、基于对边测量的全站仪非接触量测原理

（一）、全站仪对边测量的原理

对边测量是将全站仪安置在能观测到两点的任意位置，利用全站仪直接测得仪器点到观测点的斜距、水平角和竖直角，间接测得两测点间的距离（斜距、平距、高差），如图2所示，A、B为两个待测目标，为了测量两点间的距离，在与两点通视的任意点O安置仪器，测出测站点0分别至A、B两点的斜距D1、D2和竖直角β1、β2，以及OA与0B两条线的水平角β然后由三角余弦定理和EDM三角高程测量原理得出此两点的水平距离和高差，进而求得斜距。全站仪屏幕显示的水平距离、高差和斜距，就是利用全站仪自身具有的内存及计算功能按公式计算出来的，测量是只需按下“对边测量”功能健即可。

对边测量的水平距离计算公式为：

(二)、对边测量的精度分析

下面仅从平距方面来分析对边测量的精度。根据式（1）利用误差传播定律，可以导出对边测量平距的中误差计算公式为：

mD2=mD12・cos2β1+ mD22・cos2β2+(Dsinβ1・sinβ2/ρsin(β1+β2))2mρ2(3)

考虑隧道的宽度，分别设D=10m及D=30m进行比较，用测角精度2″、测距精度2+2×10-6Dmm的全站仪进行测量，利用公式（3）计算在不同β1、β2值条件下，对边测量平距的中误差（mD），计算结果如表1所示。

从表1中可以看出，测点的距离D的大小对平距中误差的影响不大。在β1=90°和β2=70°、β1=70°和β2=90°、β1=70°和β2=70°三种情况时，中误差最小，此时应用全站仪对边测量功能测量AB的水平距离精度较高，能够满足水平收敛的精度要求。但从表2的情况来看，β1=90°和β2=70°、β1=70°和β2=90°时对应的D1、D2较大（80m以上），即测站点据测点距离较远，在隧道里由于光线、烟气、水雾等各种因素的影响，不利于观测，而在β1=70°和β2=70°时，D1=D2=43.9，距离较合适，因此建议测站点到测点的距离最好控制在30-50之间，此时误差较小。在β1=10°和β2=10°时，中误差最大，测量AB水平距离精度较低，而且此时应用对边测量极不方便，作业时应回避这种情况。

四、主要事项

1 由于反射膜片粘贴于预埋件上，预埋件埋设的角度可直接影响反射膜片与隧道轴线的角度，所以应尽量使预埋件与边墙垂直，可保证全站仪量测时能精确照准反射膜片的中心，精确读取坐标值。

2 反射膜片尺寸越大，量测时越易照准，所以在条件允许的情况下可采用大规格的反射膜片，以提高照准精度。

3 为精确对准反射膜片中心，在监控量测时，需用手电筒照射反射膜片，使其反射光源而发亮。

4 测点必须布设在同一断面。

五、结论

应用全站仪的对边测量功能测量大断面的隧道周边位移，设站灵活，操作简单，大大提高了外业的工作效率，并且设站时不需要对中，没有测站对中误差，在一定的观测条件下，测量精度高，结果可靠，完全可以代替传统的收敛计测量方法，是一种新的测量隧道周边位移的方式。

参考文献

[1]安徽省交通投资集团有限责任公司等，DB34/T1087-2009，公路隧道施工非接触量测规程[S]，北京，人民交通出版社，2010

[2]中华人民共和国铁道部，TB 10121-2007，铁路隧道监控量测技术规程[S]，北京，中国铁道出版社，2007

[3]金日守、戴华阳，误差理论与测量平差基础[M]，北京，测绘出版社，2011

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。