全站儀在隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究

1、同濟大學(xué) 碩士學(xué)位論文全站儀在隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究 姓名：晏成 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：結(jié)構(gòu)工程 指導(dǎo)教師：夏才初 20050301 摘要 摘要 本文結(jié)合工程實踐，對全站儀在隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用及其實施過程中存在的問題進行了分析研究工作，主要如下： 根據(jù)隧道變形監(jiān)測的要求，對全站儀在隧道洞室變形與外部變形自動監(jiān)測中的實施方法與測量精度進行了分析研究；用統(tǒng)計檢驗的方法來判斷基準點位的穩(wěn)定性；對變形觀測點的數(shù)據(jù)進行處理，測站點穩(wěn)定條件下，采用系統(tǒng)差分方法；測站點不穩(wěn)定時，采用空問直角最小二乘坐標轉(zhuǎn)換進行處理；龍山隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，采用仕”、（）級全站儀進行隧道洞室三維變形監(jiān)測能夠達到

2、內(nèi)的精度，外部變形自動監(jiān)測變形點的三維坐標位移量中誤差在內(nèi)，滿足了隧道變形監(jiān)測的需要。關(guān)鍵詞：隧道工程，全站儀，變形監(jiān)測，自由設(shè)站，數(shù)據(jù)處理，精度分析 ， ： ， 洌椋恚澹睿螅椋錚睿幔? ， ， 【”、（）】 ， ： ， ， ， ， ， 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解同濟大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的屆本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或者機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以

3、贏利為目的的前提下，學(xué)校可以適當復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活動。 學(xué)位論文作者簽名霧裝 眸弓月如日 經(jīng)指導(dǎo)教師同意，本學(xué)位論文屬于保密，在 年解密后適用本授權(quán)書。 指導(dǎo)教師簽名： 學(xué)位論文作者簽名： 年 月 同 年 月 同濟大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔。 簽名：澎玻 齒年月二。日 第一章前言

4、第一章前言課題的來源和研究意義課題產(chǎn)生的社會背景 二十世紀八十年代以來，隨著我國改革開放不斷深化，國民經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，公路隧道的發(fā)展逐漸加快。我國是一個多山的國家，左右的國土是山地或重丘，高速公路建設(shè)由于技術(shù)上的需要，必須建設(shè)很多穿越崇山峻嶺的山嶺隧道，尤其是隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，在西部高原山區(qū)修建大量的高速公路，為縮短公路里程、改善線形和交通運輸條件及環(huán)境保護，以保障行車的安全性、舒適性和快捷性，修建公路隧道的數(shù)量日益增多，據(jù)不完全統(tǒng)計，到年底，我國已建成的隧道約公里，隧道長度占線路總里程的比例越來越高，如云南元磨高速公路有隧道座，隧道約占總里程的貴州崇遵高速公路共有隧道座，隧道約占總里程

5、的。 在過去很長一段時間內(nèi)，由于受當時經(jīng)濟發(fā)展水平的制約和隧道設(shè)計、施工技術(shù)上認識的局限性，隧道施工期變形監(jiān)測未受到充分重視。近年來，隨著我國公路隧道建設(shè)的迅速發(fā)展，隧道新奧法施工技術(shù)得到推廣應(yīng)用，在公路隧道建設(shè)中取得了較好的成績，而監(jiān)控量測是新奧法施工的核心【”，是監(jiān)視圍巖穩(wěn)定性，檢驗設(shè)計與施工是否正確合理及安全的重要手段。我國隧道建設(shè)發(fā)展速度很快，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)越來越難以滿足現(xiàn)代隧道快速、大跨、安全施工的要求。課題研究的意義 隧道工程建設(shè)處理的對象是經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)年代而生成的地質(zhì)體，其具有工程的隱蔽性、地質(zhì)條件的復(fù)雜多變性和巖土體性質(zhì)把握的不準確性，因此，常被稱為“隱蔽工程”和“灰色系統(tǒng)

6、”。一般的：程測試相比，隧道工程中的現(xiàn)場量測具有特殊重要的作用。而對這一點并小是所有的人都認以到了，著 第一章前言名巖石力學(xué)專家米勒（）說， “在巖土工程，特別是在隧道工程中變形量測的重要性尚未被很多人所認識。有些人把很重要的監(jiān)測過程看成是僅僅為了滿足科研奢望而使用一下的時髦。同這種觀點相反，對巖土結(jié)構(gòu)特別是對隧道的形態(tài)所進行的量測己被證明，其重要性猶如對鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)所進行的靜力計算一樣?！?在隧道施工中，支護系統(tǒng)與圍巖之間呈現(xiàn)著錯綜復(fù)雜的關(guān)系，并不總是能用“荷載一結(jié)構(gòu)物”模型加以概括；特別是在采用與圍巖緊密結(jié)合的錨噴支護、按新奧法原則修建隧道的情下況下， “荷載一結(jié)構(gòu)物”模型顯然不能正

7、確地描述圍巖和支護系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。因此，隧道旋工過程中，尤其采用新奧法施工時，對圍巖應(yīng)力調(diào)整過程和圍巖變形情況進行監(jiān)測是必要的。許多隧道開挖的經(jīng)驗表明，在施工過程中所進行的現(xiàn)場量測是獲得關(guān)于圍巖穩(wěn)定性和支護系統(tǒng)力學(xué)形態(tài)變化動態(tài)的信息，確定隧道的開挖方法、合理的二次支護施作時間和進行信息化施工決策防止隧道坍塌的重要手段。 以施作及時、同圍巖結(jié)合緊密并具有一定柔性的錨桿一噴射混凝土支護的使用為技術(shù)背景所發(fā)展起來的“隧道工程新奧地利法”），以其具有較大的靈活性、適應(yīng)于任意尺寸隧道斷面以及較大范圍的地質(zhì)條件和多變的巖石參數(shù)等特點，在現(xiàn)代隧道施工中被普遍采用。“新奧法”的原則是：隧道施工過程中安全條

8、件的獲得和隧道使用過程中安全度和工程質(zhì)量的保證，主要依靠圍巖自身通過應(yīng)力調(diào)整所建立的平衡。因此采用新奧法施工時，施工中對圍巖應(yīng)力調(diào)整過程和圍巖變形情況監(jiān)測，及時反饋圍巖一支護復(fù)合體的力學(xué)動態(tài)及其變化是非常必要的。 隧道周邊的位移是圍巖與支護系統(tǒng)力學(xué)形態(tài)變化最直接最明顯的反應(yīng)，易于建立一些準則，來實現(xiàn)監(jiān)控量測結(jié)果的反饋。在隧道工程中，位移監(jiān)測作為掌握圍巖動態(tài)的有效手段已引起工程界的廣泛重視。目前已經(jīng)廣泛推廣使用的隧道等地工程中的信息化技術(shù)【】要求在施工中設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)，以獲得在隧道丌挖及設(shè)置支護過程中圍巖穩(wěn)定性及支護工作狀態(tài)的信息，而位移量測【】【】【是施工期監(jiān)測的主要內(nèi)容。位移監(jiān)測的重要性決定了

9、及時地、高質(zhì)量地數(shù)據(jù)采集是絕對必要的，另一方面，測量過程對施工的干擾又必須減少到最小，即測量工作必須快速進行。 傳統(tǒng)勺隧道變形峪測，一般采用鋼尺式收斂計、掛鋼尺抄平、水準測量等接觸方式進行，該方法具有成本低、操作簡單和適應(yīng)惡劣施一環(huán)境的優(yōu)點。這 ， 第一章前言種接觸方式監(jiān)測的缺點是費用昂貴且現(xiàn)場安裝難度大，通常只能布置一個斷面，并且監(jiān)測速度慢，無法及時反映隧道全線的穩(wěn)定情況；同時，接觸方式一般無法進行三維觀測，當要了解隧道三維變形時，上述傳統(tǒng)方法顯得無能為力。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，西部山區(qū)將有越來越多的大跨度、多斷面、圍巖越來越復(fù)雜隧道的修建，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法具有明顯的局限性，如現(xiàn)場操作

10、困難、對施工干擾大、測量精度下降等問題。隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展，特別是快速、高精度、自動化的電子全站儀的出現(xiàn)，使得這類儀器應(yīng)用于隧道變形監(jiān)測成為可能。以全站儀為主要設(shè)備的非接觸隧道變形監(jiān)測方法，越來越得到廣泛的應(yīng)用，成為發(fā)展的主要方向；與傳統(tǒng)接觸式量測方法相比，該方法能獲取測點更全面的三維位移數(shù)據(jù)，而且可以克服傳統(tǒng)圍巖監(jiān)測斷面過少、獲得的信息不豐富、監(jiān)測過程復(fù)雜等特點，有利于結(jié)合現(xiàn)行的數(shù)值計算方法進行監(jiān)測信息的反饋工作，且具有快速省力、數(shù)據(jù)處理自動化程度高和無須接近測點等特點，而且還能將數(shù)據(jù)量測數(shù)據(jù)存儲起來，進行長期的監(jiān)控量測，對隧道的施工和養(yǎng)護都具有重要的意義。隧道變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展概況 隧

11、道變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展 自年在瑞士蘇黎士首次召丌巖石力學(xué)現(xiàn)場量測的國際會議后，人們才開始重視了現(xiàn)場量測技術(shù)。在隧道工程施工中，對隧道圍巖變形監(jiān)測是眾多測試參數(shù)中重要參數(shù)之一，是保證工程設(shè)計、旋工科學(xué)合理和安全生產(chǎn)的重要措施。傳統(tǒng)隧道變形監(jiān)測技術(shù)采用鋼尺式收斂計、掛鋼尺抄平等接觸方式進行，但越來越難以滿足現(xiàn)代隧道快速、大跨、安全施工的技術(shù)要求。年代以來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子全站儀的問世為隧道變形監(jiān)測開辟了一條新的途徑；工程實踐表明，全站儀監(jiān)測精度可達到皿毫米級。近幾年發(fā)展起來的數(shù)字攝影測量和實時攝影測量為攝影測量技術(shù)在隧道變形監(jiān)測中的深入應(yīng)用開拓了非常廣泛的前景，其精度已能達到毫米級水平。光、

12、機、電技術(shù)的發(fā)展，促進了無線遙測技術(shù)、光纖傳感技術(shù)的進步為隧道變形監(jiān)測提供了精確、可靠、便捷的方法，具有很大的發(fā)展?jié)摿徒?jīng)濟效益。盡管如此，隧道變形監(jiān)測技術(shù)在實 第一章前言踐過程中還存在很多還不確定的因素，需要進一步研究和完善。現(xiàn)有隧道變形監(jiān)測的方法 公路隧道變形監(jiān)測的核心是要及時、有效地獲得隧道施工過程中圍巖和支護的力學(xué)動態(tài)及穩(wěn)定狀況完整、可靠的數(shù)據(jù)，為評價和修改初期支護參數(shù)、力學(xué)分析及二次襯砌施作時間提供信息依據(jù)；通過信息反饋及預(yù)測預(yù)報來優(yōu)化施工組織設(shè)計，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，確保隧道施工的安全與質(zhì)量和工程項目的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。目前，隧道變形監(jiān)測主要有以下幾種方法： 、傳統(tǒng)位移監(jiān)測方法 隧道

13、位移監(jiān)測的傳統(tǒng)項目是拱項下沉和周邊收斂。采用收斂計對隧道周邊進行收斂測量，盡管收斂計本身的讀數(shù)精度很高，但在監(jiān)測過程中，受到設(shè)備安置等各種因素的影響，實際重復(fù)精度只能達到”左右。同時，這種方法有明顯的局限性，因為這種方法受限于隧道周邊上各點之間的相對距離，且只能求得一點相對于另一點的位移。在某些情況下，從量測讀數(shù)中很難甚至不可能獲得明晰的隧道變形特點圖。例如圖卜所示，隧道不對稱變形和縱向位移，采用傳統(tǒng)的方法就測不出來。 不對稱變形 樅向變形 圖采用傳統(tǒng)位移監(jiān)測方法無法發(fā)現(xiàn)的變形 盡管可以監(jiān)測邊布置成如圖卜所示的網(wǎng)狀，利用桿 式伸長計加測部分點的絕對位移，用數(shù)學(xué)方法來確定其他 點的絕對位移，但這

14、種方法有以下缺陷：伸長計必須在隧 道開挖噴混凝土后埋設(shè)，從埋設(shè)到可供使用需要較長時 自，而這段時聞恰恰是隧道刷邊變形最快的時段：另外， 圖 伸長計不可能完全錨固于隧道丌挖松散區(qū)之外，加上數(shù)學(xué) 第一章前言模型的近似性，用這種方法求得的絕對位移實際上并不精確，不能真實反映隧道的實際變形。 采用傳統(tǒng)水準測量的方法來監(jiān)測隧道拱頂下沉，可以達的精度，但當測量邊墻的點時，則很難進行測量，因而也不甚精確。 進行水準測量和獲取收斂讀數(shù)因需要投入一定的人力和時間來收集數(shù)據(jù)，從而在一定程度上干擾了施工進程。此外，由于施工通風(fēng)、旋工機械和設(shè)備及其它障礙物的影響，采用傳統(tǒng)方法經(jīng)常不能獲得連續(xù)的變形信息。 、全站儀自由

15、三維工作站 全站儀的全稱為全站型電子速測儀，它由光電測距儀、電子經(jīng)緯儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。一臺全站儀，除能自動測距、測角外，還能完成一個測站所需完成的工作，包括平距、高差、高程、坐標等，它具有多功能、高精度、自動化等優(yōu)點，是其他常規(guī)儀器所無法比擬的【引。全站儀采用自由設(shè)站三維觀測原理，指的是從任意測站觀測若干己知點的方向和距離，通過坐標變換（或按最小二乘法平差算出該測站上儀器中心的坐標，然后以此測出其余點的新坐標。變形監(jiān)測的基本思想是通過對比測點在不同時刻的三維坐標（，），得到該測點在該時段內(nèi)的位移（相對某一初始狀態(tài)）。與傳統(tǒng)接觸式量測方法相比，該方法能夠獲取測點更全面的三維位移數(shù)據(jù)，有利于結(jié)

16、合現(xiàn)行的數(shù)值計算方法進行監(jiān)測信息的反饋工作，同時具有快速省力、數(shù)據(jù)處理自動化程度高和無須接近測點等特點。全站儀自由三維觀測如圖卜所示。 測點（反射膜片） 矧全站儀三三維洲站觀測不意幽 第一章前言 在隧道變形觀測中，與全站儀配合使用的反射目標，目前是采用一種膜片式回復(fù)反射器作為測點靶標以取代價格昂貴的圓棱鏡反射器。回復(fù)反射指的是光波順原路返回的現(xiàn)象。具有回復(fù)反射性能的膜片形如塑料膠片，其面由均勻滿布的微型棱鏡及透明塑料薄膜構(gòu)成，反面涂有壓敏不干膠，可以牢固地粘附在結(jié)構(gòu)表面上。這種反射膜片，大小可以任意剪裁，價格低廉。 目前，在日本、瑞士等發(fā)達國家，已將全站儀正式應(yīng)用于隧道及地下工程的凈空位移量測

17、中。全站儀也逐漸成為世界上許多著名廠商生產(chǎn)的重要測量儀器之一，其中尤以瑞士徠卡公司和日本索佳公司的全站儀最為著名。 全站儀主要有以下特點：（）采用同軸雙速控制、微動結(jié)構(gòu)，使照準更加快捷、準確；（）控制面板提供了良好的人機界面，具有強大的人機對話功能，操作簡便，能有效減少按健時出現(xiàn)的錯誤，另外也有助于減輕作業(yè)人員的疲勞感：（）設(shè)有雙向傾斜補償器，可以自動對水平和豎直方向進行修，以消除豎軸傾斜誤差的影響；（）機內(nèi)設(shè)有測量應(yīng)用軟件，可以方便地進行三維坐標測量、后方交會、放樣測量及其他測量等工作；（）具有雙路通訊功能，可將量饈荽涓獠考撲慊部山郵芡獠考撲慊鬧噶詈褪蕁?在我國的工程測量中也已廣泛使用了全站

18、儀，將全站儀用于隧道位移量測的技術(shù)也正在研究和探索應(yīng)用。普通的全站儀（測程可達）和無反射全站儀（測程在范圍內(nèi)）測距精度均能達到（）或（。）。量測儀器以及計算機硬件水平的進步，為隧道圍巖變形量測奠定了必要的硬件條件。如果結(jié)合高精度三維測量方法和合理的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以將測量精度提高到亞毫米級，從而實現(xiàn)全站儀隧道位移量測的國產(chǎn)化。 、近景攝影量測 觀測隧道變形的近景攝影量測同地面上的近景攝影量測一樣，所用攝影機有兩種類型：一種是帶有框標和定向設(shè)備的量測相機攝影經(jīng)緯儀，一種是沒有框標和定向設(shè)備的非量測相機普通照相機。但不論采用那種類型的攝影機，都是根據(jù)目標點控制點和待定點）在像空間坐標系的坐標和其物

19、空間坐標之間的關(guān)系，建立目標點（地物點、像點和投影中心的共線方程。近景攝影量測隧道洞室位移的實質(zhì)，就是測算出目標點的物窄坐標，測算出相應(yīng)點的物空坐標的變化，即為相應(yīng)的三維位移矢量【】【】。 近年來，將攝影量測技術(shù)用于隧道洞室位移監(jiān)測，具精度已能達到毫米級水平。近景攝影量測已從模擬法步入解析法。根據(jù)攝影最測的基本原理，按照 第一章前言測定已知元素的不同，近景攝影量測有以下幾種：（）測定地面控制點的方法；（）測定攝影外方位元素的方法；（）直接線性變換的方法；（）手持相機監(jiān)測隧道洞室位移的近景攝影量測新技術(shù)。其中前三種方法由于量測時間長，或需要購置價格昂貴的攝影經(jīng)緯儀和坐標量測儀，或?qū)κ┕ず瓦\營干擾

20、很嚴重而難以推廣使用。手持相機監(jiān)測隧道洞室位移的近景攝影量測新技術(shù)的優(yōu)點為：（）在洞室斷面上布置的變形標志點越多越好，既能客觀地反映整個洞室的變形動態(tài)，又能提高點位的量測精度，并不增加洞內(nèi)的觀測時間；（）由于自由設(shè)置攝站和基尺，變形點標志設(shè)置方便，能在開挖后的數(shù)分鐘內(nèi)拍攝完畢，能及時反映洞室的最初狀態(tài)，對施工干擾很??；（）不需專用設(shè)備，普通相機代替了攝影經(jīng)緯儀，鼠標代替了坐標量測儀，掃描儀僅需花費兩、三千元即可購置，有些設(shè)備大都可以利用單位已有的，從而減少了設(shè)備開支。該技術(shù)能客觀、及時、全面、可靠地反映洞室位移的動態(tài)變化，實現(xiàn)洞室位移觀測的數(shù)字化，向自動化方向邁出了可喜的一步。 目前，經(jīng)試驗測

21、定，該技術(shù)仍然需要進一步提高量測精度：（）改變標志圖形，使其便于量測；（）采用數(shù)字相機，實現(xiàn)實時近景攝影量測，減少沖洗相片造成的誤差影響。實時近景攝影量測已是當前國內(nèi)外爭先研究的熱點。文獻介紹了在北京地鐵王府井車站進行的隧道變形的近景攝影量測試驗，取得了良好的效果?？梢灶A(yù)測，實現(xiàn)手持相機觀測隧道洞室位移的實時近景攝影量測已為期不遠。 、無線遙測技術(shù) 無線遙測技術(shù)代表了當今世界的先進水平，開發(fā)位移無線遙測技術(shù)將會產(chǎn)生極大的經(jīng)濟效益和社會效益。位移無線遙測技術(shù)的研制成功，將會在鐵路、公路、礦山、地質(zhì)等需要量測位移的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 文獻介紹了一種多通道無線遙測隧道圍巖位移系統(tǒng)，圍巖位移變化經(jīng)過機械傳動使裝在無線遙測數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置中的容柵式位移傳感器輸出的信號發(fā)生變化。傳感器同時輸出兩路不同的信號數(shù)據(jù)信號、同步信號），而用無線方式同時傳輸這兩路信號是極其困難的，因此，先將這兩