關(guān)于隧道非接觸監(jiān)控量測儀器選擇問題的探討(邱超)

1、關(guān)于隧道非接觸監(jiān)控量測儀器選擇問題的探討邱 超中交一公局土木技術(shù)研究院摘要：依托測繪儀器及測量技術(shù)的快速發(fā)展，隧道監(jiān)控量測的技術(shù)手段也發(fā)生了較大變化。由接觸量測向非接觸量測的轉(zhuǎn)變，是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)要求提高的必然結(jié)果。而這其中也涉及了一些亟待解決的問題，例如，對非接觸監(jiān)控量測使用的儀器免棱鏡全站儀的精度，現(xiàn)行的規(guī)范并未給出十分詳細(xì)的要求，甚至還有一些不妥之處，即便寫了也只是寥寥數(shù)語，只規(guī)定了儀器精度，并未對此作出任何解釋。本文從量測工作實際出發(fā)，對免棱鏡全站儀應(yīng)用在隧道監(jiān)控量測的工作原理與方法進(jìn)行分析，通過間接平差及精度評定理論，并對數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場情況及數(shù)據(jù)處理等方面綜合考慮，得出適當(dāng)?shù)膬x器精

2、度，給同行們作為參考并作為討論的依據(jù)。關(guān)鍵字：隧道非接觸監(jiān)控量測 免棱鏡全站儀 精度分析 儀器選擇1.緒論1.1隧道非接觸監(jiān)控量測的發(fā)展圖1-1-1 變形監(jiān)測的關(guān)系隨著測繪儀器的發(fā)展，各種新型儀器應(yīng)運而生，傳統(tǒng)的測繪儀器也逐步向數(shù)字化、智能化、一體化方向發(fā)展。測繪儀器也不再單單只局限應(yīng)用于工程放樣、控制測量的傳統(tǒng)意義上的測量工作。而隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各種新型基建項目大幅度開工建設(shè)，對工程的質(zhì)量、安全與進(jìn)度提出了更高的要求，變形監(jiān)測就在這一背景下產(chǎn)生、發(fā)展，并成為在建運營項目不可或缺的重要一環(huán)。變形監(jiān)測是圍繞整個工程進(jìn)展的一系列監(jiān)控工作，在保證施工安全的同時也為設(shè)計提供重要的數(shù)據(jù)支撐，與傳

3、統(tǒng)的一般工程測量相比，變形監(jiān)測有著精度更高、數(shù)據(jù)處理較復(fù)雜、測量周期性更強的特點。那么在進(jìn)行具體的監(jiān)測工作中，到底要使用什么樣的儀器、應(yīng)用什么樣的方法？在現(xiàn)行的很多規(guī)范中并且詳細(xì)給出，即使有也只是只言片語，甚至還有一些不妥之處。本文主要探討隧道非接觸監(jiān)控量測方面，目前測量儀器正在由傳統(tǒng)光學(xué)向數(shù)字化方向發(fā)展，接觸測量向非接觸發(fā)展的方式轉(zhuǎn)變。尤其是許多人所不能及的地方，非接觸量測的優(yōu)勢便更加明顯。例如，隨著隧道下導(dǎo)的開挖，隧道的上導(dǎo)水平收斂測線用傳統(tǒng)收斂計量測造成很大麻煩，很多時候不得不放棄測量。再比如，基于精密水準(zhǔn)測量的拱頂沉降，由于鐵路隧道的凈高較高，在懸掛測尺一直是沒有很好解決方法的難題，如

4、果測尺懸掛不規(guī)范，或者每次懸掛偏離較大，即使測量的在準(zhǔn)確也無法真實體現(xiàn)沉降。甚至在淺埋段的地表沉降，尤其是靠近洞口處，采用水準(zhǔn)測量困難很大，如果能在沉降點上粘貼反光片，采用免棱鏡全站儀三角高程的方法，測出沉降量，能大大降低數(shù)據(jù)采集人員的工作困難程度。所以非接觸量測技術(shù)僅在隧道監(jiān)控量測方面應(yīng)用的就十分廣泛，也可以說為隧道監(jiān)控量測的外業(yè)數(shù)據(jù)采集帶來了革命性的突破。使數(shù)據(jù)采集工作變得更加簡單、快捷與便利，但是精度又成為這個方法是否切實可行的關(guān)鍵。近幾年來關(guān)于數(shù)據(jù)精度、儀器精度、系統(tǒng)誤差分析與改正、測量中的誤差分析與改正以及精度的評定成為了各位同行關(guān)注的重點。1.2免棱鏡全站儀技術(shù)的簡介全站儀是一種集

5、光、機(jī)、電為一體的新型測量儀器，簡單說來是由電子經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)和激光測距儀測量系統(tǒng)組成。與傳統(tǒng)光學(xué)經(jīng)緯儀相比電子經(jīng)緯儀將光學(xué)度盤換為光電掃描度盤，將人工光學(xué)測微讀數(shù)代之以自動記錄和顯示讀數(shù)，使測角操作簡單化，且可避免讀數(shù)誤差的產(chǎn)生。電子經(jīng)緯儀的自動記錄、儲存、計算功能，以及數(shù)據(jù)通訊功能，進(jìn)一步提高了測量作業(yè)的自動化程度。全站儀與光學(xué)經(jīng)緯儀區(qū)別還在于度盤讀數(shù)及顯示系統(tǒng)，電子經(jīng)緯儀的水平度盤和豎直度盤及其讀數(shù)裝置是分別采用兩個相同的光柵度盤（或編碼盤）和讀數(shù)傳感器進(jìn)行角度測量的。 根據(jù)測角精度可分為0.5，1，2，3，5，10等幾個等級。免棱鏡測量技術(shù)基于相位法原理，全站儀發(fā)出的激光束極為微小，它

6、可精確地打到目標(biāo)上，保證精度較高的距離測量。與有棱鏡測量相比較，其優(yōu)點是只要測點的反射介質(zhì)滿足免棱鏡測量的條件，就不需要在測量點位上置放棱鏡，即可精確的測定出該點的三維坐標(biāo)。使用柯達(dá)灰度標(biāo)準(zhǔn)卡，其半徑可達(dá)180米，它具有可見的紅色激光斑以及微小的光束直徑。為了達(dá)到出色的標(biāo)準(zhǔn)和基于考慮測量人員的身體安全的效果，采用最安全的一級激光，確保了免棱鏡測量勝任于任何測量工作。對于測量人員提高作業(yè)效率來說是非常有利的。1.3應(yīng)用免棱鏡全站儀的隧道監(jiān)控量測的要求若想把免棱鏡技術(shù)很好的應(yīng)用在隧道監(jiān)控量測上，筆者認(rèn)為要滿足如下幾點要求：數(shù)據(jù)采集快速，操作簡便，對現(xiàn)場環(huán)境要求最低。在隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)采集時，隧道一

7、般都在施工，隧道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜。出渣、立架、噴漿、挖仰拱等等，讓數(shù)據(jù)采集人員能夠最迅速、準(zhǔn)確、方便的采集有用的數(shù)據(jù)，是量測的前提。這就要求我們的儀器及采集數(shù)據(jù)的方法，簡單、不受外界環(huán)境影響并且要快速，傳統(tǒng)接觸量測往往不具備，這也是免棱鏡技術(shù)的最大優(yōu)勢之一。精度達(dá)到要求。根據(jù)公路隧道施工非接觸量測規(guī)程（DB341T1087-2009）和公路隧道施工技術(shù)規(guī)范（JTG F60-2009）中規(guī)定，應(yīng)用全站儀量測應(yīng)滿足±1mm的測量精度，取數(shù)范圍達(dá)到0.1mm級。這里重點要強調(diào)兩個方面，其一，全站儀是量邊測角的儀器，與最后所求的周邊收斂與拱頂下沉值都為間接量測值，存在誤差傳播，下文也將重點分析；其

8、二，規(guī)范所強調(diào)的±1mm的測量精度，即測量值的偶然誤差的中誤差為±1mm，也就是所得誤差的離散程度，而并非測量值與真值相差的真誤差，通過多次測量取平均值可大大減小其中誤差，這也是全站儀可以應(yīng)用于精密測量的關(guān)鍵所在。測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，能真實反映問題。通過我單位在重慶萬達(dá)高速隧道監(jiān)控量測的情況來看，量測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可信度較高，在本文的工程實例中也將做詳細(xì)介紹。2. 應(yīng)用免棱鏡全站儀進(jìn)行隧道監(jiān)控量測的原理與方法在重慶萬達(dá)高速公路隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)采集工作中，我們采取了三角高程、自由設(shè)站、應(yīng)用測回法的角度觀測與激光測距及對邊量測等方法，在實踐中慢慢總結(jié)出應(yīng)用自由設(shè)站與對邊量測相結(jié)合的方

9、法采集數(shù)據(jù)，較為便捷并且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，本文將對這一方法及原理做以重點介紹。 2.1原理 圖2-1-1 對邊量測原理對邊量測是指間接的測定遠(yuǎn)處兩側(cè)點之間的距離（斜距或平距）和高差，即使這兩點不通視。如圖2-1-1所示，A、B為隧道內(nèi)兩觀測點，若進(jìn)行周邊收斂量測，A、B即為收斂測線左右兩點，若進(jìn)行拱頂下沉量測，A點即為后視點，B點為拱頂沉降觀測點。為確定斜距S和高差h，可在與A、B通視的任意點O上安置儀器，觀測O至A、B兩點的斜距S1、S2和垂直角1、2以及水平角，然后根據(jù)下式計算求出AB斜距以及高差。水平距： 高差：斜距：實際上，全站儀顯示出來的水平距、斜距和高差，就是利用其自身具有的內(nèi)存和計算功能

10、按照上式計算出來的，測量時只需按下“對邊測量”功能鍵即可。2.2方法圖2-2-1 拱頂沉降量測方法全站儀的對邊量測有兩種方式：一種是連續(xù)式模式，也稱多邊模式或相鄰邊模式，在該模式下我們所測的所有的點的數(shù)據(jù)（即兩點間的高差、平距及斜距）都是相對于前一個點而言的，儀器在任意位置安置后，即可測得P1-P2之間，P2-P3之間，P3-P4之間等的距離、高差、坐標(biāo)等；另一種是輻射式，在該模式下我們所測的所有點的數(shù)據(jù)都是相對于第一點而言的，亦即P1-P2之間，P1-P3之間，P1-P4之間等。我們在周邊收斂量測時采用連續(xù)式，拱頂量測時采用輻射式，注意儀器使用時的設(shè)置。如圖2-2-1所示，拱頂沉降，即采用自

11、由設(shè)站、單點定位，只需求出后視點A和拱頂沉降點B的相對變化量。步驟自由設(shè)站，進(jìn)入對模式；照準(zhǔn)后視點A和拱頂觀測點B，求hAB即dVD；若條件允許，直接觀測拱頂點C，求出hAC即可。圖2-2-2 周邊收斂量測方法如圖2-2-2所示，周邊收斂步驟自由設(shè)站，進(jìn)入對邊量測模式；直接照準(zhǔn)觀測點A與觀測點B，求出兩點間斜距；繼續(xù)進(jìn)行下一測線的量測。3. 儀器的精度分析及機(jī)器選擇的意見在確定的觀測方法后，我們即可將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析，此處并不用實際數(shù)據(jù)，可進(jìn)行理論數(shù)據(jù)的分析，采取最不利的情況，然后用工程實例進(jìn)行驗證。3.1關(guān)于dVD的討論如圖3-1-1所示，在拱頂沉降量測中，dVD是數(shù)據(jù)采集的最終數(shù)據(jù)，

12、通過本次與上次的量測dVD差值求出沉降速率，通過本次與首次的dVD差值求出累計沉降值。那么： （式3-1-1）如圖， （式3-1-2）圖3-1-1 垂直位移量測圖將上式全微分得， （式3-1-3）由誤差傳播的一般表現(xiàn)形式即， （式3-1-4）將（式3-1-3）帶入上式得， （式3-1-5）接下來，我們討論最不利情況。假若我們使用測角精度為±1”，即一測回方向觀測誤差為±1”；開啟免棱鏡模式，測邊精度為±（2+2ppm），即固定誤差為±2mm，比例誤差為每公里增加2mm，固定誤差和比例誤差都為中誤差；測程我們選PinPoint-Power型號，全站儀的測程

13、大致分為，F(xiàn)lexPoint、PinPoint-Power、PinPoint-Vltra三種型號，F(xiàn)lexPoint型免棱鏡測距一般在30m以內(nèi)，PinPoint-Power型免棱鏡測距大于400m，PinPoint-Vltra型免棱鏡測距大于1000m（屬超長測距）。當(dāng)豎直角（）或天頂距為90°±1或0°±1，距離在（0.2±2×10-6）km時，如下式所示：當(dāng)90°±1時， 帶入（式3-1-5）得，當(dāng)0°±1時， 帶入（式3-1-5）得，垂直位移（從全站儀到觀測點之間，并非后視點到監(jiān)測點之間

14、的高差值）監(jiān)測變形觀測點在最不利情況下的高程最大中誤差為±2mm，即測量值與真值的離散區(qū)間為±2mm。下面是控制各變量，數(shù)據(jù)的變化情況。也就是通過誤差傳播后，由全站儀數(shù)據(jù)采集時的偶然誤差、系統(tǒng)誤差反映到最后結(jié)果（即后視點到觀測點之間的高差）的情況。表3-1-1控制不同變量下測量中誤差的離散分布情況豎直角或天頂距（）儀器測角精度（m）儀器與測量點間的距離（d）儀器測距精度（固定誤差和比例誤差）方差垂直位移標(biāo)準(zhǔn)差（中誤差）兩點間高差中誤差單位度（°）秒（）米（m）米（m）毫米方（mm²）毫米（mm）毫米（mm）采用測角精度2級的儀器，免棱鏡模式，測距控制在1

15、00m內(nèi)。0 2 50.000 0.0020 0.2350 0.48 0.34 10 2 50.000 0.0020 1.3493 1.16 0.82 20 2 50.000 0.0020 3.3730 1.84 1.30 30 2 50.000 0.0020 3.9104 1.98 1.40 40 2 50.000 0.0020 2.3253 1.52 1.08 50 2 50.000 0.0020 0.4942 0.70 0.50 60 2 50.000 0.0020 0.5848 0.76 0.54 70 2 50.000 0.0020 2.4899 1.58 1.12 80 2 50.

16、000 0.0020 3.9541 1.99 1.41 90 2 50.000 0.0020 3.2441 1.80 1.27 采用測角精度1級的儀器，免棱鏡模式，測距控制在150m內(nèi)。0 1 150.000 0.0020 0.5288 0.73 0.51 10 1 150.000 0.0020 1.5562 1.25 0.88 20 1 150.000 0.0020 3.4219 1.85 1.31 30 1 150.000 0.0020 3.9174 1.98 1.40 40 1 150.000 0.0020 2.4560 1.57 1.11 50 1 150.000 0.0020 0.7

17、678 0.88 0.62 60 1 150.000 0.0020 0.8514 0.92 0.65 70 1 150.000 0.0020 2.6077 1.61 1.14 80 1 150.000 0.0020 3.9577 1.99 1.41 90 1 150.000 0.0020 3.3031 1.82 1.29 采用測角精度1級的儀器，使用專用反光片，測距控制在100m內(nèi)。0 1 100.000 0.0015 0.2350 0.48 0.34 10 1 100.000 0.0015 0.8314 0.91 0.64 20 1 100.000 0.0015 1.9144 1.38 0.

18、98 30 1 100.000 0.0015 2.2021 1.48 1.05 40 1 100.000 0.0015 1.3537 1.16 0.82 50 1 100.000 0.0015 0.3738 0.61 0.43 60 1 100.000 0.0015 0.4223 0.65 0.46 70 1 100.000 0.0015 1.4418 1.20 0.85 80 1 100.000 0.0015 2.2254 1.49 1.05 90 1 100.000 0.0015 1.8455 1.36 0.96 采用測角精度1級的儀器，使用專用反光片，測距控制在50m內(nèi)。0 1 50.0

19、00 0.0010 0.0588 0.24 0.17 10 1 50.000 0.0010 0.3373 0.58 0.41 20 1 50.000 0.0010 0.8433 0.92 0.65 30 1 50.000 0.0010 0.9776 0.99 0.70 40 1 50.000 0.0010 0.5813 0.76 0.54 50 1 50.000 0.0010 0.1236 0.35 0.25 60 1 50.000 0.0010 0.1462 0.38 0.27 70 1 50.000 0.0010 0.6225 0.79 0.56 80 1 50.000 0.0010 0.

20、9885 0.99 0.70 90 1 50.000 0.0010 0.8110 0.90 0.64 由表可知，在使用測角精度為2級的儀器時，測量出的最后結(jié)果中誤差大都在±1mm以上，這也是非接觸監(jiān)控量測工作一定要用1級的原因之一。在使用測角精度為1級的儀器時，與測距距離和使用的測距模式有很大的關(guān)系。當(dāng)使用免棱鏡（NP模式）時，中誤差一般都在±1mm左右；但當(dāng)使用全站儀占用反光片時，測量精度大大提高。通過大量的理論模擬計算，我們得出了這樣一個結(jié)論：即當(dāng)使用測角精度為1的全站儀，并配合使用專用的反光片時（測距精度可達(dá)1mm+1.5ppm），切把測距控制在50m（即后視點與觀測

21、點相距100米）時，測量精度可控制在±1mm以內(nèi)，即可滿足現(xiàn)行施工規(guī)范要求并滿足工程測量規(guī)范（GB50026-2007）“第十章變形監(jiān)測”表10.1.3中，關(guān)于垂直位移監(jiān)測三等的要求。3.2 關(guān)于dsd的討論在水平收斂觀測中，最終采集的數(shù)據(jù)應(yīng)為測線兩觀測點間的斜距。原理與拱頂沉降觀測大致相同。如圖3-2-1所示， （式3-2-1）圖3-2-1 水平收斂量測 又可得，（式3-2-2）與（式3-1-1）相對比，情況與dVD相同。故不在多述。3.3關(guān)于外界因素對觀測精度影響的討論外界環(huán)境因素：由于隧道內(nèi)空氣對流較弱，施工中產(chǎn)生的大量塵埃、煙霧和水汽，無法及時排出洞外而懸浮于空氣中，造成目標(biāo)

22、成像不夠穩(wěn)定、清晰，引起監(jiān)測誤差，但可采用多次照準(zhǔn)取均值的方法來削弱其影響。溫度、氣壓和濕度的變化對監(jiān)測結(jié)果也會產(chǎn)生一定的影響，但隧道內(nèi)的溫度、氣壓和濕度均比較穩(wěn)定，變化緩慢，因此，在一次觀測過程中，只需每次測量前在全站儀上對溫度、氣壓和濕度進(jìn)行改正即可，無需實時修正。儀器因素：由于儀器施測前經(jīng)過了嚴(yán)格的檢驗和校正，儀器本身的誤差已大為減弱，加之隧道圍巖收斂監(jiān)測主要考慮各監(jiān)測點間的相對位置關(guān)系變化，因此，測量儀器的系統(tǒng)誤差可在兩次監(jiān)測的位移值計算中得以大部分的消減。3.4關(guān)于儀器選擇上的幾點建議： 根據(jù)上文對理論數(shù)據(jù)的模擬計算，和對免棱鏡全站儀的各種要求，下面介紹幾種可供選擇的全站儀。徠卡TP

23、S系列，瑞士徠卡公司在2004年推出長測距免棱鏡儀器的經(jīng)典系列。采用脈沖激光測距，在視線良好的條件下，免棱鏡測距可達(dá)1100米。全站儀的特點的紅外線測距是與望遠(yuǎn)鏡同軸的，在跟蹤作業(yè)模式下，測量速度會更高。國內(nèi)正常報價在20萬左右。拓普康GPT-3000LN系列，2005年日本拓普康公司推出的3002LN全站儀，采用激光免棱鏡測距，在視線良好的條件下，免棱鏡距可達(dá)400500米。有雙光學(xué)系統(tǒng)在無棱鏡模式下是窄光束測量，能確保瞄準(zhǔn)點正好是被測點。另外一種就是有棱鏡模式下的寬光束測量，即使在熱閃爍條件下，長距離測量時該光束仍很穩(wěn)定，因此可提供精密測量任務(wù)。徠卡TS系列，TS09版以上均為1級儀器，采

24、用高性能CPU（533MHZ），比TPS快一倍以上，已豐富的解決方案、快速的通訊連接、間接的操作面板、便捷的數(shù)據(jù)交換著稱。國內(nèi)報價TS09城市版1power模式為13萬左右，TS11為16萬左右，TS15為24萬左右（帶自動測量馬達(dá)）。徠卡TCRA2003，稱為測量機(jī)器人，世界上精度最高的全站儀（測角精度0.5），國內(nèi)報 價40萬以上。4. 工程實例我單位在重慶萬達(dá)高速公路隧道施工監(jiān)控量測項目上采用非接觸測量，并采購儀器，通過以上的分析和計算，最終決定采用TS09城市版1power這款儀器。儀器具有穩(wěn)定性好，性價比高的特點。在儀器精度達(dá)到要求的同時，現(xiàn)場的點位布設(shè)也要規(guī)范，并使用專用反光片?，F(xiàn)將儀器通過對邊測量模式對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集以及分析情況展示如下，可供參考。以下圖表分別是重慶萬達(dá)高速公路項目某隧道點位布設(shè)的展示以及數(shù)據(jù)采集后速率和累計值生成的圖表，并做了回歸分析。圖表4 萬達(dá)高速公路隧道監(jiān)控量測現(xiàn)場及數(shù)據(jù)展示圖4-1 采用徠卡專反光片的標(biāo)準(zhǔn)點位布設(shè)圖圖4-2點位標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)斷面圖4-3 萬達(dá)高速某隧道拱頂沉降累計圖圖4-4 萬達(dá)高速某隧道拱頂沉降速率圖圖4-5 萬達(dá)高速某隧道周邊收斂累計圖4-6 萬達(dá)高速某隧道周邊收斂速率圖通過上表，我們不難發(fā)現(xiàn)，儀器采集的數(shù)據(jù)可用