断面收敛测量在隧道中的应用

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1、断面收敛测量在隧道中的应用王福根一、工程概况　　地铁隧道在建成、运营以后，由于线路周围建设引起的地面加载，地铁列车运行的震动以及该地区的地下土体位移等会使隧道结构形状发生变化，这种变化过大，会对地铁隧道的安全产生一定的影响，由于地铁二号线已运营多年，每年都要对隧道的结构形状变化情况进行系统地测量，为地铁隧道的监护提供可靠的数据。二、测点布设：　　由于地铁二号线断面收敛变形测量每年一次，每次测量各测点必须一致，因此在第一次测量时已经将各测点布好，2004年地铁二号线全线隧道断面收敛变形测量继续采用原来所布设的测点。三、测量方法　　利用徕卡马

2、达驱动无合作目标测距TCRA1101型全站仪，该仪器集电子计算、马达驱动、激光无棱镜测距、自动跟踪目标、自动采集数据等各项高科技于一体，自动化性能高。根据地下工程隧道断面收敛变形测量的要求，开发应用于隧道断面收敛变形测量外业数据自动采集的TPS1100系列全站仪使用机载断面数据采集软件进行。它通过PCMCIA卡存储数据文件直接与计算机接口，实现隧道断面收敛变形测量野外数据采集软件控制、自动采集等功能，进而实现隧道断面收敛变形测量工作的自动化、数字化、计算机化、保证观测成果的准确性、高效率性，并减轻了劳动强度。　　断面收敛变形测量外业数据采

3、集采用Profiler断面收敛变形测量机载软件，该软件直接读取全站仪PCMCIA上数据中的设计参数，当全站仪安置完成并配置度盘后，程序实时计算断面收敛方向，并控制全站仪转动到该方向，按规定步长自动采集断面数据，直接将测量结果存储到全站仪PCMCIA存储卡的文件中，完成测量以后，该数据文件可拷贝到内业计算机中，有专门的软件进行自动处理，从而得到断面收敛变形测量成果及图表。　　地铁隧道断面收敛变形测量使用的是TCRA1101型隧道断面收敛变形测量系统，该系统集经纬仪，激光测距仪，数据自动采集，存储，实时显示于一体，测量精度测距为±3mm，断面

4、扫描旋转角距为程控，最小为0.03º。在隧道作业中严格按照设计书的要求对地铁二号线全线隧道进行统一布点。为使测量数据有对比性，故每次测量均使用同一点（即环号点号一致）。四、数学模型　　首先我们对坐标系进行假定，将所测的数据在假定的坐标系进行处理，坐标系按如下原则进行假定：以仪器中心在地面的投影为原点，在仪器望远镜所扫过的平面内建立直角坐标系，如下图： 利用断面收敛变形测量设备，测量出的是隧道横断面上每个测点的相对测量原点的x、y坐标，利用x、y坐标，可以画出隧道的横断面形状。但隧道在建成通车以后，由于四周土体荷载应力分布不均匀，会导致隧道

5、各横断面图一形状发生变化。然而在我的测量数据反映的都是目前隧道的横断面形状，需了解隧道的断面收敛究竟发生了多少变化，就需要有一个基准参照。我们选择以建设时的设计形状为参照基准，即圆形。　　由于设计施工为直径5.5m的标准圆，为测量相对变化量，在对测量的数据进行处理时，必须把测量的各相对测量基准点的x、y坐标换算成以横断面的中心为圆点的极坐标。所以在数据处理中的第一步是首先得到断面中心坐标，即找中心（圆心）。　　找中心（圆心）我们采用以下方法：　　首先假定断面为圆形，根据各测点坐标计算出圆的圆心坐标x、y，所谓的中心点坐标。由平面几何可以知

6、道在一个圆上，由任何两条弦可以确定出圆心的位置，对一个隧道断面，以3°为测量间隔从45°～325°，至少可以测量90组数据，根据这90组数据计算出许多个圆心点坐标，由于断面并非真圆，因此每两个弦长计算的断面圆心坐标不重合，为了找出该横断面最接近实际的圆心点坐标，我们对所有的圆心点坐标采用最小二乘法计算出该横断面的最终圆心。　　找出圆心后，测量的数据可以转化到以圆心为圆点的极坐标系中，对应的各测点的数据与设计施工时断面半径相比，即得到隧道建成以后到目前为止的变化量。然后将变形量成图，成图方法为，以实测数据计算的横断面中心为圆心，以逆时针方向

7、的方位角度数为横坐标，以相对各角度的径向变化量为纵坐标绘制出断面收敛变化曲线。 五、   试验　　为了验证断面收敛变形测量系统的精度和可靠性，我们在地铁M8线淮海路车站北风井底部进行旋喷加固，旋喷桩底部与地铁一号线隧道顶部最小距离仅50cm。旋喷区域与隧道位置关系见下图7：图7　　在对坑底进行旋喷加固时，我们将TCRA1101全站仪架设在加固对应的隧道部位按照施工各工况进行断面收敛变形测量，所测的数值见下表（单位：mm）工况表L1－钻杆下放L2－钻杆下放L3－钻杆下放、喷浆L4－钻杆下放、喷浆L5－最底部停留、喷浆L6－钻杆提升、喷浆L7

8、－钻杆提升、喷浆L8－钻杆提升L9－钻杆提升　　M8线淮海路北风井旋喷施工隧道断面收敛变形测量数据表数据省略对数据做曲线图如下图8：图8　　从曲线图与施工记录对照还可看出，在旋喷桩机钻杆向下压