试论免棱镜量测在软岩大断面隧道中应用 基坑土方量计算例题

　　摘 要： 重点论述贵广铁路客运专线大断面炭质页岩隧道施工，免棱镜三维量测法及对支护参数调整的作用。 　　关键词：软岩隧道 ； 围岩量测 　　 　　天平山隧道地质条件复杂，Ⅳ、Ⅴ级围岩比重大，有可能产生大变形、坍塌等地质灾害，为Ⅰ级风险隧道。围岩以Ⅳ、Ⅴ级为主，主要为碳质页岩、碳质板岩、砂岩、石英岩互层，较破碎，稳定性差，开挖后局部掉块现场严重，支护后变形严重，开挖断面比较大，变形控制及变形量测难度大，安全风险极高，施工进度缓慢，施工难度较大。我们应用了全站仪测量技术，摈弃了传统落后方法，大大提高了测量的精度和速度，此法有自动精确照准、锁定跟踪、联机控制、免棱镜测距等特点，同时为提升安全质量度提供了保证。
　　一、天平山隧道量测创新的意义
　　贵广铁路是国家重点工程，其客运专线天平山隧道是控制性工程的重中之重，此隧道一次开挖断面大，围岩软弱，变形较大，如何有效的控制变形，将是隧道安全施工的关键，控制变形需要及时调整施工支护参数，调整支护参数需要围岩变形的速率、趋势和大小，如何能及时准确地量测拱顶沉降、侧墙收敛就变的尤为重要，量测拱顶沉降常规采用水准仪配合塔尺或钢尺，收敛量测采用收敛计，这样的量测一次需要的时间长，且对施工干扰比较大，在量测过程中车辆难以通行，需要高空作业，安全风险高，同时对洞内环境要求也高，且精度不高，很难保证按照量测规范的间隔时间进行量测，这样的量测手段很难适合天平山隧道炭质页岩地段变形速率较大，变形时间较长的状况，所量测的数据不能准确反映围岩和初期支护客观的变形规律，为了能准确及时地对开挖和支护后围岩变形进行量测，迅速调整支护参数，确保施工安全，在实际量测中采用了免棱镜激光全站仪进行变形数据采集，采用变形量测分析软件进行快速数据处理，对支护参数及时动态调整，达到安全和减小投资的目的。
　　二、无棱镜反射型全站仪隧道净空测量技术原理的应用
　　贵广隧道无棱镜反射型全站仪隧道净空测量技术的基本原理是：操作者把全站仪置镜在所要测量断面的线路中线或隧道中线等特殊点上，也可以置镜在所要测量断面的任意一点上，后视完成后，打开激光，照准所测断面上的量测点的激光标靶十字心，需要注意的是所测断面的测点距置镜点的距离不得超过无棱镜反射型全站仪的有效测程，按照预设的量测顺序，测出量测断面上的量测点的相对坐标或在施工坐标系中的坐标，仪器自动记录所测数据，回到办公室后，把全站仪与计算机联机，利用徕卡测量办公室软件（Leica Survey-Office）把仪器内存的断面净空数据下载到计算机里面，再转到Excel中去进行简单的数据处理后，复制到记事本生成脚本文件，再通过AutoCAD运行脚本文件自动生成量测断面的量测点实测图，最后将断面量测图套到上次量测的量测图上，就可以清楚地比较了，不仅实现了数据的分析对比，而且生成了围岩变形动态图，将围岩变形形象话，更利于指导施工。无棱镜反射型全站仪隧道净空测量系统组成：硬件设施有无棱镜反射型全站仪、高精度激光标靶、脚架、棱镜架、计算机、打印机；软件设施有独立坐标系和施工坐标系、Leica Survey-Office、Excel、记事本、AutoCAD。其中无棱镜反射型全站仪与脚架和棱镜架主要用来采集记录断面上量测点的数据；计算机和打印机用来下载数据、处理数据、绘图、打印；独立坐标系和施工坐标系是用来确定断面量测点相对置镜点相对位置或相对断面处的轨面线与线路中线或隧道中线的交点的相对位置；Leica Survey-Office是用来下载外业采集的断面数据；Excel是用作绘断面图的简单的数据处理；记事本是用来建立AutoCAD的脚本文件；AutoCAD是用来绘断面量测点图和与前次断面量测点图进行比较。
　　三、无棱镜反射型全站仪隧道净空测量的工艺流程
　　我们理论联系实践，开展了创造性的应用和推广。其工艺流程是：1、量测仪器准备。徕卡TCRA1101全站仪一台；反射膜片（贴片），选用Lecai尺寸为4×4cm贴片若干片；机载Deformation软件及围岩收敛分析后处理软件。2、贴片安装。根据规范和有关要求及围岩条件、开挖方法等，确定围岩净空位移量测断面的位置及间距，以及每个断面的基线布置形式。贴片安装过程：对于完整性较好的岩石，可直接在其表面用贴胶贴上贴片，但安设贴片前必须清洗欲置贴片位置的岩面，粘贴必须牢固，能满足量测周期要求；对于不稳定岩石可用锚杆焊接角钢在角钢上粘贴贴片，或用膨胀螺栓锚固钢板以粘贴贴片。贴片表面法线方向最好垂直隧道轴向，以使仪器接收到最强的反射信号。
　　3、外业数据采集。因为量测内容主要是各量测点间相对距离，全站仪可以自由安置（对中整平就可以，不需要建站及大地坐标输入），但为了消除贴片倾斜对测距的影响，每次量测时测站位置应大致相同，同时为了加强反射片对仪器激光反射效果和量测准确性，应把仪器设置在量测断面前后5m内较为合适。先选择适当的位置安置仪器，精确整平后，打开仪器电源，按仪器Prog键进入Deformation量测程序，按围岩量测参数规范要求对仪器各项参数进行调整。
　　完成仪器设置工作后，首先对各目标点进行仪器确认，照准时可用仪器激光导向功能，激光点指向贴片正中十字标靶点，防止每次测量照准不同而产生围岩变化误导信息。按DIST键，仪器对于该点位置信息（角度、平距、X、Y、H等）电子记录存入仪器内存（或PC卡），并输入点号（如编号为1、2、3、4、5等）。按次序对其余各点进行目标识别，仪器内置独特的ATR（Automatic Target Recognition）自动目标识别功能，可自动识别目标、自动瞄准目标、自动跟踪目标，进行自动测量，利用程序实现人工智能数据采集。
　　4、内业数据处理。用数据连接线把仪器与计算机相连（外业数据存储在仪器内存内）或将仪器内的PCMCIA卡插入计算机PC卡插槽（外业数据存储在PC内），将各次量测原始数据在观测后导入计算机，同时在程序内填入在断面的形状、开挖方法、覆盖厚度、地质描述、围岩类别、隧道支护设计等资料。计算机围岩收敛分析软件将对量测数据进行自动分析处理，输出围岩位移成果，测线的位移趋势图及回归分析图、各测点在不同时间段的位移值等，以及自动对成果进行分析，判断围岩的稳定性（显示“该测线稳定至少×天。” ），为支护提供参数。
　　5、风险预警等级确定。根据围岩的软硬程度和开挖断面的大小，选取合适的隧道初期支护极限相对位移值，按照位移控制基准和实际量测结果计算出变形允许值，距离掌子面一倍洞宽地段允许值为65%U0，距离掌子面两倍洞宽地段允许值为90%U0，距离开挖面较远地段允许值为100% U0，在衬砌前方任何地方，当U