1、2023 年 2 月第 1 期城市勘测Urban Geotechnical Investigation SurveyingFeb2023No1引文格式:查小君，胡雷鸣 圆形隧道收敛测量方法探讨 J 城市勘测，2023(1):168171+177文章编号:16728262(2023)0116805中图分类号:P258文献标识码:B圆形隧道收敛测量方法探讨查小君1*，胡雷鸣2*收稿日期:20220418作者简介:查小君(1985)，男，工程师，主要从事轨道交通测量、监测等技术工作。Email:278475545 qqcom。(1.金华市轨道交通集团有限公司，浙江 金华321017;2.上海勘察设计
2、研究院(集团)有限公司，上海200032)摘要:探讨了圆形隧道水平收敛测量方法，分析了手持激光测距仪、全站仪、三维激光扫描仪等不同仪器进行收敛测量的精度，对比了几种测量方法的优缺点。不同的实测数据显示，上述三种仪器均具有良好的可靠性，可适用于不同的应用场景。关键词:圆形隧道;水平收敛测量;三维激光扫描;手持测距仪;精度分析1引言圆形隧道尤其是采用预制管片拼装的地铁、公路隧道，在运营后容易受到不良地质、周边施工的影响，发生不均匀的沉降、收敛变形。当隧道变形较大时可能发生进一步的结构裂缝、渗漏水等病害，影响其正常使用13。因此，目前国内运营隧道通常需要进行长期的变形观测，并在隧道有邻近施工时开展必
3、要的保护监测，以了解其安全状况，为隧道的维保提供参考依据。隧道收敛测量是一个重要的监测项目，通常可使用收敛尺、手持测距仪、全站仪等直接测量隧道近水平直径处或是特定方位处的弦长。随着技术的进步，三维激光扫描仪也逐渐应用于隧道收敛测量，而收敛尺由于布设测点较为麻烦、后期维护不方便的因素逐渐被淘汰。圆形隧道不同方向上的收敛变形不尽相同，通常情况下水平直径的收敛变形最大，观测也最为方便。因此，本文主要探讨圆形隧道的水平收敛测量方法，对比分析采用手持测距仪、全站仪、三维激光扫描仪等三种设备的测量精度与可靠性。结果表明，三种测量设备均具有较高的精度与可靠性，可分别适用于不同的使用需求。2基于全站仪的收敛测
4、量精度分析全站仪具有高精度的测角、测距功能，已广泛应用于隧道的测量、监测等工作中4，5。通常情况下，可在隧道内布置水平收敛测线，通过在测线两端安装小棱镜、反射片或是直接使用无合作目标红外测距的方式测量测线的长度。考虑到隧道较为复杂的施工作业环境，小棱镜或反射片易遭受到破坏，同时钻孔埋设小棱镜也会对隧道结构造成一定的破坏，因此，本文主要探讨基于全站仪无合作目标红外测距的收敛测量方式。2.1全站仪的收敛测量理论精度分析使用全站仪进行隧道水平收敛测量，一般将仪器置于待测隧道底部的中央位置，测量收敛测线两端点A、B(如图 1)的长度 sAB。图 1基于全站仪的水平收敛测量示意图如图 1 所示，采用无合
5、作目标红外测距的测量方式计算水平直径 sAB可表示为:sAB=s21+s222s1s2cos(1)其中，s1、s2分别为实测的斜距，为夹角。根据误差传播定律，水平直径的中误差 msAB可表示为:msAB=1sAB(s1s2cos)2m2s1+(s2s1cos)2m2s2+(s1s2sin)2m2/2(2)第 1 期查小君，胡雷鸣.圆形隧道收敛测量方法探讨其中，ms1、ms2分别为测距中误差，m为夹角中误差。以地铁隧道为例，一般内径为 55 m，管片宽度12 m，当全站仪架设在对应测线平面附近时，仪器高度约 12 m，夹角 约为 120，s1、s2数值约为 31 m。使用目前常用的徕卡 TM50
6、 全站仪(无合作目标距离测量精度为 2 mm+2 ppm，方向测量精度为 0.5，夹角测量精度 0.7)，计算得到的水平直径中误差 ms16 mm。同时，由式(2)也可以看出，全站仪的测距中误差(加常数)对收敛测量成果影响较大。为提高实测精度，可提前对仪器加常数进行标定，可采取设置基线校对场的方式，定期对全站仪测距加常数进行校准并修正5。另一方面，应尽量减小夹角，以减小测距中误差的影响。2.2全站仪的收敛测量实测精度分析为测试全站仪进行水平收敛测量的精度情况，并模拟隧道内的真实场景，在地铁车站的两根结构柱上设置收敛测线，测线长度约 527 m，与一般地铁隧道55 m内径较为接近。设置测线时，先
7、在左侧结构柱约15 m高度的 A 点做“L”型标志，用手持测距仪靠在标志转角处，对准另一侧获取光斑位置，做好相应 B 点标志，作为 AB 收敛测线，如图 2 所示。图 2收敛测线示意图全站仪选取目前地铁测量较为常用的徕卡 TM30、TM50 全站仪合计共 5 台，测量时将全站仪架设在测线AB 的中部位置，分别采用正倒镜测量的方式，得到测线 AB 的长度如表 1 所示。表 1全站仪实测数据统计表(单位/m)序号12345仪器型号TM30TM30TM50TM50TM50第 1 测回5270 15268 85270 25269 85270 5第 2 测回5269 65268 55270 05269
8、55270 6第 3 测回5269 55269 05269 95269 75270 6第 4 测回5269 65268 75270 15269 35270 8最大值最小值0000 60000 50000 30000 50000 3平均值5269 75268 85270 15269 65270 6从表 1 数据可以看出，短距离收敛测线的重复测量精度较高，同一台仪器多次重复测量相互较差均小于 1 mm;而不同仪器之间由于存在测距加常数的影响，会出现一定的系统性较差。为测试全站仪在隧道内的实测精度情况，选取某地铁盾构隧道管片(内径 55 m，管片宽度 12 m)，采用放置水平尺的方式在一侧管片上确定
9、好水平中心位置，再采用前述手持测距仪的方式通过照准光斑确定好另一侧的水平中心，作为水平收敛测线。同时，考虑到隧道内附着物的影响，正水平方向的直径可能被遮挡，因此，分别在水平收敛测线往上及往下偏离各10 cm、20 cm、30 cm处设置其他 6 条收敛测线，以比较收敛测线不水平时的精度情况。采用徕卡 TM50 全站仪，实测不同收敛测线处的直径长度，如表 2 所示。表 2全站仪隧道内实测数据统计表(单位/m)序号1234567测线位置中心向上 30 cm中心向上 20 cm中心向上 10 cm水平直径处中心向下 10 cm中心向下 20 cm中心向下 30 cm第 1 测回5499 25499
10、25499 35501 85499 55498 55498 7第 2 测回5499 35498 85499 15501 75499 85498 45498 1第 3 测回5498 95498 45499 35501 05499 45499 05498 0第 4 测回5498 35499 55499 85501 45500 55497 55498 3最大值最小值0001 00001 10000 70000 80001 10001 50000 7平均值5498 95499 05499 45501 55499 85498 45498 3从表 2 可以看出，受隧道管片自身的拼装误差、水平收敛变形等因素
11、的影响，不同直径位置处的长度存在一定差异，水平直径位置的长度相对最大，其他部位的直径一般会略小。为测试全站仪架设在不同位置对收敛测量精度的影响，选择某地铁盾构隧道 1 553环管片(内径 55 m，管片宽度 12 m)作为测试对象，将全站仪分别架设在该环中部位置以及相距 12 m12 m不等处的管片中部，实测收敛测线长度如表 3 所示。961城市勘测2023 年 2 月表 3不同架设位置对水平直径测量的影响(单位/m)与收敛测线的纵向距离实测测线长度TM50 全站仪 1TM50 全站仪 205489 65488 8125489 25488 8245489 05488 4365487 45488
12、 2485487 25487 9605487 15486 51205486 15486 7从表 3 可以看出，由于隧道管壁反光率的影响，采用不同的测量角度得到的直径数据存在一定的偏差。对比将全站仪架设在收敛测线处的测量成果，当全站仪距离测线 10 环(12 m)时实测的测线长度较差已达到 3 mm左右。因此，宜将全站仪架设在收敛测线同一断面内，以减少隧道环境对测量精度的影响。3基于手持测距仪的收敛测量精度分析为测试不同手持测距仪的实测精度情况，选择与前述表 1 中同样的测试场地，并分别将测距仪置于收敛测线的两个端点，实测测线长度与全站仪测量成果5269 7 m进行对比，如表 4 所示。表 4测
13、距仪与全站仪水平直径测量成果对比(单位/m)仪器型号标称精度仪器摆放位置第 1 次读数第 2 次读数第 3 次读数第 4 次读数平均读数与全站仪成果较差博世 GLM8015 mm左5268 85269 15268 75268 7右5269 25268 85268 95269 05268 90000 8博世 GLM700015 mm左5270 05270 05270 05271 0右5270 05270 05270 05269 05270 00000 3徕卡 D11015 mm左5269 05269 05269 05269 0右5269 05269 05269 05269 05269 00000
14、 7博世 GLM8015 mm左5269 35268 55269 25268 9右5269 05268 45268 65268 75268 80000 9徕卡 X31015 mm左5269 55269 25268 75269 4右5269 55269 55269 55269 45269 30000 4徕卡 D11015 mm左5267 75267 85268 15267 9右5268 45267 85267 45268 45267 90001 8徕卡 D11015 mm左5269 15269 55269 45269 2右5269 05269 45269 25269 05269 20000 5徕
15、卡 D11015 mm左5269 35269 65269 05268 7右5269 35269 35269 05268 75269 10000 6大有 LM6015 mm左5269 05269 05269 05269 0右5269 05269 05269 05269 05269 00000 7博世 GLN2515 mm左5267 05267 05267 05267 0右5267 05267 05267 05267 0526700002 7从表 4 可以看出，手持测距仪具有较高的重复测量精度，对比全站仪观测成果，其较差普遍在 1 mm以内，最大较差约 18 mm。考虑到手持测距仪与全站仪自身的观
16、测误差，说明两者的较差在误差允许范围内。为进一步测试手持测距仪的可靠性，选取某市政盾构隧道，其隧道管片内径达 119 m，壁厚 055 m，环宽 2 m。在其中一环管片上设置 5 条收敛测线(水平直径位置因遮挡无法观测)，对比市面上常见的 4 台测距仪与莱卡 TM50 全站仪的观测成果，如表 5 所示。由表 5 可以看出，对于大直径隧道，采用手持测距仪进行收敛观测仍可以取得较高的精度，相比全站仪而言，观测成本大幅降低，且测量速度大幅提升。同时，测试过程中发现，不同测距仪由于尺寸大小的不一致，当架设在同一个端点位置时，其激光指向位置存在一定偏差;此外，测距仪由于重量较轻、尺寸较小，点击测量按键时容易发生一定的晃动，影响照准精度。因此，采用手持测距仪观测时，建议采取必要的措施确保仪器测量时的稳固，建议可采用蓝牙传输控制，避免直接点击仪器上的按键。表 5在内径 119 m 隧道内的收敛测量成果对比(单位/m)测量位置博世GLM80博世GM7000南方PD865徕卡D110徕卡TM50中心向上60 cm11911 511912 011911 011911 011911 8中心向上30 cm11
