地铁隧道施工拱顶下沉值监测方法分析
2015-05-29
对于隧道施工而言，如何有效的“防塌”是整个地铁隧道施工的技术难点所在，而其中在现场监测中有一项最重要的内容就是对拱顶下沉值进行监测，并通过有效的控制，保证施工作业和以后交付使用的安全性。大量的实验研究和实践经验表明，地铁隧道拱顶的下沉过程及其下沉值将直接影响着隧道的支护设计和地层控制，本文就监测基准点的建立，及几种拱顶下沉值监测方法进行简单的分析。
一、监测基准点及其建立
根据实践经验，我们可以将监测基准点的建立相关问题归结为以下几个方面：
1、从距离的角度上看，监测基准点的位置与开挖隧道的直线距离应该控制在500～1000m之间，监测基准点应由3个水准点构成，而且3者之间的距离不能太远。3个水准点在设置上有主辅之分，其中1个水准点设置为主点，另外的2个水准点设置为辅点，这一做法的目的在于借助于水准点的设置保证并检核基准系统的稳定性与可靠性。
2、从稳定性角度上看，3个水准点必须设置在地质结构稳定的地方，而且都应该设置特制而成的钢筋混凝土墩式的标志，3者连成闭合的水准路线，3者之间的高差应借助高精度水准仪（不低于）往返进行测量，并严格控制。
3、实践表明，工作基点的选择与监测点的分布有关，通常情况下布置于观测断面的附近，在实践中，应定期保证工作基点与隧道外的水准基准点进行联测作业。
4、变形监测点应结合工程的实际，在隧道的拱顶均匀地布置，通常不同的施工实际，其布置方法也有所差异：
（1）如果是小断面隧道，其设布置方法是：一旦施工的工作面进行开挖之后，初期支护立刻实施，同时在拱顶锚杆的外端每隔一定距离焊接特制的不锈钢球对变形点进行标志，通过对不锈钢球下沉的监测来反映拱顶的下沉，从实践的经验来看，在钢球的设置上，其底部应比二次衬砌混凝土的外表面略微高一些，为了便于监测结果的记录和统计，钢球还需要编号。
（2）如果是拱顶较高的隧道，这一实际情况导致了立水准尺或放置棱镜使用受到了严重的局限性，为此，在实际施工过程中，必须事先借助于锚杆将监测点打入岩体，在锚杆的端部焊接一个小钢板，并将反光片贴在上面，保证全站仪测距的方便性；除了焊接一个小钢板以外，锚杆的端部还需要设计吊钩，方面钢尺的悬挂和水准仪作业。
二、拱顶下沉值监测方法分析
1、精密水准测量方法
该工艺属于传统监测方法，非常适合于对小断面隧道拱顶下沉的监测过程，具体的监测过程有如下几个环节：
（1）应在工作面开挖完毕及不锈钢球完成焊接之后，立刻从基准系统的主点开始按照二等水准的测量精度，借助不低于的水准仪将钢球的底标高测量出来。
（2）初期支护的变形基本稳定，二次衬砌混凝土施工即将实施前，从主点开始按照二等水准测量的精度重复上面的操作，将此时的钢球底标高测量出来。
（3）根据两次测量结果计算每个钢球的下沉量：。
（4）一旦变形点（若干点）的高程测量完毕之后，应及时对基准点的3个水准点间的高差进行测量，严格控制主、辅点的稳定性，及时将不稳定的基准点监测出来，并有针对性地对观测结果进行科学的修正。
2、三角高程测量方法
该工艺也是常见的测量拱顶下沉值的方法，具体实施中，前视使用的是是反光片，后视使用的是水准尺或是棱镜。从原理上看，该方法是借助于全站仪按照三角高程的测高原理将前视、后视与全站仪轴心的高差测量出来，并根据测量结果将测点的绝对高程和相对高程算出来。其使用条件相当广泛，只要竖直角小300，只要测站位于反光片反射距离范围之内，均可以采用该方法实施拱顶下沉值的测量。
具体测量原理如图1所示：在测量过程中仪器高和监测点的高都不需要丈量，图中P为全站仪仪器中心位置，A点为已知高程的工作基点，B是监测点。借助全站仪直接读取全站仪中心到棱镜中心的高差和，再结合后视棱镜的高V，则：
下沉量的计算方法和公式与精密水准测量方法一样。
3、自动化全站仪动态监测系统
该种测量方法是在没有操作人员的干预下，实现自动观测、记录、处理、存储、报表编制、预警预报等功能，它由一系列的软件和硬件构成，整个系统配置包括：TCA自动化全站仪、棱镜、通讯电缆及供电电缆、计算机与专用软件等等。
该系统的实质是把无反射棱镜自动跟踪断面仪隧道拱顶下沉变形系统中对固定断面任意点的扫描变成任意断面固定点的扫描。该系统按施工方要求的格式将监测点的位移变化转化为标准图表的形式直观地表达出来，绘制出监测报表和位移曲线，自动实现数据分析、报警以及报表生成的功能，可以根据用户的要求提供报表的形式。
三、结语
大量工程实践表明，不同的测量方法，有着不同的优缺点，如采用传统水准测量的方法，能够达到±0.5～lmm的精度，但受到立水准尺或者悬挂钢尺的条件限制，因此不合适用来测量边墙的点和在特大断面作业；采用测距三角高程方法的相对精度也能够达到±1mm，实践证明在特大断面隧道拱顶下沉监测中其优越性更加显著，不过，该方法受到光线的严重制约，如果粉尘过大，反光片甚至不能反光；自动化全站仪动态监测系统是非常的方便，可以做到连续监测，不过如果要布置大量的断面的话，成本相当高，所以在实际监测中应结合工程实际，多方面进行考虑，科学地选择。
