全站仪在隧道变形监测中的应用研究.pdf

1、同济大学硕士学位论文全站仪在隧道变形监测中的应用研究姓名：晏成申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：夏才初20050301摘要摘要本文结合工程实践，对全站仪在隧道变形监测中的应用及其实施过程中存在的问题进行了分析研究工作，主要如下：根据隧道变形监测的要求，对全站仪在隧道洞室变形与外部变形自动监测中的实施方法与测量精度进行了分析研究；用统计检验的方法来判断基准点位的稳定性；对变形观测点的数据进行处理，测站点稳定条件下，采用系统差分方法；测站点不稳定时，采用空问直角最小二乘H e l m e r t 坐标转换进行处理；龙山隧道变形监测数据分析表明，采用仕0 5”、_+(1 m m+l p p

2、m)级全站仪进行隧道洞室三维变形监测能够达到1 m m 内的精度，外部变形自动监测变形点的三维坐标位移量中误差在l m m 内，满足了隧道变形监测的需要。关键词：隧道工程，全站仪，变形监测，自由设站，数据处理，精度分析A b s t r a c tA B S T R A C TT h i sa r t i c l ec o m b i n e se n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n dc a r r i e so nr e s e a r c hw o r ki n t oa p p l i c a t i o no ft o t a ls t a t

3、 i o nt od e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gf o rac o n s t r u c t e dt u n n e la n dp r o b l e m se x i s t i n gi nt h ec o u r s eo fi m p l e m e n t a t i o n，a sf o l l o w sm a i n l y：A c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gf o rac o n s t r u

4、 c t e dt u n n e l，i m p l e m e n t a t i o na n ds u r v e y a c c u r a c yo fT o t a ls t a t i o na p p l i e dt ot h r e e d i m e n s i o n a ld e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n tf o rac o n s t r u c t e dt u n n e la n da u t o m a t i cd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n go ft u

5、n n e ls u r f a c ea r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e d A n dt h em e t h o do fs t a t i s t i c a lt e s t i sa d o p t e dt ot e s tb e n c h m a r ks t a b i l i t y W h i l ed e a l i n gw i t ht h ed e f o r m a t i o ns u r v e y i n gd a t u mo fo b s e r v a t i o np o i n t，s y s

6、t e md i f f e r e n c em e t h o di sa d o p t e do nt h eb a s i so fs t a t i o ns t a b i l i t ya n du n d e rl a b i l i z a t i o n，s p a c er i g h ta n g l el e a s ts q u a r eH e l m e r tc o n v e r s i o no fc o o r d i n a t e sm e t h o di sa d o p t e dt op r o c e s sd a t u m F i n

7、 a l l ya n a l y s i si nd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gd a t u mo fL o n g s h a nt u n n e li n d i c a t e ss u r v e y i n gp r e c i s i o no f【0 5”、(1 m m+l p p m)】T o t a lS t a t i o na p p l i e dt ot h r e e d i m e n s i o n a ld e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n tf o rac o

8、 n s t r u c t e dt u n n e lc a nr e a c h l m ma n dm e a ne r r o ro ft h r e e-d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t ed i s p l a c e m e n to fT o t a lS t a t i o na p p l i e dt ot u n n e ls u r f a c ei si n 1 r a m，w h i c hm e e tc h a l l e n g eo ft u n n e ld e f o r m a t i o nm o n

9、i t o r i n g K e yW o r d s：t u n n e l l i n ge n g i n e e r i n g，T o t a lS t a t i o n，d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g，f r e e s t a t i o np o s i t i o n i n g，d a t ap r o c e s s i n g，p r e c i s i o na n a l y s i s学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的E 1

10、 1 届U 本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名1 雾装DQ 眸弓月如日经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。指导教师签名：学位论文作者签名：年月同年月E j同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本

11、学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名：澎玻o 齿年3 月二。日第一章前言第一章前言1 1 课题的来源和研究意义1 1 1 课题产生的社会背景二十世纪八十年代以来，随着我国改革开放不断深化，国民经济蓬勃发展，公路隧道的发展逐渐加快。我国是一个多山的国家，7 5 左右的国土是山地或重丘，高速公路建设由于技术上的需要，必须建设很多穿越崇山峻岭的山岭隧道，尤其是随着西部大开发战略的实施，在西部高原山区修建大量的高速公路，为缩短公路里程、改

12、善线形和交通运输条件及环境保护，以保障行车的安全性、舒适性和快捷性，修建公路隧道的数量日益增多，据不完全统计，到2 0 0 2 年底，我国已建成的隧道约1 0 0 0 公里，隧道长度占线路总里程的比例越来越高，如云南元磨高速公路有隧道2 2 座，隧道约占总里程的2 0 贵州崇遵高速公路共有隧道1 7 座，隧道约占总里程的1 8。在过去很长一段时间内，由于受当时经济发展水平的制约和隧道设计、施工技术上认识的局限性，隧道施工期变形监测未受到充分重视。近年来，随着我国公路隧道建设的迅速发展，隧道新奥法施工技术得到推广应用，在公路隧道建设中取得了较好的成绩，而监控量测是新奥法施工的核心【”，是监视围岩

13、稳定性，检验设计与施工是否正确合理及安全的重要手段。我国隧道建设发展速度很快，传统的监测技术越来越难以满足现代隧道快速、大跨、安全施工的要求。1 1 2 课题研究的意义隧道工程建设处理的对象是经历了漫长的地质年代而生成的地质体，其具有工程的隐蔽性、地质条件的复杂多变性和岩土体性质把握的不准确性，因此，常被称为“隐蔽工程”和“灰色系统”1 2 1。j 一般的：程测试相比，隧道工程中的现场量测具有特殊重要的作用。而对这一点并小是所有的人都认以到了，著第一章前言名岩石力学专家米勒(L M u l l e r)说，“在岩土工程，特别是在隧道工程中变形量测的重要性尚未被很多人所认识。有些人把很重要的监测

14、过程看成是仅仅为了满足科研奢望而使用一下的时髦。同这种观点相反，对岩土结构特别是对隧道的形态所进行的量测己被证明，其重要性犹如对钢结构和混凝土结构所进行的静力计算一样。”在隧道施工中，支护系统与围岩之间呈现着错综复杂的关系，并不总是能用“荷载一结构物”模型加以概括；特别是在采用与围岩紧密结合的锚喷支护、按新奥法原则修建隧道的情下况下，“荷载一结构物”模型显然不能正确地描述围岩和支护系统之间的相互关系。因此，隧道旋工过程中，尤其采用新奥法施工时，对围岩应力调整过程和围岩变形情况进行监测是必要的。许多隧道开挖的经验表明，在施工过程中所进行的现场量测是获得关于围岩稳定性和支护系统力学形态变化动态的信

15、息，确定隧道的开挖方法、合理的二次支护施作时间和进行信息化施工决策防止隧道坍塌的重要手段。以施作及时、同围岩结合紧密并具有一定柔性的锚杆一喷射混凝土支护的使用为技术背景所发展起来的“隧道工程新奥地利法”O N A T M)，以其具有较大的灵活性、适应于任意尺寸隧道断面以及较大范围的地质条件和多变的岩石参数等特点，在现代隧道施工中被普遍采用。“新奥法”的原则是：隧道施工过程中安全条件的获得和隧道使用过程中安全度和工程质量的保证，主要依靠围岩自身通过应力调整所建立的平衡。因此采用新奥法施工时，施工中对围岩应力调整过程和围岩变形情况监测，及时反馈围岩一支护复合体的力学动态及其变化是非常必要的。隧道周

16、边的位移是围岩与支护系统力学形态变化最直接最明显的反应，易于建立一些准则，来实现监控量测结果的反馈。在隧道工程中，位移监测作为掌握围岩动态的有效手段已引起工程界的广泛重视。目前已经广泛推广使用的隧道等地F 工程中的信息化技术【3】要求在施工中设置监测系统，以获得在隧道丌挖及设置支护过程中围岩稳定性及支护工作状态的信息，而位移量测【4】【5】【6 1 是施工期监测的主要内容。位移监测的重要性决定了及时地、高质量地数据采集是绝对必要的，f|j 另一方面，测量过程对施工的干扰又必须减少到最小，即测量工作必须快速进行。传统|E l 勺隧道变形峪测，一般采用钢尺式收敛计、挂钢尺抄平、水准测量等接触方式进行，该方法具有成本低、操作简单和适应恶劣施一环境的优点。这，第一章前言种接触方式监测的缺点是费用昂贵且现场安装难度大，通常只能5 0 l O O m 布置一个断面，并且监测速度慢，无法及时反映隧道全线的稳定情况；同时，接触方式一般无法进行三维观测，当要了解隧道三维变形时，上述传统方法显得无能为力。随着我国西部大开发战略的实施，西部山区将有越来越多的大跨度、多断面、围岩越来越复杂隧道的修建，传统的监