工程變形監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用的探究
2015-05-29
引言
測(cè)量是一切工作的開始，為此在進(jìn)行隧道工程施工變形測(cè)量之前，首先要建立變形檢測(cè)的控制網(wǎng)，該控制網(wǎng)主要包括高程控制網(wǎng)和平面控制網(wǎng)，隧道工程施工變形控制網(wǎng)具有精度高、獨(dú)立性強(qiáng)的特點(diǎn)。它的組成網(wǎng)主要有：第一，變形點(diǎn)又叫觀測(cè)點(diǎn)，多分布設(shè)于建筑物上；第二，基準(zhǔn)點(diǎn)通常埋在變形的范圍之外，盡可能的保證其位置的長(zhǎng)期穩(wěn)定；第三，工作點(diǎn)是觀測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間的聯(lián)系點(diǎn)，工作點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)構(gòu)成變形網(wǎng)，和基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成首級(jí)網(wǎng)。變形網(wǎng)的主要特點(diǎn)有：首先，變形網(wǎng)不需要計(jì)算數(shù)據(jù)，且布設(shè)自由；其次，變形網(wǎng)的長(zhǎng)度較短，但是其精度高；再次，圖形復(fù)雜，多余觀測(cè)多；最后，穩(wěn)定性要求高。
1.隧道施工變形監(jiān)測(cè)概述
隧道施工具有很多不同于地面施工的特點(diǎn)，由于施工多是在巖石條件下進(jìn)行，因此具體的施工操作往往受到巖層結(jié)構(gòu)以及巖土情況的影響。此外在進(jìn)行施工時(shí)，機(jī)械振動(dòng)或者開挖爆破也會(huì)造成巖石的變化，從而對(duì)施工帶來影響。為了使工程安全順利的完成，必須對(duì)隧道的變化信息進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控與上報(bào)，以便做出針對(duì)性的方案，保證工程質(zhì)量。
2.隧道工程施工監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)的特點(diǎn)
隧道工程施工變形監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括地下項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)和地面項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)，因此與之相對(duì)應(yīng)的隧道工程施工變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)就分為地下和地面兩部分。然而由于地下空間的有限，所以地下平面監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)多為導(dǎo)線形式，因此為自由網(wǎng)，即起算的數(shù)據(jù)可自由設(shè)定，無需從地面?zhèn)鬟f坐標(biāo)。
2.1自由設(shè)站的站點(diǎn)位置
在自由設(shè)站體系中，由于每次站點(diǎn)的方位并不是完全相同的，因此測(cè)點(diǎn)的精度受到觀測(cè)元素和測(cè)站兩方面的影響。
2.2地下導(dǎo)線點(diǎn)位設(shè)計(jì)
站點(diǎn)的精度的確定與設(shè)站位置的設(shè)定有著至關(guān)重要的聯(lián)系，但是站點(diǎn)位置是對(duì)洞內(nèi)控制點(diǎn)的位置而講的。在有限的地下空間的條件下，為了確保站點(diǎn)能夠始終處于高精度的位置上，防止站點(diǎn)在不利位置，我們要以合理的方式對(duì)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線的控制點(diǎn)進(jìn)行布置。如果把導(dǎo)線沿洞底板兩側(cè)交錯(cuò)布點(diǎn)，即折線法，則能夠起到不錯(cuò)的效果。這樣保證能夠?qū)φ谱用娴那逦^測(cè)的同時(shí)，又可以保證控制點(diǎn)的穩(wěn)定。
對(duì)于沿洞壁側(cè)的布點(diǎn)，不僅要考慮點(diǎn)的穩(wěn)定性，還要考慮對(duì)掌子面觀測(cè)的方便性，對(duì)于粉塵少、水汽少在地下、或者觀測(cè)條件好的地點(diǎn)則可以采用此類布點(diǎn)方法。其最大的優(yōu)點(diǎn)是便于施工設(shè)施的統(tǒng)一分配，可以預(yù)留空間。但是，該布點(diǎn)方法要求控制點(diǎn)盡可能的靠近掌子面，進(jìn)而使得站點(diǎn)在有利的位置，這不利于點(diǎn)的保護(hù)和穩(wěn)定。所以在選用這種方法時(shí)，要對(duì)工作的環(huán)境進(jìn)行充分的考慮、權(quán)衡。
3.監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的原則
監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的原則主要有以下五點(diǎn)：
第一，應(yīng)根據(jù)工程的性質(zhì)、地質(zhì)的條件、設(shè)計(jì)的要求、施工的工藝以及監(jiān)測(cè)的費(fèi)用等綜合考慮來確定點(diǎn)的類型和數(shù)量。
第二，表面變形點(diǎn)的位置要有利于對(duì)測(cè)點(diǎn)的保護(hù)、還要反映監(jiān)測(cè)的對(duì)象外在特征以及方便儀器觀測(cè)。
第三，深埋的監(jiān)測(cè)點(diǎn)不能破壞結(jié)構(gòu)的正常受力，也不能削弱結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度。
第四，設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在最不利位置上。
第五，在進(jìn)行多項(xiàng)目測(cè)試時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置要在空間和時(shí)間上有機(jī)的統(tǒng)一，力求便找出內(nèi)在的聯(lián)系和變化。
4.隧道工程施工變形監(jiān)測(cè)技術(shù)
根據(jù)隧道特征和巖石的性質(zhì)應(yīng)該選用不用的技術(shù)或方法對(duì)施工中的變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)以及理論成果和技術(shù)成果為隧道變形監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)、設(shè)備和理念，目前在工程中主要應(yīng)用的監(jiān)測(cè)技術(shù)有以下幾種。
4.1隧道收斂監(jiān)測(cè)技術(shù)
隧道收斂監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是適合于大斷面隧道施工的監(jiān)測(cè)，缺點(diǎn)也較為明顯，就是進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)需要大型設(shè)備的支持，并且技術(shù)較為復(fù)雜。根據(jù)測(cè)量使用的原理可以將收斂監(jiān)測(cè)技術(shù)分為相對(duì)位移觀察監(jiān)測(cè)法和絕對(duì)三維位移觀察監(jiān)測(cè)法。
相對(duì)位移監(jiān)測(cè)法的具體操作流程如下：首先將監(jiān)測(cè)錨桿安裝到監(jiān)控?cái)嗝嫔希⑶冶ＷC錨桿的端部較為平整并且能夠產(chǎn)生反光效應(yīng)；以此基點(diǎn)為準(zhǔn)，選取30m遠(yuǎn)的位置安裝全站儀；運(yùn)用坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)測(cè)出基點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過將數(shù)據(jù)與全站儀內(nèi)存中的坐標(biāo)系相結(jié)合可以精確地計(jì)算出相對(duì)位置。
絕對(duì)三維位移監(jiān)測(cè)法內(nèi)容為：將測(cè)量?jī)x器安裝到坐標(biāo)系明確的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這樣能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化情況進(jìn)行準(zhǔn)確全面的測(cè)量。這種測(cè)量方式具有設(shè)備簡(jiǎn)便，易于操作的優(yōu)點(diǎn)。
4.2隧道位移變形監(jiān)測(cè)
受到巖石性質(zhì)以及施工的影響，在隧道施工過程中可能會(huì)出現(xiàn)地表下沉位移或者隧道周邊位移現(xiàn)象，對(duì)兩種位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法如下。
對(duì)地表下沉位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)的具體實(shí)施內(nèi)容：首先要設(shè)置監(jiān)控位置，一般將監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取在隧道洞口，安裝儀器用于測(cè)量地表下陷的程度；設(shè)置三個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)，對(duì)這三個(gè)基點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析計(jì)算出下陷量。
在監(jiān)測(cè)隧道周邊位移時(shí)，通常在隧道的兩壁上設(shè)置測(cè)量點(diǎn)位和水準(zhǔn)點(diǎn)，以便監(jiān)測(cè)隧道周邊整體斷面的變形情況。
4.3拱頂下沉監(jiān)測(cè)
可以分別使用三角高程測(cè)量技術(shù)和水準(zhǔn)精密度測(cè)量技術(shù)。三角高程測(cè)量技術(shù)需要在隧道的縱斷面上安裝錨桿，通過錨桿頂端產(chǎn)生的反射效應(yīng)，綜合利用水準(zhǔn)尺、反光片以及棱鏡的反射對(duì)軸心距離進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)量方式的測(cè)量原理與相對(duì)位移監(jiān)測(cè)法相同，只是在操作過程中較為繁瑣。在進(jìn)行隧道施工時(shí)，水準(zhǔn)作業(yè)通常會(huì)受到拱頂?shù)挠绊?，運(yùn)用水準(zhǔn)精密度測(cè)量方法可以得到基準(zhǔn)點(diǎn)與點(diǎn)位的高程，進(jìn)而為水準(zhǔn)作業(yè)奠定基礎(chǔ)。在運(yùn)用水準(zhǔn)精密度測(cè)量時(shí)要注意將所有基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在隧道的基巖上，在拱頂位置也要安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，并且采用倒掛的方式將鋼尺固定在點(diǎn)位上，在進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量時(shí)，使用水準(zhǔn)儀讀取基準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及鋼尺的度數(shù)，經(jīng)過計(jì)算得出高程。
4.4震動(dòng)爆破監(jiān)測(cè)
隧道開挖過程中，對(duì)開挖面進(jìn)行爆破必然會(huì)影響到巖層的穩(wěn)定性，甚至?xí)斐商鹿实陌l(fā)生，進(jìn)而對(duì)施工進(jìn)度和施工人員的安全產(chǎn)生不利影響。為了消除或者減低爆破造成的影響，需要對(duì)隧道進(jìn)行支護(hù)處理。對(duì)震動(dòng)爆破進(jìn)行監(jiān)測(cè)可將監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇在支護(hù)設(shè)施周圍，通過對(duì)震動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量和分析，判斷出爆破所造成的影響，并對(duì)后期的變形情況做出預(yù)測(cè)，從而選擇有效的支護(hù)形式和施工措施。
5.隧道施工變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理
對(duì)隧道的變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)是初步階段，還需要運(yùn)用一定的方式對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而為接下來的施工設(shè)計(jì)提供依據(jù)。還可以通過對(duì)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)分析案例進(jìn)行總結(jié)，從而在整體上提升隧道施工技術(shù)水平。
目前對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的主要程序?yàn)椋菏紫冗M(jìn)行回歸分析，將變形監(jiān)測(cè)的相關(guān)理論引入到數(shù)據(jù)的分析上并作為指導(dǎo)，對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)得出的變量值進(jìn)行計(jì)算，從而確定最終的位移距離，在對(duì)位移距離掌握的情況下可以很好地推理出變形程度；然后是將數(shù)據(jù)運(yùn)用表格的形式進(jìn)行匯總備案，以便總結(jié)和以后的參考；通過對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息分析結(jié)果進(jìn)行判斷，由專業(yè)的技術(shù)人員做出評(píng)價(jià)和說明，并最終形成監(jiān)測(cè)報(bào)告。
6.質(zhì)量安全控制措施
6.1質(zhì)量控制措施
第一，制訂詳細(xì)的施工方案。
第二，測(cè)量人員必須持證工作，做到人、證一一對(duì)應(yīng)。同時(shí)測(cè)量的過程需要進(jìn)行詳細(xì)的記錄，不得任意更改。
第三，嚴(yán)格執(zhí)行“三檢”標(biāo)準(zhǔn)。
第四，特殊工種的操作人員更要持證上崗，對(duì)特定技術(shù)的人員可以現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考核。
第五，根據(jù)有關(guān)規(guī)范嚴(yán)格控制工序細(xì)節(jié)質(zhì)量。
6.2安全控制措施
第一，安全技術(shù)操作規(guī)程應(yīng)該在施工過程中嚴(yán)格貫徹，對(duì)于違章作業(yè)應(yīng)該嚴(yán)格制止。
第二，對(duì)于進(jìn)場(chǎng)作業(yè)的安全培訓(xùn)與教育工作要做好，在作業(yè)中，及時(shí)的開展安全技術(shù)會(huì)議。
第三，保證用電設(shè)備安全可靠。
第四，進(jìn)場(chǎng)作業(yè)應(yīng)該配備安全防護(hù)措施。
7.位移測(cè)量方法
應(yīng)力、應(yīng)變和位移是監(jiān)控量測(cè)的三個(gè)主要內(nèi)容，埋設(shè)電子元件，采用專用的儀表可以測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變，應(yīng)力和應(yīng)變是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力的反映，隸屬于測(cè)試學(xué)，在巖土、地質(zhì)學(xué)科應(yīng)用較廣。洞周收斂、拱頂下沉和地表沉降是位移測(cè)量方法的主要內(nèi)容，作為檢測(cè)的重點(diǎn)，直觀迅速的反映了圍巖形變，對(duì)位移測(cè)量的要求是快捷、高效、準(zhǔn)確。但是對(duì)于這種高精度的要求，當(dāng)前的測(cè)量方法是不易滿足的。目前精度較高的測(cè)量方法為全站儀位移測(cè)量方法。
全站儀的誕生到現(xiàn)在也有幾十年，換代速度是2一3年。每次換型，都提高了測(cè)量的精度和可靠性，降低了人為的誤差，實(shí)現(xiàn)了測(cè)繪工作的自動(dòng)化、數(shù)字化和內(nèi)外業(yè)一體化。當(dāng)前0.5"，1 .5"，4"，10”是測(cè)量角度的精度。0.8 mm + 1ppm ， 3 mm+2ppm， 5mm+3ppm是測(cè)距的精度，側(cè)程從1000米到幾千米不等。這就滿足了測(cè)繪工作的需要。
隨著科技的進(jìn)步，為新測(cè)量方法的開展提供了條件，Leica，SOHIA等為測(cè)量變形的主要儀器，該儀器具有高穩(wěn)定性、高精度的優(yōu)點(diǎn)，配合全站儀的反射片，可稱為具有回復(fù)反射性能的反射膜片，丙烯酸脂是反射膜片的主要材質(zhì)，背部為不干膠，厚約0. 28 mm，銀灰色
在實(shí)際中，這些儀器的精度往往較標(biāo)稱精度高，采取有效的措施即可保證全站儀測(cè)量位移的實(shí)施。事實(shí)表明，自由設(shè)站測(cè)量模式下，一個(gè)測(cè)繪得到的位移測(cè)量精度普遍較低，但是如果采用雙擺站觀測(cè)模式，提高測(cè)繪次數(shù)，或者選擇高精度全站儀，計(jì)算方法采用嚴(yán)密平差，則可提高全站儀自由設(shè)站方法位移量測(cè)精度，即達(dá)到0. 5一1 mm，對(duì)于隧道的檢測(cè)要求即可滿足了。
8.觀測(cè)的周期和頻率
觀測(cè)的周期和頻率與工程的進(jìn)展情況有關(guān)。在支護(hù)或洞室開挖15天內(nèi)，一天之內(nèi)應(yīng)保證觀察1到2次；當(dāng)掌子面到觀測(cè)斷面的距離不小于洞徑的2倍或支護(hù)或洞室開挖15天至30天時(shí)，每隔一天觀察1次；30天到90天時(shí)，一星期觀察1次；90天之后則是每月觀察2、3次。如果有特殊要求，則按要求進(jìn)行。如果出現(xiàn)發(fā)事件，則應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)。洞周收斂位移的監(jiān)測(cè)周期依據(jù)位移速度確定，因?yàn)椴煌幕€以及測(cè)點(diǎn)位移速度不同，所以要以最大位移者來確定監(jiān)測(cè)是周期。
9.建議和展望
隧道工程施工變形的監(jiān)測(cè)，涉及到方方面面，有測(cè)量、巖土、地質(zhì)、計(jì)算機(jī)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、光電技術(shù)以及通信技術(shù)等諸多領(lǐng)域，是一項(xiàng)十分龐大而又復(fù)雜的工程項(xiàng)目。論文通過對(duì)隧道工程施工過程中的位移測(cè)量法和其有關(guān)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述，著重分析了施工控制網(wǎng)布設(shè)的相關(guān)問題。今后對(duì)隧道工程施工變形監(jiān)測(cè)和控制應(yīng)從如下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：一是集合多種技術(shù)的隧道工程施工變形自動(dòng)化系統(tǒng)；二是隧道工程不同類型的監(jiān)測(cè)資料合作處理的理論。
10.結(jié)束語
總而言之，作為當(dāng)今覆蓋面較全、應(yīng)用范圍較廣的建筑結(jié)構(gòu)形式，控制網(wǎng)具有較強(qiáng)的承載能力，可以用于跨度大的地方。然而在實(shí)際操作中，這個(gè)度很難掌握，一不小心就有可能引發(fā)施工質(zhì)量。因此，要想對(duì)隧道工程變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及更好的控制，必須要在錨栓的安裝、網(wǎng)架桿件的制作等方面嚴(yán)格按照要求，領(lǐng)會(huì)施工中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，如此才能保證施工的質(zhì)量，發(fā)揮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)隧道工程變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)及控制。
