隧道监控量测中平板测微器结合钢卷尺进行测量的方法应用

刘世飞 钱小波 张东明 史华林 杜力立 邱 鹏

（1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，云南 昆明 650051；2.昆明冶金高等专科学校，云南 昆明 650051）

0 前言

隧道监控量测作为新奥法的三大核心之一，通过监控量测了解各施工阶段地层与支护结构的动态变化，把握施工过程中结构所处的安全状态，判断围岩的稳定性、支护、衬砌的可靠性；通过监控量测现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，并把监测结果反馈设计，指导施工，为修改施工方法，调整围岩级别、变更支护设计参数提供依据；通过监控量测对施工中可能出现的事故和险情进行预报，以便及时采取措施，防患于未然；通过监控量测，判断初期支护稳定性，确定二次衬砌合理的施作时间，对工程施工可能产生的环境影响进行全面的监控；通过监控量测了解该工程条件下所表现、反映出来的一些地下工程规律和特点，为今后类似工程或该施工方法本身的发展提供借鉴，依据和指导作用。

1 测微器基本工作原理

本文所采用的徕卡NA2精密水准仪，适用于三等以下水准测量，其读数的精确值为1毫米级，估读值为0.1mm；如果配对上测微器的话，就适用于三等以上水准测量，其读数的精确值为0.1mm级，估读值为0.01mm。其测微器的配对是仪器自身精度提高的一种有力的措施，其测微器的使用原理是将1cm的刻度通过光学折射进而扩大至100倍，细致到0.1mm的刻度，进而读取更精确的数值。首先，将自动安平水准仪和测微器进行组装，之后安置于三脚架上，并将机器安置在适当的位置准备测量。接下来，立好尺子，并将仪器对准尺子开始调焦至清晰，物镜清晰，目镜的十字丝要清晰。调节测微器反光镜的螺旋，直至十字丝的中丝对准厘米的刻度。调节的结果大多是对准的同一个厘米的刻度，这是因为测微器的光学折光将1cm只能扩大100倍，超不出1cm，所以调节的时候活动范围为1cm，读数加和的结果是唯一的，如果理论值正好是整公分数值的时候，会出现可以对准两个刻度，但是结果仍然是相同的，这时，调节测微器的目镜至清晰，读出数值，并估读数值。将水准仪的读数如4.23m，和测微器读出的0.235cm（读出的是23.5，除以一百之后得到0.235cm），加起来结果是4.23235m，达到的最小精确是0.01mm。通过光学折射扩大尺寸间距就是测微器所产生的效果。

2 拱顶下沉监测方法

本文拱顶下沉施测方法是以隧道台阶法施工为例，隧道每个监测断面分别在拱顶及轴线左右各2.5m设3个带挂钩的锚桩，锚桩埋设深度30cm，钻孔直径Φ42，埋设拱顶下沉监测点（如图1、2所示）。

图1 监测断面布置图

图2 监测点埋设图

隧道拱顶下沉量测采用自动安平莱卡NA2精密水准仪，FS1平板测微器，变形专用铟钢尺（工作基点正立），钢卷尺（倒挂）进行水准测量，测量方法如图3所示。

图3 隧道拱顶监测方法示意图

依上述测微器读数方法，在隧道内我们采取的是如图3所示的测量方法，用水准仪读取后视铟钢尺左右读数（如图4所示）并计算校核后再用水准仪的十字丝与钢卷尺（如图5所示）的整厘米位置对齐，通过测微器读数窗口读取测微读数，钢卷尺读数加上微读数就是测量值。图4中铟钢尺后视Df（本图中铟钢尺的尺常数K为450）的量测数据计算公式为:

中数=左尺读数-（右尺读数+K）/2

图5中钢卷尺前视Db的量测读数为401，测微器的读数为424，完整测量数值为-401424（测量中一般对倒立的尺子读数前加负号表示）。

表1

此时对于测微器的读数方法我们很好掌握，但在测微器使用说明书中对倒挂尺子的测微读数没有说明，以至在实际测量工作中大多数测量人员在倒挂钢卷尺时依然采用钢卷尺读数加上测微读数的计算方法。计算公式为:

高差（h）=后视Df(铟钢尺+微读数)-前视Db(挂钢尺一微读数)

图4 铟钢尺读数示意图

图5 钢卷尺读数示意图

3 测微器读数计算分析

3.1 倒挂钢卷尺测微器读数的正确计算方法

在隧道监测中关于测微器的使用问题，多数争议主要出现在倒挂钢卷尺时测微读数的计算方法上。采用同种测量仪器对倒挂钢卷尺测微读数进行计算有两种可能处理方式:

然而对于监测测量的唯一结果性，显然与事实是相矛盾的，本人就上述两种处理方式在实践中分别采取同一测站变换仪器高度对如图3隧道的拱顶A点下沉在短时间内进行多次测量，采取两种不同的计算方法分别计算，具体测量成果如表所示（单位为mm）。

表2

在隧道监测中使用测微器可以提高测量精度，使其测量精度达到0.1mm，从上述测量数据和结果对比分析可以直观的发现，按方法①的计算方式，其第3次测量高差值与第2次测量高差值的差值为14.02 mm，而按方法②的计算方式，最大高差值差值为0.05mm，从测量数值的对比分析可以看出如果按方法①的计算方式明显不能满足隧道监测的精度要求，而从表中的数值分析和大量现实中实践的数值分析对比，按方法②的计算处理方式是正确可行的。

3.2 倒挂钢卷尺测微器读数计算方法理论分析证明

上面通过实践证明了其计算方法的正确性，下面通过理论的分析方法给予证明。我们通过水准放样的方式两把相同且互为相反的毫米刻度钢卷尺固定在同一个水准平面上的固定支架上，总长度为2m，在一个固定的钢筋混凝土支架上安设水准仪并配上测微器进行测量，具体测量方式如图6所示。

图6 正立/倒立尺测量示意图

首先调整仪器观测正立刻度尺，通过测微器调节水准仪使其十字丝中丝对准刻度尺的整厘米处，如图5所示，从图可知正立刻度尺整数读数为120cm，假设此时测微器的读数为X，然后我们转动仪器，把水准仪对准倒立的刻度尺，因为两个刻度尺立在同一水平面上，所以此时倒立刻度尺的整数读数为80cm，设其测微器读数为Y，设正立刻度尺总读数为A，倒立刻度尺总读数为B，其计算如公式③、公式④所示:

由上图可知A+B=200，则通过公式③，公式④相加为A+B=200+X+Y 得Y=-X

此时倒立的刻度尺B=80-X，由现场实际观测值记录为A=120452，B=080452，（X=452，Y=452）， 由上述理论推导则 A=120452，B=079548，由此也A+B=200。此时充分证明了倒立塔尺的实际值应该是整数读数减去测微器读数，所以计算公式②从理论上是成立的。

4 结论

通过实践和理论分析证明可以得出测微器的正确读数方法以及注意的事项:

1）当在测量中前视和后视都采用的是正立的形式，则均用读取尺子的整读数加上测微器的读数，其高差遵循后视减前视的计算方法即得两点的高差。

2）当在测量中前视和后视采用的是一个正立，一个倒立的形式，则正立采用上面第a条的处理方式，倒立的尺子采用读取的整读数减去测微器的读数，再在计算数值前加上负号，其高差遵循后视减前视的计算方法即得两点的高差。

3）当在测量中前视和后视采用的是均倒立的形式，则倒立的尺子采用读取的整读数减去测微器的读数，都在其计算数值前加上负号，其高差遵循后视减前视的计算方法即得两点的高差。

d.当在测量中测微器通过手轮旋转后，水准仪的分划板水平横丝与尺子相邻上下整厘米都比较接近重合时，通常应该重新调整仪器高度，整平，可有效减小其测量误差。

4）在同一测站的测量过程中，依据规范其铟钢尺的读数误差为≤0.3mm。通过实践如其中有倒挂钢卷尺的形式，则该测站通过变换仪器高度的方式进行两次测量，计算其两次测量的高差，如超过0.2mm时，则测量值作废，重新测量；如果两次测量高差值小于0.2mm时，则采取两次测量结果的平均值为此次测量的最终数据。该方法可以消除人为读数错误，同时可减小测量误差。

［1］GB 50307-1999地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范[S].

［2］GB 50308-1999地下铁道、轻轨交通工程测量规范[S].

［3］GB 50026-2007工程测量规范[S].

［4］JG J8-2007建筑变形测量规范[S].

［5］JTG F60-2009公路隧道施工技术规范[S].

［6］张凤举,邢永昌.矿区控制测量(上册)[M].北京:煤炭工业出版社,1991.

［7］罗小龙.倒尺水准测量原理[J].地矿测绘,2005,21(4):12.