超長(zhǎng)大型隧洞開(kāi)挖控制測(cè)量方法的實(shí)踐運(yùn)用與理論探討

李 兵

(四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 前 言

錦屏二級(jí)水電站利用雅礱江下游河段150km長(zhǎng)大河灣的天然落差，通過(guò)4條平行的引水隧洞(單條洞長(zhǎng)度約16.67km)，截彎取直，獲得水頭約310m，隧洞最大埋深2 525m，開(kāi)挖直徑12.4～13m，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，被公認(rèn)為是世界上開(kāi)發(fā)難度最大的工程之一。

對(duì)1號(hào)和4號(hào)引水隧洞的開(kāi)挖采用直徑12.4m的大型TBM獨(dú)頭掘進(jìn);對(duì)2號(hào)和4號(hào)引水隧洞的開(kāi)挖采用分層鉆爆法開(kāi)挖。隧洞開(kāi)挖具有施工型式的多樣性及施工工藝的復(fù)雜性的特點(diǎn)，這在全國(guó)乃至世界所罕見(jiàn)。

施工實(shí)踐證明:1～4號(hào)引水隧洞內(nèi)施工環(huán)境惡劣，煙霧粉塵濃度高排出困難、能見(jiàn)度低且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，地下涌水量大而豐富，單點(diǎn)涌水量高達(dá)3m3/s，巖爆發(fā)生量級(jí)高而且頻繁，都印證了錦屏二級(jí)水電站的開(kāi)發(fā)難度。

對(duì)工程測(cè)量來(lái)說(shuō)，在如此罕見(jiàn)惡劣的自然環(huán)境及施工條件下，如何保證開(kāi)挖控制測(cè)量的順利進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)引水隧洞開(kāi)挖按照合同要求的貫通誤差值順利貫通，如何設(shè)計(jì)和實(shí)施控制測(cè)量方案，是工程施工的難點(diǎn)。

2 控制測(cè)量網(wǎng)型設(shè)計(jì)與選用

面對(duì)錦屏二級(jí)水電站的超長(zhǎng)大型引水隧洞開(kāi)挖貫通的控制測(cè)量難題，引水隧洞開(kāi)挖控制測(cè)量網(wǎng)的初期設(shè)計(jì)，由施工單位按照閉合導(dǎo)線形式在東引2號(hào)施工支洞及1～4號(hào)引水隧洞內(nèi)分段閉合推進(jìn)的方式設(shè)計(jì)，導(dǎo)線的平面和高程測(cè)設(shè)等級(jí)為Ⅱ等。

業(yè)主對(duì)指導(dǎo)引水隧洞開(kāi)挖的控制測(cè)量方案非常重視，并于2008年7月下旬召開(kāi)了測(cè)量專家咨詢會(huì)，形成錦屏二級(jí)水電站《引水隧洞施工測(cè)量控制網(wǎng)設(shè)計(jì)方案及技術(shù)綱要》。即，洞外布置B級(jí)GPS平面控制網(wǎng)和一等水準(zhǔn)網(wǎng)，洞內(nèi)在東引2號(hào)施工支洞(見(jiàn)圖1)布設(shè)二等精密導(dǎo)線，1號(hào)、3號(hào)TBM施工引水隧洞內(nèi)布置雙導(dǎo)線，同時(shí)在引水隧洞每掘進(jìn)3～5km加測(cè)陀螺方位等技術(shù)方案(TBM前進(jìn)方向由東端向西端掘進(jìn))。并建議在東端施工支洞Ⅱ等導(dǎo)線的短邊處，構(gòu)成大地四邊形，以增強(qiáng)導(dǎo)線的圖形強(qiáng)度。

初期測(cè)量控制網(wǎng)方案及技術(shù)綱要對(duì)洞外和洞內(nèi)的控制測(cè)量網(wǎng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)該說(shuō)在理論上是可行的，在方法上是科學(xué)的，在手段上是先進(jìn)的。但是，在實(shí)施過(guò)程中，遇到了洞內(nèi)相當(dāng)惡劣的自然環(huán)境和施工環(huán)境，地下涌水量大、巖爆等突發(fā)因素多而且量大，煙霧粉塵濃度高、能見(jiàn)度低且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等施工干擾，直接造成洞內(nèi)初期控制測(cè)量方案的實(shí)施困難重重，主要體現(xiàn)在下述5個(gè)方面:

(1)導(dǎo)線視線通視不暢，有效可視距離短(50～200m)，測(cè)量控制點(diǎn)選位難且易破壞。

(2)經(jīng)常無(wú)法測(cè)出測(cè)距，測(cè)量資源耗費(fèi)大、收效小，測(cè)量時(shí)間難以持續(xù)保證。

(3)測(cè)量周期長(zhǎng)效率不高，測(cè)量報(bào)告不能按施工進(jìn)度及時(shí)跟進(jìn)提交。

圖1 錦屏二級(jí)水電站引水隧洞樞紐平面示意

(4)負(fù)責(zé)開(kāi)挖的施工單位多，各單位測(cè)量人員技術(shù)水平高低不齊以及沒(méi)有足夠的精密控制測(cè)量網(wǎng)的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，測(cè)量閉合差很難符合要求。

(5)平差計(jì)算結(jié)果難達(dá)Ⅱ等設(shè)計(jì)精度的要求。

為了更好地解決實(shí)際控制測(cè)量中遇到的困難和問(wèn)題，提高測(cè)量效率，保證控制測(cè)量及時(shí)指導(dǎo)開(kāi)挖的順利進(jìn)行，確保開(kāi)挖的測(cè)量放樣質(zhì)量，二灘國(guó)際監(jiān)理測(cè)量人提出了采用Ⅱ等精密導(dǎo)線按支導(dǎo)線形式布置，并采用不同間隔時(shí)段對(duì)同一線路進(jìn)行200℅的測(cè)量結(jié)果延伸推進(jìn)控制測(cè)量導(dǎo)線的洞內(nèi)控制測(cè)量方案。為了便于敘述簡(jiǎn)稱為“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”。實(shí)踐證明，這個(gè)方法與上述初期洞內(nèi)控制測(cè)量方案比較，相對(duì)較靈活、適用、具有較強(qiáng)的可操作性，總結(jié)起來(lái)有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)可減少埋設(shè)測(cè)量控制墩標(biāo)的個(gè)數(shù)40% ～50℅，達(dá)到節(jié)省測(cè)量資源、減少土建成本及測(cè)量工作量、提高測(cè)量效率、有利于控制測(cè)量及時(shí)跟進(jìn)開(kāi)挖進(jìn)度的目的。

(2)有利于觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)不足的測(cè)量人員操作，提高測(cè)量的成功率，及時(shí)提交測(cè)量報(bào)告，及時(shí)跟進(jìn)施工放樣的進(jìn)度需要從而保證開(kāi)挖質(zhì)量。

(3)由于支導(dǎo)線不同于雙導(dǎo)線或其它網(wǎng)型導(dǎo)線，只考慮單點(diǎn)通視，因此在狹小的引水隧洞內(nèi)測(cè)量控制點(diǎn)的選位相對(duì)較靈活，有利于規(guī)避洞內(nèi)的施工干擾，在不影響施工的情況下仍能正常開(kāi)展測(cè)量工作。

(4)出現(xiàn)測(cè)量問(wèn)題時(shí)，通過(guò)兩次間隔時(shí)段測(cè)量結(jié)果的對(duì)比易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，返工過(guò)程簡(jiǎn)單，并且分析問(wèn)題的元素單調(diào)具有針對(duì)性。

(5)由于采用不同間隔時(shí)段對(duì)同一線路進(jìn)行200℅的測(cè)量，因此容易發(fā)現(xiàn)測(cè)量控制點(diǎn)的收斂和位移，及時(shí)排除不可靠的測(cè)量點(diǎn)或測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行動(dòng)態(tài)復(fù)測(cè)糾正。

(6)支導(dǎo)線是控制測(cè)量中最基本的形式，計(jì)算簡(jiǎn)單。

3 “間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”的實(shí)踐運(yùn)用與理論探討

錦屏二級(jí)水電站引水隧洞開(kāi)挖的控制測(cè)量對(duì)“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”實(shí)踐與理論的主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面:

3.1 貫通誤差

錦屏二級(jí)水電站引水隧洞開(kāi)挖合同對(duì)貫通限差的要求見(jiàn)表1。

表1 合同要求的貫通測(cè)量限差

3.2 貫通誤差分配

錦屏二級(jí)水電站引水隧洞開(kāi)挖“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”的貫通誤差分配原則，由二灘國(guó)際監(jiān)理測(cè)量人依據(jù)施工合同制定，見(jiàn)表2。

表2 貫通中誤差分配原則

3.3 測(cè)量控制點(diǎn)的形式

“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”對(duì)測(cè)量控制點(diǎn)的形式要求，采用強(qiáng)制對(duì)中板地面混凝土墩標(biāo)和側(cè)墻混凝土墩標(biāo)兩種形式埋設(shè)。實(shí)踐證明:采用強(qiáng)制對(duì)中板混凝土墩標(biāo)，既能有效保證測(cè)量?jī)x器和棱鏡的對(duì)中精度，又能提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，是開(kāi)挖順利貫通的控制測(cè)量較好的保證措施之一，對(duì)超長(zhǎng)大型的隧洞開(kāi)挖尤其重要。

3.4 貫通誤差估算

錦屏二級(jí)水電站“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”貫通誤差的估算，采用一端開(kāi)挖/獨(dú)頭掘進(jìn)的方式按支導(dǎo)線至貫通面，并初步確定滿足合同要求的貫通誤差值對(duì)導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)度的要求。

貫通誤差估算是隧洞開(kāi)挖貫通前控制測(cè)量方案設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要的技術(shù)保證措施，既可以預(yù)估算“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”在現(xiàn)有條件下能否達(dá)到和滿足合同要求的引水隧洞開(kāi)挖的貫通精度，又可以逆向驗(yàn)證所選用測(cè)量技術(shù)指標(biāo)的合理性。

貫通誤差估算的具體算法和公式屬隧洞開(kāi)挖測(cè)量的規(guī)范性技術(shù)見(jiàn)DL/T5173—2003《水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范》第112頁(yè)的貫通誤差估算事例。

3.5 確定“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”的間隔時(shí)間

對(duì)同一導(dǎo)線線路進(jìn)行間隔時(shí)段200℅獨(dú)立測(cè)量時(shí)，兩次測(cè)量間隔時(shí)間的確定主要根據(jù)施工進(jìn)度、洞內(nèi)環(huán)境、施工干擾、提交測(cè)量報(bào)告的時(shí)間等因素確定。在錦屏二級(jí)水電站的實(shí)踐中有1天、3天、7天甚至15天或1個(gè)月等時(shí)間間隔。

實(shí)踐證明，時(shí)間間隔的確定是保證控制測(cè)量成果可靠性的又一重要因素。時(shí)間間隔過(guò)短測(cè)量成果相對(duì)較易閉合，但不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)因沉陷、收斂、位移、施工擾動(dòng)等因素帶來(lái)的測(cè)量控制點(diǎn)的變化;而時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)雖然易于發(fā)現(xiàn)測(cè)量控制點(diǎn)的位置收斂和變化，但往往又會(huì)因?yàn)樯鲜鲆蛩氐挠绊懯沟脺y(cè)量成果不易閉合，增加測(cè)量時(shí)間，不利于導(dǎo)線的及時(shí)延伸跟進(jìn)施工進(jìn)度的需要。因此，根據(jù)實(shí)際施工情況選用適當(dāng)?shù)拈g隔時(shí)間進(jìn)行第二次測(cè)量是很有必要的。

3.6 測(cè)量技術(shù)指標(biāo)和要求

錦屏二級(jí)水電站引水隧洞開(kāi)挖“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”主要的測(cè)量技術(shù)指標(biāo)和要求，由二灘國(guó)際監(jiān)理測(cè)量人根據(jù)測(cè)量理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)參考測(cè)量規(guī)范制定，見(jiàn)表3～7。

表3 三角高程導(dǎo)線測(cè)量的技術(shù)要求

表4 水平角方向觀測(cè)法的技術(shù)要求

表5 水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求

3.7 外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的判定取用

“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”除了按照表3～7測(cè)量技術(shù)指標(biāo)和要求判定外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的合理性外，還依據(jù)對(duì)間隔時(shí)段兩次獨(dú)立觀測(cè)的同一線路的同一測(cè)量點(diǎn)的水平角、導(dǎo)線邊長(zhǎng)、坐標(biāo)和高程的對(duì)比結(jié)果，進(jìn)一步判定計(jì)算結(jié)果的可靠性并決定是否復(fù)測(cè)或取用。在錦屏二級(jí)水電站各引水隧洞的開(kāi)挖控制測(cè)量的實(shí)踐運(yùn)用中是按照以下標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的:

(1)間隔時(shí)段兩次獨(dú)立測(cè)得的同一測(cè)量點(diǎn)的水平角較差應(yīng)不大于±4s。

(2)間隔時(shí)段兩次獨(dú)立測(cè)得的同一導(dǎo)線邊的相對(duì)精度，視導(dǎo)線邊的長(zhǎng)短而定，應(yīng)達(dá)到1/5萬(wàn)～1/20萬(wàn)。

表6 全站儀測(cè)距作業(yè)技術(shù)要求

表7 測(cè)量控制內(nèi)業(yè)計(jì)算數(shù)字取位要求

(3)間隔時(shí)段兩次獨(dú)立測(cè)得的同一測(cè)量點(diǎn)的三角高程較差，應(yīng)不大于±12√L，mm;L為導(dǎo)線路線長(zhǎng)度，km。

(4)三角高程與水準(zhǔn)測(cè)量高程的較差，應(yīng)不大于±20√L，mm;L為導(dǎo)線路線長(zhǎng)度，km。

如果“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”測(cè)得的分段測(cè)量結(jié)果，不能滿足上述4條的要求，必須進(jìn)行技術(shù)分析找出客觀原因，并對(duì)單一測(cè)量元素進(jìn)行有針對(duì)性的復(fù)測(cè)，直至問(wèn)題的解決。

3.8 計(jì) 算

“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”的測(cè)量計(jì)算按支導(dǎo)線形式分別計(jì)算，主要步驟包括:

(1)斜距計(jì)算，考慮加常數(shù)和乘常數(shù)改正。

(2)邊長(zhǎng)投影計(jì)算，邊長(zhǎng)投影至測(cè)區(qū)平均高程面。

(3)三角高程計(jì)算，考慮球氣差對(duì)高差的影響。(4)平面坐標(biāo)計(jì)算。(5)水準(zhǔn)高程計(jì)算。由于支導(dǎo)線是測(cè)量專業(yè)最基本的形式，因此計(jì)算簡(jiǎn)單，既可以用專業(yè)程序計(jì)算，也可以采用計(jì)算器、Excel電子表格等計(jì)算。

3.9 確定計(jì)算結(jié)果

“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”測(cè)量計(jì)算的兩組導(dǎo)線獨(dú)立坐標(biāo)值的較差，不得大于導(dǎo)線端點(diǎn)橫向中誤差的2√2，mm;合格后取兩組坐標(biāo)的平均值為最終成果。高程成果的取用原則上以水準(zhǔn)高程為主，三角高程檢核;三角高程取間隔時(shí)段兩次測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值作為最終計(jì)算結(jié)果。

4 “間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”在錦屏實(shí)踐運(yùn)用的結(jié)論

錦屏二級(jí)水電站引水隧洞開(kāi)挖的控制測(cè)量，從2008年9月下旬開(kāi)始實(shí)踐運(yùn)用“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”，至2011年11月下旬1～4號(hào)引水隧洞開(kāi)挖全線貫通，取得了較好的貫通效果，實(shí)測(cè)貫通誤差數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 實(shí)測(cè)貫通誤差值 mm

由表8可見(jiàn)，實(shí)測(cè)的1～4號(hào)引水隧洞開(kāi)挖貫通誤差值，全部滿足錦屏二級(jí)水電站合同對(duì)引水隧洞開(kāi)挖貫通精度的要求(合同要求見(jiàn)表1)。因此，實(shí)踐運(yùn)用驗(yàn)證了“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”對(duì)超長(zhǎng)大型引水隧洞開(kāi)挖控制測(cè)量的適用性和可靠性。

盡管“間隔時(shí)段2倍控制測(cè)量方法”在錦屏二級(jí)水電站的超長(zhǎng)大型引水隧洞開(kāi)挖的控制測(cè)量中取得了成功，但畢竟是實(shí)踐運(yùn)用，其操作細(xì)則與技術(shù)理論仍然有待進(jìn)一步提高與完善。