觀音閣水庫(kù)引水工程施工控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)

王麗英，賈曉堂

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧阜新123000;2.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽110006)

觀音閣水庫(kù)引水工程施工控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)

王麗英1，賈曉堂2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧阜新123000;2.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽110006)

結(jié)合觀音閣水庫(kù)引水工程，探討特長(zhǎng)隧洞施工控制網(wǎng)測(cè)量的設(shè)計(jì)，主要研究GPS在特長(zhǎng)隧洞測(cè)量方面的應(yīng)用。隧洞貫通的相關(guān)技術(shù)限差，國(guó)家有關(guān)測(cè)量規(guī)范僅規(guī)定到8 km之內(nèi)。參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)案例和技術(shù)規(guī)則，進(jìn)行理論上的精度估算，研究確定采用C級(jí)GPS全面網(wǎng)作為首級(jí)平面控制網(wǎng)，為以后的特長(zhǎng)隧洞施工控制網(wǎng)測(cè)量提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。

特長(zhǎng)隧洞;GPS;貫通

一、引 言

觀音閣水庫(kù)引水工程是遼寧省“十五”重點(diǎn)工程項(xiàng)目，是自遼寧省本溪縣的觀音閣水庫(kù)庫(kù)區(qū)自流引水，經(jīng)過約7 km的輸水管線，29.7 km的輸水隧洞，再經(jīng)過7.8 km的輸水管線，將水引到本溪市的一項(xiàng)大型引水工程，工程主要用于解決本溪市用水問題和本溪新城發(fā)展需水問題。工程屬大型隧洞引水工程，其主體是長(zhǎng)達(dá)29.7 km的輸水隧洞，實(shí)現(xiàn)貫通是施工第一重要目標(biāo)，而隧洞開挖掘進(jìn)完全是靠測(cè)量指向。由于隧洞線路長(zhǎng)、埋深大，建立施工控制網(wǎng)指導(dǎo)隧洞掘進(jìn)的測(cè)量工作非常困難。隧洞采用掘進(jìn)機(jī)與鉆爆法聯(lián)合施工，單機(jī)掘進(jìn)長(zhǎng)度約10 km，施工支洞11個(gè)，貫通面眾多，對(duì)測(cè)量工作要求非常高。如控制網(wǎng)精度指標(biāo)達(dá)不到要求或相鄰控制點(diǎn)之間的相對(duì)精度偏低，都有可能導(dǎo)致隧洞不能貫通，經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)上億元。

根據(jù)現(xiàn)有的資料統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)外迄今已建成長(zhǎng)度大于10 km的隧洞有40余個(gè)，其中最長(zhǎng)的隧洞是遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程引水主隧洞，全長(zhǎng)85.3 km。在國(guó)內(nèi)已竣工的還有長(zhǎng)18.4 km的秦嶺隧道工程，以及山西萬家寨引黃工程南干線長(zhǎng)42.6 km的7#隧洞，國(guó)外有全長(zhǎng)49.2 km的英吉利海峽隧道工程等。盡管觀音閣水庫(kù)引水工程隧洞長(zhǎng)度為29.7 km，但其洞線經(jīng)由之處樹高林密，隧洞洞口均位于狹長(zhǎng)的山谷地帶，相對(duì)于大伙房水庫(kù)輸水工程引水主隧洞，觀音閣水庫(kù)引水工程隧洞洞線經(jīng)過地段的地形地勢(shì)條件要比大伙房水庫(kù)輸水工程引水主隧洞的地形地勢(shì)條件差得多，這給施工控制網(wǎng)的建立帶來了相當(dāng)大的難度。

該課題根據(jù)工程建筑總體布局和各支洞的地形情況，從精度可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理，便于隧洞施工放樣的角度出發(fā)，施工控制網(wǎng)平面控制布設(shè)GPS全面網(wǎng)。全面網(wǎng)是將管線段、隧洞進(jìn)、出口控制點(diǎn)及各支洞控制點(diǎn)納入一個(gè)整體網(wǎng)中，統(tǒng)一平差。這樣整個(gè)網(wǎng)精度比較均勻，將有利于隧洞的正確貫通。依據(jù)隧洞貫通的相關(guān)技術(shù)限差，國(guó)家有關(guān)測(cè)量規(guī)范僅規(guī)定到8 km之內(nèi)，課題組參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)案例和技術(shù)規(guī)程，進(jìn)行理論上的精度估算，研究確定采用C級(jí)GPS全面網(wǎng)作為首級(jí)平面控制網(wǎng)。同時(shí)，根據(jù)工程的需要，研究建立施工坐標(biāo)系，使投影變形相對(duì)誤差小于1/40 000，保證了隧洞貫通。本課題對(duì)GPS在特長(zhǎng)隧洞測(cè)量方面的應(yīng)用有一定創(chuàng)新，采用周密的技術(shù)方案進(jìn)行解算，為以后的特長(zhǎng)隧洞施工控制網(wǎng)測(cè)量提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。

二、施工控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)

1.平面控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

(1)平面控制網(wǎng)布網(wǎng)方案

平面控制網(wǎng)布網(wǎng)方案是在平面控制網(wǎng)滿足管線段正確施工和隧洞段正確貫通的前提下進(jìn)行的。結(jié)合國(guó)內(nèi)外已建成并貫通的同類工程的經(jīng)驗(yàn)，有以下幾種方案可供選擇。

1)方案1:從觀音閣水庫(kù)左岸取水口至隧洞出口沿供水線路布設(shè)二等導(dǎo)線。這種方案不僅管線段需要澆筑普通鋼筋混凝土標(biāo)石，隧洞段主線還需建造觀測(cè)墩，再加上隧洞進(jìn)、出口及支洞共需建造觀測(cè)墩140個(gè)左右;隧洞洞線經(jīng)過之處樹高林密、灌木叢生，布設(shè)導(dǎo)線必須清障以確保通視，砍樹賠償是一筆不小的經(jīng)濟(jì)支出;隧洞主線離公路較遠(yuǎn)，交通極其不便，且隧洞主線從進(jìn)口至出口崇山峻嶺，地勢(shì)險(xiǎn)峻、荊棘遍布，無論選點(diǎn)、造標(biāo)、觀測(cè)都極其困難，勞動(dòng)強(qiáng)度增大，工期必然延長(zhǎng);該隧洞為特長(zhǎng)隧洞，導(dǎo)線測(cè)量其橫向誤差會(huì)迅速累積，對(duì)于隧洞貫通極為不利。由此可見，對(duì)于本工程，方案1并不可行，而且這種最原始的方法在同類工程中將被新技術(shù)所取代，逐步退出歷史舞臺(tái)。

2)方案2:較之常規(guī)測(cè)量方法，GPS不受通視和天氣狀況的影響，勞動(dòng)強(qiáng)度低，數(shù)據(jù)精度高，可大大縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高工程測(cè)量的工作效率，為工程測(cè)量創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，考慮將管線段、隧洞的進(jìn)、出口及各個(gè)支洞的控制點(diǎn)連接在一起布設(shè)成GPS全面網(wǎng)。管線段需要澆筑普通鋼筋混凝土標(biāo)石10個(gè)左右，隧洞段需建造觀測(cè)墩45個(gè)左右，布設(shè)的GPS網(wǎng)點(diǎn)均在隧洞的進(jìn)、出口及各個(gè)支洞附近，交通較為方便，利于GPS的作業(yè)調(diào)度，提高了作業(yè)效率，縮短了工期，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。本方案只要求隧洞的進(jìn)、出口及各個(gè)支洞口的GPS點(diǎn)相互通視，便于今后的施工，而不要求各洞口之間的通視，比較容易做到，故同方案1比較可節(jié)省大量的經(jīng)費(fèi)。

3)方案3:由于部分支洞口地形非常狹窄，布設(shè)3個(gè)GPS點(diǎn)困難，所以首先在這部分支洞口布設(shè)兩個(gè)GPS點(diǎn)，與管線段GPS點(diǎn)構(gòu)成GPS全面網(wǎng)，在GPS全面網(wǎng)的基礎(chǔ)上再布設(shè)局部常規(guī)網(wǎng)。此方案需要澆筑普通鋼筋混凝土標(biāo)石10個(gè)左右，隧洞段需建造觀測(cè)墩35個(gè)左右，在數(shù)量上與方案2比較少一些，但常規(guī)網(wǎng)是在GPS全面網(wǎng)基礎(chǔ)上的二次發(fā)展，不但精度降低，且各支洞精度不均勻，不利于隧洞的正確貫通。

綜上所述，通過技術(shù)與經(jīng)濟(jì)等多方面的比較，顯然方案2為觀音閣水庫(kù)引水工程施工控制網(wǎng)的首選方案。

(2)貫通誤差的確定及分配

觀音閣水庫(kù)引水工程隧洞最大開挖長(zhǎng)度(含支洞在內(nèi))為10 km，已超出《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(DL/T 5173—2003)中相向開挖最大長(zhǎng)度8 km的限制，因此必須對(duì)該特長(zhǎng)隧洞的貫通誤差進(jìn)行研究。

隧洞貫通誤差包括橫向、縱向和豎向3個(gè)方向的誤差。一般而言，縱向誤差限差要求較易達(dá)到，豎向誤差影響隧洞的坡度，應(yīng)用精密水準(zhǔn)測(cè)量的方法，也容易達(dá)到所需要求。實(shí)際上，最關(guān)鍵的是解決橫向貫通誤差問題。

根據(jù)水工設(shè)計(jì)的要求，參照《既有鐵路測(cè)量技術(shù)規(guī)則》(TBJ 105—1988)有關(guān)隧洞(1～20 km)的貫通極限誤差限差(如表1所示)，按照等影響的原則可算得洞外、洞內(nèi)控制測(cè)量的誤差，對(duì)于貫通面上橫向和豎向貫通中誤差所產(chǎn)生的影響值如表2所示。

表1 貫通誤差的限差

表2 貫通面上橫向和豎向貫通中誤差所產(chǎn)生的影響值

(3)GPS測(cè)量誤差對(duì)橫向貫通誤差影響的估計(jì)

用GPS測(cè)量技術(shù)建立隧洞施工控制網(wǎng)，估算施工控制網(wǎng)測(cè)量誤差對(duì)隧洞橫向貫通誤差的影響值，尚無規(guī)范可遵循，課題擬用以下兩種方法對(duì)其進(jìn)行貫通誤差估計(jì):

1)參照國(guó)際“歐洲隧道公司”橫穿英吉利海峽的“歐洲隧道”的分析方法，用控制網(wǎng)的平均相對(duì)誤差估計(jì)貫通誤差的影響值。

若按C級(jí)GPS網(wǎng)最弱邊相對(duì)中誤差1/150 000的精度指標(biāo)，對(duì)于10 km長(zhǎng)的隧洞，GPS測(cè)量對(duì)貫通誤差的影響值中誤差為 10 km×1/150 000= ±67 mm＜150 mm。

1/150 000是最弱邊相對(duì)中誤差，實(shí)測(cè)中控制網(wǎng)的平均相對(duì)精度必然高于1/150 000，因而地面GPS網(wǎng)對(duì)貫通誤差影響值中誤差要低于±67 mm。

由此可知，用GPS測(cè)量技術(shù)來建立觀音閣水庫(kù)引水工程施工控制網(wǎng)是可行和可靠的，精度完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求規(guī)定的指標(biāo)。

2)用近似方法對(duì)橫向貫通誤差進(jìn)行估算式中，S為隧洞開挖長(zhǎng)度;mβ為由控制點(diǎn)放出中線時(shí)理論角度的中誤差;ρ取206 065;計(jì)算時(shí)取S= 10 km，mβ=±1″，則m外=±48 mm＜150 mm。

由以上兩種估算結(jié)果可知:用GPS測(cè)量技術(shù)來建立觀音閣水庫(kù)引水工程施工控制網(wǎng)是可行和可靠的，精度完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求規(guī)定的指標(biāo)。

(4)獨(dú)立坐標(biāo)系的建立

工程在可行性研究和初步設(shè)計(jì)階段使用的是國(guó)家1/10 000地形圖(1954北京坐標(biāo)系)。為使工程前后銜接，在設(shè)計(jì)與施工階段必須采用同一套坐標(biāo)系統(tǒng)。

根據(jù)觀音閣水庫(kù)引水工程供水線路東西兩側(cè)的子午線經(jīng)度值(具體數(shù)值省略)，依據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026—2007)，測(cè)區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度變形值不得大于2.5 cm/km，而該隧洞出口處長(zhǎng)度投影變形達(dá)到9.0 cm/km，可見采用高斯投影3°帶坐標(biāo)，測(cè)區(qū)邊界部位高斯投影改正過大，不能滿足施工放樣的需要，因此須建立獨(dú)立坐標(biāo)系。

建立獨(dú)立坐標(biāo)系的條件是與獨(dú)立坐標(biāo)系相對(duì)應(yīng)有一個(gè)地方參考橢球。而地方參考橢球與1954北京坐標(biāo)系的參考橢球的關(guān)系為:中心一致(X0= 0，Y0=0，Z0=0);軸向一致(εX=0;εY=0;εZ=0);扁率相等(α地=α)。

地方參考橢球與1954參考橢球僅在長(zhǎng)半徑上有一個(gè)變化值Δa

其中

式(2)～式(4)中，a地為地方參考橢球長(zhǎng)半徑;a為1954橢球長(zhǎng)半徑;e為第一偏心率;Bm為測(cè)區(qū)平均緯度;Hm為測(cè)區(qū)平均大地高;hm為測(cè)區(qū)平均正常高;ζm為測(cè)區(qū)平均高程異常;N為卯酉圈曲率半徑。

由式(4)可計(jì)算出對(duì)應(yīng)于該工程獨(dú)立坐標(biāo)系的地方參考橢球的長(zhǎng)半徑a地(具體值略去)。

由長(zhǎng)度歸算至參考橢球面和投影至高斯平面改正公式［6］得

式中，△s為長(zhǎng)度綜合變形;s為實(shí)際測(cè)量的實(shí)際距離;ym為測(cè)區(qū)邊緣至中央子午線的垂距(橫坐標(biāo)值);Rm取6378 km;hi表示測(cè)區(qū)平均高程。由該式計(jì)算得:該工程引水線路長(zhǎng)度約44.5 km，因此需建立一個(gè)中央子午線選在測(cè)區(qū)中心，長(zhǎng)度歸化高程面選用測(cè)區(qū)的平均高程面的任意帶直角坐標(biāo)系(獨(dú)立坐標(biāo)系)，既可以使測(cè)區(qū)的長(zhǎng)度歸化改正和測(cè)區(qū)中央地區(qū)的投影變形幾乎為零，又可以保證離中央子午線45 km以內(nèi)地區(qū)長(zhǎng)度投影變形的相對(duì)誤差小于1/40 000。

綜上所述，即可確定施工控制網(wǎng)建立的獨(dú)立坐標(biāo)系(包含中央子午線經(jīng)度和歸化面高程，具體數(shù)據(jù)省略)。

(5)GPS網(wǎng)型設(shè)計(jì)及精度估算

觀音閣水庫(kù)引水工程是由管線和隧洞組成的，有其特殊性，并且管線段采取明挖埋管的方式。所以對(duì)于管線段，每隔2 km左右布設(shè)一對(duì)相互通視的GPS點(diǎn)，在觀音閣水庫(kù)左岸取水口和北臺(tái)管線出口處分別布設(shè)3個(gè)GPS點(diǎn)，并澆筑鋼筋混凝土標(biāo)石;對(duì)于隧洞段，在每個(gè)洞口(包括支洞洞口)恰當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置一組(3個(gè))相互通視的控制點(diǎn)，每組GPS點(diǎn)間距離也要控制在300 m以上，并建造觀測(cè)墩，各控制點(diǎn)間的高差要盡量小，以減小垂線偏差對(duì)方向值的影響，然后以GPS基線連接各點(diǎn)組成GPS全面網(wǎng)，GPS網(wǎng)內(nèi)每個(gè)點(diǎn)至少與3條基線連接。本設(shè)計(jì)共計(jì)布設(shè)C級(jí)GPS點(diǎn)65個(gè)，每組GPS點(diǎn)均相互通視，各點(diǎn)間高差均不大。

觀音閣水庫(kù)引水工程施工控制網(wǎng)測(cè)量，必須具有較高的精度，才能保證隧洞正確貫通。因此，須對(duì)采用GPS測(cè)量技術(shù)建立的施工控制網(wǎng)可能達(dá)到的精度進(jìn)行估算。

首先在1/10000地形圖上選點(diǎn)和構(gòu)網(wǎng)，圖解出各點(diǎn)的概略坐標(biāo)，采用軟件Cosa控制測(cè)量數(shù)據(jù)處理通用軟件包(原武漢測(cè)繪科技大學(xué)研制)進(jìn)行估算，從估算結(jié)果得到最弱邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1∶17.20 000，所以按此方案布設(shè)和施測(cè)的GPS控制網(wǎng)合理、可行，且精度優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

2.高程控制測(cè)量的設(shè)計(jì)

(1)高程系統(tǒng)

本課題在項(xiàng)目建議書、可行性研究、初步設(shè)計(jì)階段均采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，所以施工階段的高程系統(tǒng)繼續(xù)采用。

起算數(shù)據(jù)為遼寧省測(cè)繪地理信息局測(cè)繪資料館提供的國(guó)家一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)。

(2)水準(zhǔn)測(cè)量等級(jí)的確定

洞外、洞內(nèi)高程控制測(cè)量誤差對(duì)豎向貫通面的影響為

式中，mh、m＇h分別為洞外、洞內(nèi)高程測(cè)量中誤差; MΔ、MΔ'分別為洞外、洞內(nèi)1 km路線長(zhǎng)度的高程測(cè)量高差中數(shù)中誤差;L、L'分別為洞外、洞內(nèi)兩相鄰洞口面水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度(km)。

若洞外布設(shè)二等水準(zhǔn)，取MΔ=±1 mm，洞內(nèi)為三等水準(zhǔn)，取MΔ'=±3 mm，相向開挖長(zhǎng)度取10 km，洞外水準(zhǔn)路線取20 km、洞內(nèi)15 km，則Mh=±12 mm，遠(yuǎn)小于表1的規(guī)定，可見洞外布設(shè)二等水準(zhǔn)完全可以滿足隧洞對(duì)豎向貫通誤差限差的要求。

(3)水準(zhǔn)路線的布設(shè)

首級(jí)高程控制測(cè)量，由于工期縮短，路線布設(shè)成一個(gè)二等水準(zhǔn)網(wǎng)，在建造平面控制觀測(cè)墩的同時(shí)，對(duì)兩起算點(diǎn)間的水準(zhǔn)進(jìn)行施測(cè)，兩國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)間路線長(zhǎng)66.4 km。待平面控制觀測(cè)墩和澆筑的水準(zhǔn)點(diǎn)混凝土凝固并具備一定強(qiáng)度后，在兩起算點(diǎn)水準(zhǔn)路線基礎(chǔ)上，布設(shè)20條二等水準(zhǔn)支線，水準(zhǔn)支線總長(zhǎng)度71.9 km。支洞水準(zhǔn)點(diǎn)和觀測(cè)墩均為水準(zhǔn)支線聯(lián)測(cè)。

三、結(jié)束語

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，基礎(chǔ)建設(shè)的資金投入逐年加大，無論是在水利水電行業(yè)，還是交通、煤礦等行業(yè)，隧道工程會(huì)越來越多，隧道的長(zhǎng)度越來越長(zhǎng)，測(cè)量的難度也會(huì)越來越大。觀音閣水庫(kù)引水工程施工控制網(wǎng)測(cè)量的設(shè)計(jì)，為今后的特長(zhǎng)隧洞施工控制網(wǎng)測(cè)量提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。

本文研究的GPS測(cè)量對(duì)隧洞貫通誤差影響值的推算準(zhǔn)確可靠。對(duì)長(zhǎng)隧洞貫通誤差限值的確定、隧洞貫通精度的預(yù)估算方法以及今后制定尚沒有的特長(zhǎng)隧洞的相應(yīng)規(guī)范提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。同時(shí)，工程施工控制網(wǎng)測(cè)量設(shè)計(jì)，避免了砍伐測(cè)區(qū)的大量樹木，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

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Design of Construction Control Network for Guanyinge Reservoir Diversion Project

WANG Liying，JIA Xiaotang

0494-0911(2012)06-0064-04

TU196

B

2011-10-19

王麗英(1982—)，女，河北石家莊人，博士，講師，主要研究方向?yàn)長(zhǎng)iDAR基礎(chǔ)理論與應(yīng)用。