高速公路隧道控制測量的相關(guān)問題及分析

賀 燁

（甘肅交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州730070）

0 前言

隧道是指修建在地層中的地下工程建筑物。 它被廣泛用于公路、鐵路、礦山、水利、市政和國防等方面。在高等公路建設(shè)中，為了滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，克服地形和高程上的障礙，改善公路的平面線形、提高車速、減少對植被的破壞、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，避免山區(qū)公路的各種病害(如落石、坍方、雪崩、泥石流等)，常常需修建隧道。 為縮短距離和避免大坡道而從山嶺或丘陵下穿越的稱為山嶺隧道；為穿越河流或海峽而從河下或海底通過的稱為水下隧道；為適應(yīng)鐵路通過大城市的需要而在城市地下穿越的稱為城市隧道， 這三類隧道中修建最多的是山嶺隧道。它的測量設(shè)計(jì)和施工基礎(chǔ)的控制測量工作在隧道建設(shè)工程中是非常重要的，一般隧道施工控制測量分為隧道地面控制測量和隧道地下控制測量，而作為基礎(chǔ)的地面測量是保證隧道正確貫通的前提，所以，必須要注重隧道控制測量中的控制網(wǎng)的布設(shè)、坐標(biāo)系等問題，才能建立高精度的地面施工控制網(wǎng)，并從根本上做好隧道的控制測量的工作。

1 隧道地面控制網(wǎng)的布設(shè)原則

1.1 做好布設(shè)前的資料準(zhǔn)備

在制定隧道控制網(wǎng)的布設(shè)方案前，首先要做好資料準(zhǔn)備，收集詳細(xì)的隧道所在地的地形圖、隧道工程中豎井、斜井、引道工程、水平坑道等構(gòu)筑物的布置圖，還有控制測量資料等，為控制網(wǎng)布設(shè)做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

1.2 充分考慮現(xiàn)場情況

確定控制網(wǎng)時， 要充分了解和考慮工地現(xiàn)有測量儀器的類型、性能，交通條件和外界影響因素等，根據(jù)隧道的建設(shè)要求和特點(diǎn)來優(yōu)化控制網(wǎng)的布設(shè)方案和確定控制網(wǎng)觀測的必要精度。

1.3 每個洞口附近要設(shè)置不少于3 個平面控制點(diǎn)和3 個水準(zhǔn)點(diǎn)，作為洞內(nèi)測量的起測依據(jù)。

1.4 為保證布設(shè)洞口投點(diǎn)便于施工中線放樣測量、 聯(lián)測洞外控制點(diǎn)和向洞內(nèi)測設(shè)導(dǎo)線，一般洞內(nèi)傳算的起算邊長需大于300m。

1.5 為保障定向和檢查，相鄰的控制點(diǎn)應(yīng)能通視。

2 隧道地面控制網(wǎng)的精度要求

2.1 關(guān)于控制網(wǎng)的精度和常用形式

布設(shè)隧道控制網(wǎng)是為了保證地下兩個相向開挖的工作面能夠正確貫通，而控制網(wǎng)的精度取決于隧道貫通的精度、長度和形狀、及施工方法等。

控制網(wǎng)的常用形式有以下三種：

（1）GPS 網(wǎng)最為常用，無需通視，所以布網(wǎng)限制條件較少，網(wǎng)形精度較高。

（2）三角網(wǎng)對于地勢起伏較大，通視條件較好的施工場地，可采用三角

（3）導(dǎo)線網(wǎng)對于地勢平坦，通視又比較困難的施工場地，可采用導(dǎo)線網(wǎng)。

目前， 控制網(wǎng)的布設(shè)多采取GPS 控制網(wǎng)形式， 控制點(diǎn)間無需通視，可直接把隧道兩洞口投點(diǎn)聯(lián)系起來，從而大大減少地面控制點(diǎn)的數(shù)量；GPS 定位相對精度高，尤其采用較長長度（≥1000m）測量基線邊構(gòu)成的控制網(wǎng)；GPS 控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)也必須貫通隧道的精度要求，為保障工程安全，要做到精度控制，但同時要防止不必要的“精度浪費(fèi)”。

2.2 GPS 控制網(wǎng)的精度

設(shè)坑口控制點(diǎn)的坐標(biāo)精度為m2，GPS 的觀測精度為m0表示，則：

式中：m0——GPS 接收機(jī)的測量誤差，由儀器的性能所決定；

Q——設(shè)計(jì)的GPS 網(wǎng)的圖形強(qiáng)度，由網(wǎng)的幾何形狀所決定，或由GPS 網(wǎng)矢量的協(xié)方差矩陣求得。

因此，m0用GPS 接收機(jī)的標(biāo)稱精度表示，即：

m0=±（a+b.ppm.S）

為了實(shí)現(xiàn)隧道網(wǎng)的布設(shè)和精度設(shè)計(jì)，可以根據(jù)隧道總長度和測區(qū)地形及各坑口的初步位置，以不同邊長模擬幾種GPS 測量網(wǎng)的方案，根據(jù)圖形和他的GPS 矢量的協(xié)方差矩陣解求Q 值， 并求出坑口控制點(diǎn)的精度， 選擇既滿足精度m2≤±20mm 又具有高效率的網(wǎng)作為優(yōu)化方案。

2.3 GPS 控制網(wǎng)的布網(wǎng)原則

2.3.1 地面上的控制點(diǎn)應(yīng)選在利于保存、施測方便的地方；

2.3.2 當(dāng)利用城市已有控制點(diǎn)時，應(yīng)檢查該點(diǎn)的穩(wěn)定性及完好性；

控制點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離高壓輸電線和無線電發(fā)射裝置，其間距分別不小于50m和200m；

2.3.3 控制點(diǎn)上應(yīng)視野開闊，并避開多路徑效應(yīng)的影響，在10～15 高度角以上不能有成片的障礙物；

2.3.4 控制點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)牢固并應(yīng)繪制點(diǎn)之記。

3 隧道控制測量坐標(biāo)系統(tǒng)的確立

高速公路中直線隧道長度大于1000m 的， 曲線隧道長度大于500m 的，應(yīng)該根據(jù)橫向貫通精度要求建立獨(dú)立的平面坐標(biāo)系統(tǒng)。

坐標(biāo)系統(tǒng)首先要方便隧道施工放樣，另外要考慮和它的兩端路線的正確銜接?？梢允菄腋咚蛊矫孀鴺?biāo)系統(tǒng)或任意經(jīng)度的中央子午線高斯平面坐標(biāo)系統(tǒng)，但一般仍較多采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)。 常規(guī)測量網(wǎng)一樣為了施工方便，常以隧道主軸線進(jìn)口至出口方向?yàn)閄 軸正向，隧道的某一線路中線里程為X 坐標(biāo)系統(tǒng)起算值， 右旋90°確立Y 坐標(biāo)軸，坐標(biāo)原點(diǎn)處。 坐標(biāo)值可以為正常數(shù)，也可以為0。

實(shí)際方案中可選擇隧道底部平均高程面作為投影面，將隧道中心線作為中央子午線，按照高斯正形投影計(jì)算平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)；也可把抵償高程面作為投影面， 按高斯正形投影3 帶計(jì)算平面直角坐標(biāo)；也可以根據(jù)橢圓面作投影不變，選擇合理的中央子午線，即將長度投影到該投影帶所產(chǎn)生的變形，正好等于這一長度投影到橢圓球面所產(chǎn)生的變形。

4 隧道貫通誤差影響值的估算

貫通誤差是指相向開挖的兩條施工中線上，具有貫通面里程的中線點(diǎn)不重合，兩點(diǎn)連線的空間線段；實(shí)際的貫通誤差只有在貫通后才能確定，所以施工中需要預(yù)先對誤差進(jìn)行預(yù)估算。

4.1 誤差的分類

4.1.1 貫通誤差在水平面上的正射投影稱為平面貫通誤差；

4.1.2 在鉛垂面上的正射投影稱為高程貫通誤差，簡稱高程誤差；

4.1.3 與貫通面平行的分量，稱為橫向貫通誤差，簡稱橫向誤差；

4.1.4 與貫通面垂直的分量，稱為縱向貫通誤差，簡稱縱向誤差。

4.2 貫通誤差對隧道貫通的影響

4.2.1 縱向誤差影響隧道中線的長度和線路的設(shè)計(jì)坡度；

4.2.2 橫向誤差影響線路方向，如果超過一定的范圍，就會引起隧道幾何形狀的改變， 甚至造成侵入建筑限界而迫使大段襯砌拆除重建，既給工程造成重大經(jīng)濟(jì)損失又延誤了工期。 因此，必須對橫向誤差加以限制；

4.2.3 高程誤差主要影響線路坡度。

4.3 控制測量對貫通精度影響的限值（表1）

4.4 貫通誤差的估算

4.4.1 導(dǎo)線測量誤差對橫向貫通精度的影響

設(shè)RX 為導(dǎo)線環(huán)在隧道兩洞口連線的一列邊上的各點(diǎn)至貫通面的垂直距離（m），則導(dǎo)線的測角中誤差m（″）對橫向貫通中誤差的影響為：

表1

4.4.2 高程控制測量對高程貫通誤差的影響估算

在貫通面上，受洞外或洞內(nèi)高程控制測量誤差影響而產(chǎn)生的高程中誤差為：

式中，M 為每千米水準(zhǔn)測量的偶然中誤差，以mm 計(jì)；L 為洞外或洞內(nèi)兩開挖洞口間高程路線長度的公里數(shù)。

［1］李輝,李琪,劉慶豐.武廣鐵路客運(yùn)專線隧道施工監(jiān)測技術(shù)[J].鐵道建筑,2010(01).

［2］閆廣東,米存芳.淺談長大隧道的洞內(nèi)平面控制測量[J].城市建設(shè)理論研究,2011(28).