隧道工程測(cè)量的精度分析與測(cè)量方案設(shè)計(jì)

曾小偉（中南建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410000）

隧道工程測(cè)量的精度分析與測(cè)量方案設(shè)計(jì)

曾小偉（中南建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410000）

隧道工程橫向貫通誤差是評(píng)價(jià)施工質(zhì)量的精度標(biāo)準(zhǔn)，因此，在隧道工程測(cè)量工作中，對(duì)允許貫通誤差進(jìn)行科學(xué)合理的分配，并加強(qiáng)隧道工程施工測(cè)量方案設(shè)計(jì)至關(guān)重要。對(duì)此，本文首先介紹了隧道工程測(cè)量工作的特點(diǎn)，然后對(duì)隧道工程測(cè)量的精度分析進(jìn)行了闡述，并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)隧道工程測(cè)量方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)探究。

隧道工程；精度；測(cè)量方案

1 引言

在隧道施工過程中，不可避免的會(huì)產(chǎn)生貫通誤差，包括豎向誤差、橫向誤差和縱向誤差。其中，高程控制誤差對(duì)豎向誤差的影響規(guī)律比較簡(jiǎn)單，縱向誤差不會(huì)對(duì)隧道貫通產(chǎn)生直接影響，施工測(cè)量人員最為關(guān)注的是地面控制網(wǎng)誤差對(duì)橫向貫通的影響。如果在貫通測(cè)量工程中產(chǎn)生較大誤差，則會(huì)直接影響隧道工程正常使用，因此，對(duì)隧道工程測(cè)量方案進(jìn)行詳細(xì)探究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 隧道工程測(cè)量工作特點(diǎn)

①部分隧道工程施工環(huán)境較差，經(jīng)常需要進(jìn)行點(diǎn)下對(duì)中，邊長(zhǎng)較短時(shí)測(cè)量精度無法得到保障。②隧道工程一般采用獨(dú)頭掘進(jìn)方式，洞室之間相互不連通，不便組織校核，隨著坑道推進(jìn)致使點(diǎn)位誤差逐漸累積。③隧道工程施工現(xiàn)場(chǎng)較為狹窄，因此可選的控制測(cè)量方式較少，只能以低級(jí)導(dǎo)線坑道掘進(jìn)，之后布設(shè)高級(jí)導(dǎo)線。④為確保地面和地下采用的坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一，要采用聯(lián)系測(cè)量的方式進(jìn)行測(cè)量。

3 隧道貫通誤差及其分配

3.1 隧道貫通誤差

貫通誤差主要分為三類：

（1）縱向貫通誤差——線路中線方向的投影長(zhǎng)度，簡(jiǎn)稱縱向誤差。這一誤差主要影響隧道中線長(zhǎng)度，基本不影響隧道貫通，也較少影響施工質(zhì)量。

（2）橫向貫通誤差——垂直于中線方向的投影長(zhǎng)度，簡(jiǎn)稱橫向誤差。

（3）高程貫通誤差——高程方向的投影長(zhǎng)度，簡(jiǎn)稱高程誤差。這一誤差主要對(duì)掘進(jìn)和鋪軌同步進(jìn)行的隧道影響較大，導(dǎo)致接軌點(diǎn)的平滑度較低，也可能影響隧道坡度。采用合適的測(cè)量方法能減少這一誤差。

3.2 貫通誤差的分配

采用盾構(gòu)法施工的隧道工程，在進(jìn)行工程測(cè)量時(shí)，地面控制網(wǎng)的選擇較多，地下控制測(cè)量卻大多只能布設(shè)為支導(dǎo)線形式。貫通誤差限值的分配即是測(cè)量精度的確定。洞內(nèi)導(dǎo)線能夠確定施工中線和貫通誤差，測(cè)量誤差、施工誤差和放樣誤差對(duì)貫通精度的影響也可以忽略不計(jì)，所以隧道貫通誤差的主要影響因素可確定為來源于地上控制網(wǎng)、地下控制網(wǎng)和導(dǎo)線及豎井聯(lián)系測(cè)量。隧道施工過程中，地面控制測(cè)量和洞內(nèi)控制測(cè)量往往由不同施工單位分別實(shí)施，因此貫通誤差應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)分配。

由于地面條件顯著優(yōu)于地下，平面控制測(cè)量精度要求也必然要高于地下測(cè)量，洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量的精度可略低于地面測(cè)量。地面控制測(cè)量的誤差、洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量誤差均可作為獨(dú)立影響因素，而豎井開挖的聯(lián)系測(cè)量較大程度上能夠影響貫通精度，因此也被作為影響貫通精度的獨(dú)立影響因素。高程控制測(cè)量時(shí)，洞內(nèi)的高差變化和水準(zhǔn)路線條件都優(yōu)于地面；洞內(nèi)的水、氣和煙塵的影響程度等按等影響原則進(jìn)行分配；光亮度較差，施工干擾都使豎井聯(lián)系測(cè)量可以被作為高程貫通精度的重要影響因素。隨著我國(guó)施工技術(shù)和勘測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，一些傳統(tǒng)的測(cè)量方法已經(jīng)被GPS控制測(cè)量方法所替代，并廣泛應(yīng)用于地鐵等隧道交通施工的地面控制測(cè)量中。

4 地面控制測(cè)量對(duì)橫向貫通誤差的影響

在隧道工程測(cè)量中，地面控制測(cè)量是第一道測(cè)量程序，在進(jìn)行地面控制測(cè)量工作時(shí)，首先對(duì)洞口坐標(biāo)誤差進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)地面控制網(wǎng)邊方向進(jìn)行誤差測(cè)量。其中，洞口點(diǎn)坐標(biāo)的誤差對(duì)于對(duì)貫通誤差的影響與同一隧道開挖兩洞口點(diǎn)的相對(duì)誤差橢圓在貫通面上的投影式數(shù)值相同，控制網(wǎng)測(cè)量誤差對(duì)于隧道工程貫通誤差的影響是相對(duì)的。在對(duì)地面控制網(wǎng)邊方向進(jìn)行誤差測(cè)量時(shí)，誤差主要體現(xiàn)在方向上，主要表現(xiàn)為兩點(diǎn)：①聯(lián)系測(cè)量的誤差；②地下支導(dǎo)線的起始方位的誤差。在進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量過程中，無論采用何種測(cè)量方式，都不可避免的會(huì)對(duì)貫通誤差產(chǎn)生一定的影響。假設(shè)，將地下單側(cè)支導(dǎo)線的總長(zhǎng)在貫通面的垂直方向上的投影設(shè)定為S，則地面控制網(wǎng)邊的方向誤差對(duì)橫向貫通誤差的影響值就等于起始方向誤差與S的乘積。對(duì)于控制網(wǎng)最弱邊的相對(duì)誤差，可以根據(jù)精度要求進(jìn)行計(jì)算。

地面控制測(cè)量的誤差對(duì)于橫向貫通誤差值的影響，是由洞口點(diǎn)坐標(biāo)誤差以及地面控制網(wǎng)邊方向的誤差所合成的。

通過對(duì)地面控制網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)隧道開挖段兩端控制點(diǎn)的相對(duì)誤差以及定向邊方向誤差確定精度指標(biāo)。如果采用常規(guī)方式設(shè)計(jì)控制網(wǎng)，則可以使用最弱點(diǎn)點(diǎn)位誤差以及最弱邊邊長(zhǎng)相對(duì)誤差作為精度指標(biāo)。因此，在進(jìn)行地面控制測(cè)量時(shí)，可以使用常規(guī)方法，操作便捷。

5 聯(lián)系測(cè)量對(duì)橫向貫通誤差的影響

隨著地下導(dǎo)線長(zhǎng)度的增加或者減小，隧道起始方位角的誤差對(duì)于貫通誤差的影響會(huì)不斷發(fā)生變化。如果采用平洞或者斜井的方式進(jìn)行隧道開挖，則地下導(dǎo)線的起始位置就是地面控制網(wǎng)的方位角，為了減小貫通誤差，必須進(jìn)行科學(xué)合理的測(cè)量。在進(jìn)行洞外平面控制測(cè)量時(shí)，必須使用先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行定位測(cè)量，為了減小洞外測(cè)量誤差所引起的橫向貫通誤差，可以采用延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間、增加觀測(cè)時(shí)段等方式。隧道工程的面積與控制大小是有限的，因此，洞內(nèi)測(cè)量分布很難做到全面和系統(tǒng)，因此，在進(jìn)行隧道工程開挖時(shí)，隧道隧洞測(cè)角誤差是橫向貫通誤差的重要因素。

6 地下導(dǎo)線測(cè)量誤差對(duì)橫向貫通誤差的影響

地下導(dǎo)線貫通誤差對(duì)于橫向貫通誤差的影響的表達(dá)公式如下：

在隧道貫通前，由于地下的導(dǎo)線是支導(dǎo)線，可以將上述公式轉(zhuǎn)化為以下公式：

在大部分城市地鐵工程中，隧道工程一般為直線形，而在直線隧道中，需要布設(shè)等邊的直伸導(dǎo)線，橫向貫通誤差是由測(cè)角誤差所引起的。

7 隧道工程測(cè)量的精度分析與測(cè)量方案設(shè)計(jì)實(shí)例

7.1 貫通誤差及相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)

由于縱向誤差對(duì)貫通誤差幾乎沒有影響，因此可忽略不計(jì)。按照等影響原則，洞內(nèi)外水準(zhǔn)測(cè)量誤差所產(chǎn)生的高程貫通誤差的容許值相同。

7.2 地面控制測(cè)量

本文以某隧道施工工程為例，對(duì)隧道貫通測(cè)量技術(shù)及其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

7.2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)

地面控制測(cè)量和洞內(nèi)控制測(cè)量均采用與已知點(diǎn)相同的坐標(biāo)系統(tǒng)，平面采用WGS-84坐標(biāo)，高程采用1985年頒布的國(guó)家高程基準(zhǔn)體系。設(shè)計(jì)地面布設(shè)一級(jí)導(dǎo)線，分為5條邊，長(zhǎng)邊298m，短邊196m，平均邊長(zhǎng)270m，測(cè)量中誤差5s，測(cè)距相對(duì)中誤差為1/30000。

7.2.2 地面高程控制測(cè)量

該隧道工程所處地段地形復(fù)雜，周邊植被茂盛，該隧道屬于中直隧道。由于受到各種因素的影響，洞外按2km進(jìn)行四等水準(zhǔn)測(cè)量，并且敷設(shè)四等水準(zhǔn)路線，測(cè)量?jī)x器選用3S型水準(zhǔn)儀，其每公里高差中數(shù)的偶然中誤差為5.0mm。觀測(cè)方法為四等水準(zhǔn)測(cè)量方法。

7.2.3 洞內(nèi)控制測(cè)量

（1）洞內(nèi)導(dǎo)線布設(shè)

該隧道工程為直線型隧道，而且為于中隧道，綜合考慮各種因素，采用沿隧道中線布設(shè)等邊直伸型二級(jí)支導(dǎo)線作為工作導(dǎo)線，并且導(dǎo)線布設(shè)形式為等邊直伸型。在隧洞內(nèi)部，設(shè)置4個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)，5條邊線，長(zhǎng)邊為200m，短邊180m，平均邊長(zhǎng)為196m，測(cè)角中誤差為8s，測(cè)距相對(duì)中誤差為1/14000。在本次測(cè)量過程中，所用測(cè)量?jī)x器與洞外平面導(dǎo)線控制測(cè)量時(shí)的儀器相同。

（2）洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)角和測(cè)邊

洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)角采用方向觀測(cè)法進(jìn)行測(cè)量，并且與地面導(dǎo)線基本相同。洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)邊采用光電測(cè)距儀和全站儀測(cè)定邊長(zhǎng)，測(cè)量效果比較好。

8 結(jié)語

綜上所述，在隧道工程測(cè)量過程中，各個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)誤差因素都會(huì)對(duì)貫通測(cè)量誤差產(chǎn)生影響，通過對(duì)隧道工程測(cè)量誤差進(jìn)行詳細(xì)分析，能夠確保各個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)能夠高質(zhì)量完成，確保隧道工程全面安全貫通。

［1］高 明，高治華，第五江波.淺談隧道工程測(cè)量方案中的關(guān)鍵問題和對(duì)策［J］.城市建設(shè)理論研究：電子版，2012（23）：36～37.

［2］王肇輝.隧道工程測(cè)量方案設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題和對(duì)策［J］.華東科技：學(xué)術(shù)版，2014（03）：113.

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U452.1

A

2095-2066（2016）29-0215-02

2016-9-30

曾小偉（1974-），男，工程師，本科，主要從事測(cè)量工作。