珠江三角洲水資源配置工程某區(qū)間隧道橫向貫通誤差預(yù)計(jì)

路 元

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340)

珠江三角洲水資源配置工程輸水線路西起西江干流佛山順德江段鯉魚(yú)洲，經(jīng)廣州南沙區(qū)新建的高新沙水庫(kù)，向東至東莞市松木山水庫(kù)、深圳市羅田水庫(kù)、公明水庫(kù)，輸水線路總長(zhǎng)度為113.2 km。為了踐行“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享” 的發(fā)展理念，給沿線區(qū)域未來(lái)開(kāi)發(fā)建設(shè)預(yù)留地下淺層空間，全線采用地下深埋盾構(gòu)的方式，在縱深40～60 m 的地下建設(shè)輸水隧洞[1]。因此，各個(gè)區(qū)間隧道的順利貫通成了工程成功的關(guān)鍵性工作之一。該區(qū)間隧道位于廣東省佛山市順德區(qū)境內(nèi)，標(biāo)段為鯉魚(yú)洲取水口至高新沙水庫(kù)干線的其中一部分，區(qū)間隧道為L(zhǎng)G3#工作井始發(fā)至LG2#工作井，長(zhǎng)度為2 944 m。LG02#和LG03#都是直徑 35.9 m的圓井，LG02#開(kāi)挖深度57.7 m，LG03#開(kāi)挖深度73.98 m。區(qū)間隧道示意圖如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道示意

1 橫向貫通誤差分配

隧道貫通測(cè)量平面偏差發(fā)生在兩個(gè)方向，第一種是沿隧道中心線方向的誤差，稱(chēng)之為縱向貫通誤差，只對(duì)隧道的長(zhǎng)度有影響；第二種是水平面內(nèi)垂直于隧道中心線方向的左右偏差，稱(chēng)之為橫向貫通誤差。后者對(duì)隧道質(zhì)量有直接的影響，所以又稱(chēng)為貫通重要方向偏差[2-3]。

橫向貫通誤差的來(lái)源包括洞外控制測(cè)量的誤差、聯(lián)系測(cè)量的誤差、洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量的誤差以及施工誤差。其中施工誤差可以忽略不計(jì)[4]。由誤差傳播定律有橫向貫通誤差MGT為

(1)

式中M地面為地面控制網(wǎng)的誤差；M聯(lián)系1、M聯(lián)系2為聯(lián)系測(cè)量的誤差；M導(dǎo)線1、M導(dǎo)線2為洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量的誤差。

通常情況下，在兩端豎井深度相差不大時(shí)可認(rèn)為兩端的聯(lián)系測(cè)量的誤差是一致的，即M聯(lián)系=M聯(lián)系1=M聯(lián)系2，由于盾構(gòu)施工中，不是相向施工，貫通面在LG2#接收井與隧道交界處，貫通面方位角為259°06′49.9″，所以沒(méi)有導(dǎo)線2的測(cè)量，即M導(dǎo)線2=0，則貫通誤差MGT可寫(xiě)為：

(2)

《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026—2007)和《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL 52—2015)要求相向開(kāi)挖隧道的隧道橫向貫通誤差限差不應(yīng)超過(guò)100 mm。取限差的1/2作為貫通面上的貫通中誤差?！豆こ虦y(cè)量規(guī)范》(GB 50026—2007)對(duì)各影響因素引起的貫通誤差分配值見(jiàn)表1。

表1 隧道控制測(cè)量對(duì)貫通中誤差的限值[5]

2 測(cè)量方法及誤差預(yù)計(jì)

2.1 地面GPS控制網(wǎng)

該隧道控制網(wǎng)采用GPS控制網(wǎng)布設(shè)，首級(jí)控制網(wǎng)由建設(shè)單位移交的7個(gè)三等工程控制點(diǎn)，加密控制網(wǎng)采用同等精度加密，在每個(gè)工作井周?chē)荚O(shè)3個(gè)控制點(diǎn)(網(wǎng)型見(jiàn)圖2)。最短基線為202 m，最長(zhǎng)基線為4.7 km，相鄰基線邊長(zhǎng)相差較大。采用6臺(tái)GPS雙頻接收機(jī)(標(biāo)稱(chēng)精度由于3 mm+0.5 ppm)進(jìn)行觀測(cè)，同一隧洞進(jìn)、出洞口的控制點(diǎn)必須進(jìn)行至少1次的同步觀測(cè)，其他控制點(diǎn)間距離較短的基線應(yīng)當(dāng)觀測(cè)。根據(jù)廣播星歷采用中海達(dá)HGO軟件進(jìn)行基線解算，采用COSA_GPS進(jìn)行重復(fù)基線、同步環(huán)、異步環(huán)閉合差檢驗(yàn)，選擇控制網(wǎng)內(nèi)一點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)作為基準(zhǔn)進(jìn)行三維無(wú)約束平差，檢驗(yàn)網(wǎng)的內(nèi)部符合精度，經(jīng)檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)，經(jīng)二維約束平差后的精度見(jiàn)表2。

圖2 區(qū)間隧道地面GPS控制網(wǎng)網(wǎng)型示意

GPS網(wǎng)可以認(rèn)為是觀測(cè)了邊長(zhǎng)和方向的邊角網(wǎng)，隧道地面GPS控制網(wǎng)引起的橫向貫通誤差可參考地面邊角網(wǎng)嚴(yán)密估算公式[6]進(jìn)行估算。

d(ΔyP)=-aJAΔxJPdxJ-(1+bJAΔxJP)dyJ+aJAΔxJPdxa+bJAΔxJPdya+aCBΔxCPdxc+(1+bCBΔxCP)dC-aCBΔxCPdxB-bCBΔxCPdyB

(3)

式中ΔyP為從進(jìn)、出口推算貫通點(diǎn)P橫坐標(biāo)差；a、b為進(jìn)、出口端的方向系數(shù)；Δx為相應(yīng)的坐標(biāo)差。

表2 約束平差后地面控制網(wǎng)精度統(tǒng)計(jì)

使用COSA_GPS軟件對(duì)地面GPS網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算，GPS測(cè)量引起的貫通誤差見(jiàn)表3。

表3 GPS測(cè)量引起的區(qū)間隧道貫通誤差估算結(jié)果

2.2 聯(lián)系測(cè)量

本區(qū)間隧道兩端豎井LG02#和LG03#都是直徑為35.9 m的圓井，LG02#開(kāi)挖深度為57.7 m，LG03#開(kāi)挖深度為73.98 m，開(kāi)挖深度較深，聯(lián)系的方法選擇聯(lián)系三角形法。聯(lián)系三角形法是一種傳統(tǒng)方法，在采礦業(yè)中和國(guó)內(nèi)地鐵工程中許多單位在使用該方法[7-8]。聯(lián)系三角形法示意見(jiàn)圖3。

圖3 聯(lián)系測(cè)量示意

懸掛0.5 mm鋼絲、施掛10 kg重錘并浸放在穩(wěn)定液中。鋼絲上、下合適位置粘貼反射片供全站儀照準(zhǔn)。鋼尺測(cè)量?jī)射摻z間水平距離作為全站儀測(cè)量反算距離的校核。

在豎井定向測(cè)量中，豎井坐標(biāo)傳遞的誤，差將使地下導(dǎo)線的各點(diǎn)產(chǎn)生統(tǒng)一數(shù)值的位移，對(duì)貫通誤差的影響是一個(gè)常數(shù)[9]，在貫通面上所引起的橫向誤差約等于傳遞坐標(biāo)在垂直于隧道軸線方向的誤差。方位角傳遞的誤差，將使地下道線各邊長(zhǎng)方位角轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)誤差值，對(duì)貫通誤差的影響將隨著地下導(dǎo)線的增加而增加[9]，如圖4所示，1、2、3、4是地下導(dǎo)線的正確位置，1′、2′、3′、4′是加入方位角傳遞誤差后的位置，在貫通面上引起的橫向誤差為Mq向：

(4)

圖4 起始方位角誤差對(duì)貫通的影響示意

由表1可知，聯(lián)系測(cè)量中誤差限值為25 mm，則地下導(dǎo)線起始邊方位角中誤差的允許值：

取起始邊方位角允許值的3/5作為目標(biāo)值，則在忽略坐標(biāo)傳遞誤差的影響下，聯(lián)系測(cè)量?jī)x器的橫向貫通誤差值為：

為達(dá)到上述要求應(yīng)盡量做到：① 聯(lián)系三角形的兩個(gè)銳角α、β接近于零，不管何種情況下都不能大于3°；②b與a的比值應(yīng)以1:5為宜；③ 兩個(gè)錘球間距a應(yīng)盡可能大；④ 傳遞坐標(biāo)方位角時(shí)，選擇經(jīng)過(guò)小角的路線。

每次獨(dú)立測(cè)量3測(cè)回，每測(cè)回讀數(shù)3次，各測(cè)回較差應(yīng)小于1 mm；地下與地上丈量的鋼絲間距較差應(yīng)不大于2 mm；角度用方向觀測(cè)法觀測(cè)6個(gè)測(cè)回，測(cè)回間角度較差不應(yīng)大于6″。

2.3地下導(dǎo)線網(wǎng)

受限于隧道的直徑或開(kāi)挖寬度，地下控制網(wǎng)的形狀通常形成延伸狀。地下導(dǎo)線的類(lèi)型有附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線、方向附合導(dǎo)向、支導(dǎo)線和導(dǎo)線網(wǎng)等。對(duì)于盾構(gòu)方式掘進(jìn)的水工隧道，左右線之間很少建設(shè)橫通道，導(dǎo)致地下控制網(wǎng)多為支導(dǎo)線，或一端采用陀螺經(jīng)緯儀定向的方向附合導(dǎo)線。鑒于陀螺經(jīng)緯儀可以增加地下導(dǎo)線的精度和貫通精度[10-12]，本區(qū)間隧道采用地下導(dǎo)線環(huán)，即從井下起始邊開(kāi)始分兩條支導(dǎo)線形式布設(shè)，兩條支導(dǎo)線間每隔2～3個(gè)點(diǎn)形成閉合環(huán)。地下導(dǎo)線示意見(jiàn)圖5。

圖5 地下導(dǎo)線示意

對(duì)于等邊直伸的地下支導(dǎo)線，導(dǎo)線的測(cè)角誤差引起橫向誤差，而量邊誤差與橫向誤差無(wú)關(guān)[13]。由測(cè)角引起的橫向貫通誤差可表示為：

(5)

式中n為支導(dǎo)線的邊數(shù)；s為導(dǎo)線的平均邊長(zhǎng)，mm；mβ為導(dǎo)線的測(cè)角中誤差，″。

根據(jù)式(5)對(duì)不同導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)、不同測(cè)角中誤差情況下，導(dǎo)線引起的橫向貫通誤差計(jì)算見(jiàn)表4。

表4 地下支導(dǎo)線引起的橫向貫通誤差 mm

=21.8 mm。

因此，地面、地下控制測(cè)量和豎井聯(lián)系測(cè)量對(duì)隧道總的橫向貫通誤差為：

=±26.5 mm<50 mm。

3 結(jié)語(yǔ)

地面GPS控制測(cè)量、地下導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量和豎井聯(lián)系測(cè)量對(duì)隧道橫向貫通誤差分別為4.75 mm、14.3 mm和21.8 mm，均在誤差允許值范圍內(nèi)，對(duì)隧道總的橫向貫通中誤差為26.5 mm小于規(guī)范要求的50 mm，精度達(dá)到工程質(zhì)量要求。

通過(guò)對(duì)區(qū)間隧道平面控制測(cè)量3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)及其誤差的分析，豎井聯(lián)系測(cè)量和地下導(dǎo)線網(wǎng)對(duì)橫向貫通誤差的影響較大，其中的聯(lián)系測(cè)量對(duì)地下導(dǎo)線網(wǎng)的起始邊方位角的要求較高，且豎井聯(lián)系測(cè)量容易受施工狀況和環(huán)境狀況等的影響，因此合理的確定聯(lián)系測(cè)量的方法，并嚴(yán)格執(zhí)行方案，增加聯(lián)系測(cè)量間的檢核，才能確保聯(lián)系測(cè)量對(duì)地面GPS控制網(wǎng)和地下導(dǎo)線網(wǎng)的測(cè)量誤差滿足規(guī)范要求。從而為隧道貫通測(cè)量提供合格的起算點(diǎn)和方位角。