青草沙島域段隧道貫通控制測量技術(shù)研究

鄒錕

摘? 要：青草沙島域段隧道工作井深度大、圓弧多，貫通測量難度較大，本文首先對本工程分析了控制測量中每個環(huán)節(jié)的設(shè)計精度。以1-2井東線地下導(dǎo)線的實際測量數(shù)據(jù)為例，通過各種導(dǎo)線分析方法，判斷出1-2井東線導(dǎo)線的測量成果中的問題，并證明地面GPS控制測量和地下導(dǎo)線聯(lián)系測量的完成和偏差均符合設(shè)計要求。文末提出保證隧道控制測量精度的幾點措施，保證了剩余隧道的橫向貫通誤差控制在±50mm之內(nèi)。

關(guān)鍵詞：橫向貫通誤差? 豎井聯(lián)系測量? 精度分析? 質(zhì)量控制

中圖分類號：U452.1 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（c）-0029-04

Abstract： The tunnel working well in Qingcaosha island area has a large depth， many arcs， and it is difficult to make through survey. Firstly， this paper analyzes the design accuracy of each link in the control survey of the project. Taking the actual measurement of the underground traverse data of the east line of well 1-2 as an example， through a variety of traverse analysis methods， it is concluded that the connection survey of the east line of well 1-2 has obvious deviation， while the underground traverse survey and the ground GPS have obvious deviation conclusion that the control measurement meets the design requirements. Finally， the measures to ensure the accuracy of the tunnel control survey are put forward， which can ensure that the transverse through error of the other sections of the tunnel is within 5cm.

Key Words： Horizontal penetration error; Shaft connection measurement; Accuracy analysis; Quality control

青草沙島輸水管道工程位于長興島，是連接長江過江原水管道工程與上海青草沙水庫的重要設(shè)施。項目起于青草沙水庫大壩的閘門，至長江原水交叉管井。其中，主體工程隧道內(nèi)徑為Φ5500mm，外徑為Φ6400mm。包含過江管島域工作井[1號井]，盾構(gòu)中間風(fēng)井[2號井]以及水庫出水輸水閘井[3號井]，東線和西線共計4個盾構(gòu)隧道區(qū)間長度分別為2.5km和2.8km。1號井（豎井聯(lián)系測量井）深36m，凈寬21m。其中1號井至2號井區(qū)間軸線有多個不同曲率半徑的圓弧，且均位于盾構(gòu)推進(jìn)起始端的1km內(nèi)，采用由我國自主研制生產(chǎn)的外徑6.62m盾構(gòu)機(jī)，隧道洞門圈直徑為6.8m，與盾構(gòu)機(jī)外徑空隙為90mm。由于隧道工作井深度較深，所以使測量工作非常困難。本項目測量的橫向貫通誤差為《城市軌道交通測量規(guī)范》中規(guī)定的±50mm。隧道貫通誤差預(yù)設(shè)組成為：（1）地面控制測量誤差m1為±25mm;（2）豎井聯(lián)系測量值誤差m2為±20mm;（3）井下導(dǎo)線測量誤差m3為±30mm;（4）盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量誤差m4為±20mm;（5）洞門圈中心測量誤差m5為±10mm，5個部分。

1? 控制測量環(huán)節(jié)設(shè)計精度分析

由于盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量誤差、洞門圈中心測量誤差為固定誤差，且不具備傳遞性。本文主要討論控制測量誤差產(chǎn)生的其他主要環(huán)節(jié)，即（1）地面控制測量誤差（m1）;（2）豎井聯(lián)系測量誤差（m2）;（3）井下導(dǎo)線測量誤差（m3），現(xiàn)在根據(jù)各個誤差的分解分析這些部分中的關(guān)鍵測量過程，確定適當(dāng)?shù)臏y量方式。

1.1 地面控制測量

本項目首級控制采用GPS控制網(wǎng)，其技術(shù)指標(biāo)采用《城市軌道交通測量規(guī)范》中規(guī)定的衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)和基本技術(shù)要求，其中平均邊長不小于2km、最弱點的點位中誤差不超過±12mm、相鄰點的相對點位中誤差不超過±10mm、最弱邊的相對中誤差不超過1/100000、與現(xiàn)有城市控制點的坐標(biāo)誤差不大于50mm，保證了地面控制網(wǎng)測量產(chǎn)生的誤差對最終貫通誤差的影響值控制在±25mm之內(nèi)。

1.2 豎井聯(lián)系測量

豎井聯(lián)系測量包括將兩根鋼纜懸掛在軸上，并確定鋼纜與軸上控制點的距離和角度，以便計算出軸的坐標(biāo)、鋼絲的坐標(biāo)以及它們之間的方位角。眾所周知，可以通過測量和計算獲得地下導(dǎo)體點的坐標(biāo)和方位角，如圖1所示。井下標(biāo)點的初始位置為：

如圖1所示井上測量值為：W，γ，α，b，c。α由計算得到，井下相同。

實際測量時，由于γ角是近似0°的角，而必需控制在1.5以內(nèi)，因此α角也近似0°，則cosγ≈1，cosα≈1，代入上式并顧及，得：

按照誤差傳播定律，測距誤差及測角誤差為影響α角精度誤差的兩個部分：

取本項目近似數(shù)據(jù)，γ值取30′，c值取20m，取0.5，ms取1mm，則可得mα1=0.1"，由此可得α角的誤差值主要取決于γ角的測角精度，而受測距誤差影響很小。如設(shè)測距誤差忽略不計，則：

設(shè)由于豎井聯(lián)系測量造成的井下起始邊方位中誤差為m2α（即A'M'邊的方位中誤差），則可得·ρ=1.65"（其中m2值取±20mm，L值取2.5km）。設(shè)豎井聯(lián)系測量中測角中誤差為m2β（即γ角的測角中誤差），則可根據(jù)誤差傳播定律、式（2）及式（6）可得：

按照以上分析可以看到，在豎井聯(lián)系測量中，水平角觀測必須按照國家《精密工程測量規(guī)范》中二級測角控制技術(shù)之要求施測，才能達(dá)到豎井聯(lián)系測量的預(yù)設(shè)精度要求，即測角中誤差不得大于±0.71"。

1.3 井下導(dǎo)線測量

在井下導(dǎo)線測量中，以目前采用的高精度全站儀精度水平，在保證導(dǎo)線長度、測量環(huán)境（無高溫、振動影響）、通視良好的情況下，測距誤差較小，且主要為縱向誤差的產(chǎn)生，因此本文對井下導(dǎo)線測量中測角誤差對橫向貫通誤差的影響進(jìn)行分析。

支導(dǎo)線端點橫向誤差mu1公式為：

式中m3β為井下導(dǎo)線測角中誤差，根據(jù)實際工況L值為導(dǎo)線總長度，取2.5km，n為導(dǎo)線條數(shù)取15，mu1取井下導(dǎo)線貫通橫向誤差設(shè)計值±30mm，得：

按照以上分析可以看到，在井下導(dǎo)線測量中，水平角的觀測也必須按照國家《精密工程測量規(guī)范》中二級測角控制技術(shù)之要求施測，才能達(dá)到井下導(dǎo)線測量的預(yù)設(shè)精度要求，即測角中誤差不得大于±0.71〞。

2? 實測數(shù)據(jù)分析

實際施工中1號井至2號井區(qū)間東線率先貫通，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)2號井時，實測的橫向貫通誤差87mm，可以看出貫通過程中側(cè)向偏移較大（洞門預(yù)留間隙為90mm），因此盾構(gòu)機(jī)吊拆之后，將1號井至2號井區(qū)間東線井下導(dǎo)線K1～K16連接至2號井的井下起始邊K2-1～K2-2以形成附合導(dǎo)線（總長度約為2.5km）進(jìn)行復(fù)測，并分析誤差。連接的導(dǎo)體上總共有18個點，點號為K1～K16，K2-1，K2-2，其中K1～K2是1號井東線井下導(dǎo)線起始邊。K2-1～K2-2是2井的井下導(dǎo)線起始邊（即2號井～3號井區(qū)間東線的起始邊）。

2.1 附合導(dǎo)線數(shù)據(jù)分析法

將K2-1～K2-2及K1～K2設(shè)定為起始邊，以附合導(dǎo)線線路方式對導(dǎo)線進(jìn)行平差計算，得到附合導(dǎo)線角度閉合差為11.7"。設(shè)角度閉合差為△β，其計算公式為：

假定附合導(dǎo)線兩端起始邊由于豎井聯(lián)系測量引起的方位中誤差相同，均為mα起·ρ=1.65''則可得mα起;地面控制測量造成的角度閉合差設(shè)為mα控，則可得mα控·ρ=2.06";因此，如井下導(dǎo)線角度測量的設(shè)計最大中誤差m3β=1.1"，則可得導(dǎo)線角度閉合差中誤差，=5.39"而根據(jù)前文對該導(dǎo)線的平差計算，實際角度閉合差為11.7"，大于2m△β，由此判斷導(dǎo)線中必定存在較大的誤差。

2.2 支導(dǎo)線數(shù)據(jù)分析法

按照上述判斷導(dǎo)線中存在較大的誤差，分析有兩個可能的誤差原因：（1）導(dǎo)線兩端方位角由于豎井聯(lián)系測量而存在起始誤差;（2）井下導(dǎo)線測量中產(chǎn)生的累積誤差。利用導(dǎo)線一端的起始邊，應(yīng)用支導(dǎo)線方式分別計算另一端點的坐標(biāo)并得出坐標(biāo)差，分析并確定導(dǎo)線中最大誤差的來源。如導(dǎo)線兩端實際坐標(biāo)差相近，在兩條起始邊方位角的精度相等且在設(shè)計誤差范圍內(nèi)，那么如果最大誤差主要來自井下導(dǎo)線測量中產(chǎn)生累積誤差，否則可以判定為起始邊方位角存在重大誤差。計算結(jié)果如下：

從表1結(jié)果可以判斷，導(dǎo)線起始邊K1～K2存在明顯的誤差。由此可以初步判斷在1號豎井聯(lián)系測量中得到的成果井下初始邊方位角存在較大誤差，同時也證明了，地面GPS控制測量成果、2號井豎井聯(lián)系測量成果（起始邊K2-2～K2-1方位角誤差）及井下導(dǎo)線測量成果均符合預(yù)設(shè)精度要求。而此處坐標(biāo)差也可以等同為該區(qū)間最大橫向貫通誤差。

2.3 無定向?qū)Ь€數(shù)據(jù)分析法

假設(shè)固定導(dǎo)線中K2-1及K1點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，分別并以無定向?qū)Ь€方式進(jìn)行復(fù)算，得到的井下導(dǎo)線起始邊方位角與提供成果的方位角對比差值如表2所示。

從表2中方位角差值結(jié)果亦可以判斷K1～K2起始邊存在明顯誤差，從而得到前述結(jié)論。

3? 貫通精度控制措施

除去盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量誤差、洞門圈中心測量誤差為固定誤差外，地面控制測量、豎井聯(lián)系測量和井下導(dǎo)線測量是隧道貫通測量中的主要環(huán)節(jié)。地面控制測量由于目前GPS技術(shù)已經(jīng)成熟，只要按照相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行施測，不容易出現(xiàn)明顯的誤差或粗差，所以，以當(dāng)前的設(shè)備及技術(shù)水平，地面GPS控制測量對隧道貫通誤差的影響值遠(yuǎn)小于25mm。而井下導(dǎo)線測量環(huán)節(jié)中，借助目前高精度全站儀和自動觀測技術(shù)，實際測量中，地下導(dǎo)線測量誤差對貫通誤差的影響值也易于控制在30mm左右。

技術(shù)難點主要集中在豎井聯(lián)系測量環(huán)節(jié)，由于井深較大，井口較小，全手工觀察以及環(huán)境變化等因素而難以控制。豎井聯(lián)系測量控制質(zhì)量成為影響隧道貫通進(jìn)度的最重要環(huán)節(jié)。在該項目1號井至2號井區(qū)間東線貫通后，在其余三個區(qū)間的豎井聯(lián)系測量中（見表3），采取了以下質(zhì)量控制措施：

減小的比值，充分利用豎井寬度增加c值距離。

優(yōu)化鋼絲，鋼絲直徑須小于0.5mm，重錘質(zhì)量大于10kg，穩(wěn)定液的稠度適中確保錘體擺動自由。

鋼絲懸架應(yīng)牢固，不晃動，測量時施工暫停，禁止重型機(jī)具、車輛移動。保證各測量點通視條件。

選擇最佳的觀測環(huán)境，避免風(fēng)、雨、強(qiáng)光影響及強(qiáng)烈溫差變化。

內(nèi)三角計算結(jié)果偏差控制在2″之內(nèi)，上下鋼絲間距偏差控制在1mm以內(nèi)，確保單次聯(lián)系測量的內(nèi)角附合。

隧道貫通前增加豎井聯(lián)系測量次數(shù)，以3″為合格成果標(biāo)準(zhǔn)，合理加權(quán)平均處理后采用。

豎井聯(lián)系測量中細(xì)節(jié)的優(yōu)化，顯著提高后續(xù)區(qū)間豎井聯(lián)系測量的精度，使得隧道橫向貫通誤差也都在設(shè)計允許范圍之內(nèi)。

4? 結(jié)語

本文通過實際工程數(shù)據(jù)分析了影響隧道橫向貫通誤差的控制測量的各個方面。通過對1號井～2號井區(qū)間東線的實際井下導(dǎo)線數(shù)據(jù)采用多種導(dǎo)線數(shù)據(jù)分析方法得出由于豎井聯(lián)系測量出現(xiàn)較大偏差導(dǎo)致最終貫通誤差較大，同時也判斷出井下導(dǎo)線測量和地面GPS控制測量結(jié)果均達(dá)到設(shè)計要求。總結(jié)了改善的措施及方法，提高了后續(xù)豎井聯(lián)系測量精度，最終保證了本項目其余隧道區(qū)間的橫向貫通誤差在±50mm之內(nèi)。

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