金屬礦山隧道相向貫通測(cè)量誤差調(diào)整方法研究

黃保澤

（云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司，云南 文山 663701）

金屬礦山的開(kāi)采離不開(kāi)隧道的貫通，而相向貫通測(cè)量是尤為關(guān)鍵的一步。相向貫通對(duì)測(cè)量的精度要求很高，若測(cè)量出現(xiàn)偏差值超過(guò)限度，將造成隧道無(wú)法貫通，直接導(dǎo)致后續(xù)開(kāi)采等工作無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，是很?chē)?yán)重的事故，經(jīng)濟(jì)損失巨大[1]。因此調(diào)整測(cè)量方法，降低測(cè)量誤差是工程工作者們一直研究的重難點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)測(cè)量方法在高程控制與平面控制兩方面存在問(wèn)題，雖滿足工程基本精度要求，但不足以實(shí)現(xiàn)高效工程作業(yè)，且對(duì)日后礦山開(kāi)采工作也有一定影響。因此在保證測(cè)量誤差在規(guī)程范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上，努力減小測(cè)量誤差，不僅對(duì)隧道貫通具有積極作用，而且對(duì)礦山后續(xù)資源的開(kāi)采也有十分重要的意義。貫通測(cè)量方面的研究，海外礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家起步較早，上世紀(jì)90 年代左右，海外國(guó)家已經(jīng)有了“智能礦山”等發(fā)展規(guī)劃[2]，我國(guó)雖起步較晚，但通過(guò)測(cè)量技術(shù)人員的大量研究勘測(cè)，目前已經(jīng)有了許多優(yōu)秀的技術(shù)方法。本次研究在前人的基礎(chǔ)上，針對(duì)相向貫通測(cè)量誤差較難控制的方面，提出了優(yōu)化方案。

1 隧道相向貫通測(cè)量概述

隧道相向貫通測(cè)量分為洞外測(cè)量與洞內(nèi)測(cè)量，布設(shè)精度符合要求的洞外控制網(wǎng)是首要任務(wù)。國(guó)內(nèi)常用且精度較高的平面控制測(cè)量方法為GPS 測(cè)量，在使用GPS 進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，由于GPS信號(hào)會(huì)受到礦山山體與周?chē)帜镜挠绊?，?yīng)盡可能延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，天氣狀況不理想時(shí)，需加測(cè)時(shí)段數(shù)，以滿足觀測(cè)精度的需求。完成洞外平面控制網(wǎng)的布設(shè)后，用導(dǎo)線測(cè)量的方式，把洞外布設(shè)好的坐標(biāo)系統(tǒng)引測(cè)進(jìn)洞內(nèi)，實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)外的坐標(biāo)和方位的轉(zhuǎn)換。之后在控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行高程控制，找好控制點(diǎn)高程位置。由于實(shí)際操作中導(dǎo)線測(cè)角與側(cè)邊都會(huì)存在一定誤差，累計(jì)起來(lái)會(huì)導(dǎo)致貫通點(diǎn)的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置并不相符，產(chǎn)生貫通誤差。按照《工程測(cè)量規(guī)范》中的規(guī)定，隧道貫通的限差為：橫向貫通誤差100mm，高程貫通誤差50mm[3]。

本次研究中，通過(guò)對(duì)礦業(yè)公司的歷史相向貫通測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在高程控制測(cè)量方面，電子精密設(shè)備的應(yīng)用仍不完善，而在平面控制測(cè)量方面，對(duì)加測(cè)陀螺邊認(rèn)識(shí)不足，考慮針對(duì)這兩方面進(jìn)行優(yōu)化。全站儀是目前在地理空間信息采集等方面應(yīng)用十分廣泛的電子儀器，有先進(jìn)的電光系統(tǒng)，其同時(shí)具備測(cè)距、測(cè)角、計(jì)算、存儲(chǔ)等功能[4]，能極大簡(jiǎn)化貫通測(cè)量工作，可以隨時(shí)對(duì)貫通作業(yè)方向進(jìn)行把控，對(duì)提高貫通測(cè)量精度有積極意義。根據(jù)以往的數(shù)據(jù)顯示，陀螺儀在控制導(dǎo)線網(wǎng)的橫向擺動(dòng)方面有著不錯(cuò)的效果，且具有可以任意選擇定向位置的特點(diǎn)，導(dǎo)線測(cè)量基本不影響其定向，能有效降低方向誤差，考慮加測(cè)陀螺邊對(duì)控制誤差的可行性。

2 優(yōu)化隧道相向貫通測(cè)量誤差調(diào)整方法

相向貫通測(cè)量誤差一般會(huì)發(fā)生在三個(gè)方向上，包括縱向、橫向與高程誤差，如圖1 所示。在目前隧道相向貫通的技術(shù)中，縱向誤差比較容易滿足精度要求，本次研究暫不做考慮，主要針對(duì)高程誤差與橫向誤差進(jìn)行控制優(yōu)化。

圖1 貫通測(cè)量誤差示意圖

2.1 高程控制測(cè)量誤差調(diào)整方法優(yōu)化

針對(duì)傳統(tǒng)二等水準(zhǔn)測(cè)量面對(duì)礦山地形效率低、精度不足的問(wèn)題，本次選擇在三角高程測(cè)量的基礎(chǔ)上，加裝智能型全站儀，對(duì)高程測(cè)量進(jìn)行優(yōu)化。如圖2 所示，以A 為線路起始點(diǎn)，以N為線路結(jié)束點(diǎn)，在兩點(diǎn)上安裝帶有特制棱鏡的測(cè)量基座，在B、C……點(diǎn)上，利用基座與腳架等工具設(shè)置棱鏡，將智能型全站儀設(shè)置在Z1Z2……Zn 點(diǎn)上。測(cè)量時(shí)，首先將A 點(diǎn)上的測(cè)量基座調(diào)節(jié)至與水平線平行，規(guī)定測(cè)量的前進(jìn)方向?yàn)檎?，根?jù)現(xiàn)場(chǎng)通視情況確定B 的位置，若條件較好，二者距離可在八百米至一千米之間，以靠近起始點(diǎn)A 的B 棱鏡點(diǎn)作為前視棱鏡，正方向設(shè)置；再將z1 的智能型全站儀設(shè)置在距A 點(diǎn)15m 左右的位置，將z2 的儀器設(shè)置在距B 點(diǎn)15m 的位置，使四點(diǎn)大約成直線排布。調(diào)整好后啟動(dòng)智能型全站儀進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)記錄，根據(jù)其給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出AB 之間的高差。依照AB 兩點(diǎn)高差測(cè)量的操作流程，觀測(cè)后續(xù)所有相鄰的點(diǎn)之間的高差，完成整條線路的高程觀測(cè)。

圖2 三角高程測(cè)量示意圖

三角高程測(cè)量AB 兩點(diǎn)間的高差如公式（1）所示，應(yīng)用了往返測(cè)高差平均值的算法，且對(duì)向同時(shí)觀測(cè)的實(shí)行，可以基本上避免硬件高度與大氣折光的影響[5]。

式中，S 表示斜距，V 表示豎直角，v 表示棱鏡高。

根據(jù)公式（1）推導(dǎo)出線路整段的總高差hAN 為：

考慮金屬礦山隧道一般較長(zhǎng)，交換起始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)位置，再次進(jìn)行測(cè)量以提高精度。

2.2 平面控制測(cè)量誤差調(diào)整方法優(yōu)化

常用的隧道洞內(nèi)平面控制測(cè)量布網(wǎng)方法是交叉導(dǎo)線網(wǎng)，本研究基于交叉導(dǎo)線網(wǎng)，利用陀螺全站儀加測(cè)陀螺邊。首先要測(cè)定儀器常數(shù)?，利用GPS 已知地面定向邊至少測(cè)量三次陀螺方位角，根據(jù)公式（3）計(jì)算陀螺儀常數(shù)。按照規(guī)程要求，各次測(cè)得數(shù)據(jù)間應(yīng)保證40″以下的互差，以保證儀器測(cè)量的精度。對(duì)洞內(nèi)導(dǎo)線進(jìn)行多次對(duì)向陀螺方位角測(cè)量，再回到洞口地面，重新利用GPS 已知地面定向邊進(jìn)行多次對(duì)向陀螺方位角測(cè)量，再次確定儀器常數(shù)，與第一次得到的常數(shù)進(jìn)行對(duì)比，保證陀螺儀的穩(wěn)定性。

式中，A0表示：已知邊的真方位角，且 A0=α0+γ0；α0表示：地面導(dǎo)向已知邊坐標(biāo)方位角；0γ 表示：測(cè)站處子午線收斂角；αT0表示：已知邊上測(cè)量的陀螺方位角。

之后根據(jù)公式（4）計(jì)算定向?qū)Ь€邊坐標(biāo)方位角。

式中，A 表示：待定導(dǎo)線邊的真方位角；γ 表示：待定導(dǎo)線邊測(cè)站點(diǎn)子午線收斂角； Ta 表示：洞內(nèi)待定邊測(cè)量的陀螺方位角。

整理公式（3）與公式（4），得出公式（5），用作洞內(nèi)導(dǎo)線邊坐標(biāo)方位角α 的計(jì)算。

子午線收斂角差 ?γ值可以根據(jù) ?γ= γ0? γ計(jì)算得出。

計(jì)算出洞內(nèi)導(dǎo)線坐標(biāo)方位角后，以導(dǎo)線控制網(wǎng)起點(diǎn)為原點(diǎn)，三分之一與五分之四處分別加測(cè)兩條陀螺邊，完成貫通橫向測(cè)量。

3 實(shí)測(cè)論證分析

3.1 準(zhǔn)備工作

選取某金屬礦山隧道M 作為實(shí)測(cè)分析點(diǎn)，起點(diǎn)AH1 與終點(diǎn)AH2 均為國(guó)家二等水準(zhǔn)點(diǎn)，已知二等水準(zhǔn)高差為143.5233m。選取OS-602G 智能型全站儀、特制高精密棱鏡與TJ9000 陀螺全站儀，進(jìn)行外業(yè)測(cè)量，與文獻(xiàn)[1]提出的傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比。

3.2 高程測(cè)量結(jié)果及分析

從起點(diǎn)AH1到終點(diǎn)AH2，分別按照兩種測(cè)量方案進(jìn)行高程測(cè)量，測(cè)量的高差數(shù)據(jù)與已知二等水準(zhǔn)高差比較如表1、表2 所示。

表1 優(yōu)化后高程測(cè)量高差比較

表2 傳統(tǒng)高程測(cè)量高差比較

由表1、表2 可知，本研優(yōu)化后的高程測(cè)量方法精度符合二等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求，且優(yōu)化后的高程測(cè)量方法高差較差為-3.0mm 與2.5mm，相比于傳統(tǒng)高程測(cè)量方法高差較差的-8.0與6.5mm，分別有了5mm、4mm 的精度提升。

3.3 平面測(cè)量結(jié)果及分析

在隧道M 內(nèi)，分別按照兩種測(cè)量方案進(jìn)行貫通平面測(cè)量，設(shè)計(jì)坐標(biāo)與控制網(wǎng)導(dǎo)線具體貫通點(diǎn)的貫通誤差數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 兩種測(cè)量方法貫通誤差對(duì)比

由表3 可知，加測(cè)陀螺邊交叉導(dǎo)線控制網(wǎng)測(cè)量方法的貫通誤差為1.9mm，比傳統(tǒng)交叉導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量方法的貫通誤差小51.2mm。

4 結(jié)語(yǔ)

由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，本研究提出的高程測(cè)量?jī)?yōu)化方案與平面測(cè)量?jī)?yōu)化方案均具有實(shí)際意義，可以減小高差較差，加測(cè)陀螺邊可以有效控制導(dǎo)線網(wǎng)的橫向擺動(dòng)，減小貫通誤差，對(duì)金屬礦山隧道相向貫通測(cè)量的誤差調(diào)整提供了有效方法。今后將會(huì)對(duì)相向貫通測(cè)量進(jìn)行進(jìn)一步研究，結(jié)合以往礦業(yè)公司金屬礦山隧道相向貫通經(jīng)驗(yàn)，以期為日后礦山隧道的貫通測(cè)量提供更優(yōu)思路。