山西省中部引黃工程總干線TBM標(biāo)段施工測(cè)量監(jiān)測(cè)探討

楊全剛

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

山西省中部引黃工程，是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中的一項(xiàng)重要工程，分為取水工程和輸水工程兩部分。工程干線自天橋水電站庫(kù)區(qū)取水，輸水工程包括總干線、東干線、西干線，輸水線路總長(zhǎng)384.5 km，主要建筑物為隧洞、渡槽，其中隧洞占99.2%。供水范圍包括4 市16 個(gè)縣（市、區(qū)），涉及忻州市的保德縣；呂梁市的興縣、臨縣、離石、柳林、中陽(yáng)、石樓、交口、孝義、汾陽(yáng)9 個(gè)縣（市、區(qū)）；臨汾市的隰縣、蒲縣、大寧、汾西4 個(gè)縣；晉中市的靈石縣和介休市2 縣（市）。

工程總干線（約K 77+040—K 118+400）用2 臺(tái)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM），采用相向掘進(jìn)法施工，分別設(shè)置進(jìn)洞支洞與通風(fēng)支洞，其中TBM 1 標(biāo)掘進(jìn)長(zhǎng)度為26.3 km，（包括支洞長(zhǎng)度5.3 km）；TBM 2 標(biāo)掘進(jìn)長(zhǎng)度為23.9 km，（包括支洞長(zhǎng)度3.6 km）。

總干線TBM 標(biāo)段施工測(cè)量監(jiān)測(cè)任務(wù)的目的是監(jiān)測(cè)TBM 1 標(biāo)和TBM 2 標(biāo)承擔(dān)的輸水主洞、進(jìn)洞支洞以及通風(fēng)支洞的施工測(cè)量作業(yè)是否符合規(guī)范要求，洞內(nèi)導(dǎo)線控制點(diǎn)的平面精度和高程精度，是否滿足規(guī)范要求，確保隧洞能夠順利貫通，不出現(xiàn)大的質(zhì)量事故。

2 施工測(cè)量監(jiān)測(cè)內(nèi)容

監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括審核分析測(cè)量資料和實(shí)地檢測(cè)。審核測(cè)量資料，包括審核標(biāo)段施工控制網(wǎng)資料，測(cè)量?jī)x器、人員、資料及復(fù)核相關(guān)資料；實(shí)地驗(yàn)證，主要是實(shí)地檢測(cè)洞內(nèi)控制點(diǎn)的準(zhǔn)確性。

2.1 審核測(cè)量資料

一是審核測(cè)量人員是否滿足要求。二是審核測(cè)量?jī)x器是否滿足要求；審核測(cè)量?jī)x器使用是否規(guī)范，測(cè)量?jī)x器是否按時(shí)檢定。三是審核各標(biāo)段平面施工控制和高程施工控制網(wǎng)資料；審核布網(wǎng)是否合理，計(jì)算方法是否正確，各項(xiàng)閉合差是否超限。四是審核平面控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)穩(wěn)定性資料。

2.2 隧洞內(nèi)基本導(dǎo)線點(diǎn)監(jiān)測(cè)

2.2.1 平面監(jiān)測(cè)

根據(jù)TBM 掘進(jìn)的施工特點(diǎn)，隧洞內(nèi)的基本控制要布設(shè)成交叉雙導(dǎo)線。洞內(nèi)基本導(dǎo)線點(diǎn)的標(biāo)志，設(shè)置在帶有強(qiáng)制對(duì)中裝置的儀器臺(tái)上，儀器臺(tái)通過(guò)鋼架固定在洞壁上，做成燈臺(tái)形式；點(diǎn)位的設(shè)置，根據(jù)洞內(nèi)設(shè)施的布置情況相互避讓?zhuān)以诟叨壬峡紤]出渣皮帶、各種管線等高度位置。

為了保證TBM 隧洞內(nèi)基本導(dǎo)線點(diǎn)的平面觀測(cè)精度，TBM 1 標(biāo)和TBM 2 標(biāo)兩家施工單位均配置了1"級(jí)智能型全站儀。智能型全站儀俗稱(chēng)測(cè)量機(jī)器人，是一種能代替人進(jìn)行自動(dòng)搜索、識(shí)別、跟蹤和精確照準(zhǔn)目標(biāo)，獲取角度、距離等信息的智能型電子全站儀。

平面監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)基本導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)的準(zhǔn)確性，實(shí)地施測(cè)出基本導(dǎo)線點(diǎn)合格的監(jiān)測(cè)成果，由施工單位提供的控制點(diǎn)成果進(jìn)行比較，得出其差值，再判斷是否滿足要求。

2.2.2 高程監(jiān)測(cè)

高程測(cè)量施工單位，使用TRIBMLE 電子水準(zhǔn)儀，按二等水準(zhǔn)要求進(jìn)行作業(yè)，觀測(cè)成果按嚴(yán)密平差法進(jìn)行平差計(jì)算，并進(jìn)行精度評(píng)定。施工單位再將觀測(cè)成果與基本導(dǎo)線點(diǎn)平面施測(cè)的三角高程進(jìn)行比較，兩者互相校核，以保證基本控制點(diǎn)高程的正確性。

根據(jù)施工單位長(zhǎng)距離隧洞的施工經(jīng)驗(yàn)，按現(xiàn)有作業(yè)手段和儀器條件，隧洞貫通的豎向中誤差比較容易達(dá)到，本文不作過(guò)多闡述，著重討論平面監(jiān)測(cè)問(wèn)題。

3 監(jiān)測(cè)技術(shù)要求及方法

3.1 采用的基準(zhǔn)

平面監(jiān)測(cè)采用中部引黃工程施工坐標(biāo)系；高程監(jiān)測(cè)采用1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)。

3.2 監(jiān)測(cè)的技術(shù)要求

根據(jù)《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》（SL 52-2015）的規(guī)定，詳見(jiàn)表1。

表1 地下控制網(wǎng)等級(jí)選擇

結(jié)合本工程的實(shí)際情況，平面控制網(wǎng)檢測(cè)采用二等基本導(dǎo)線測(cè)量精度。二等基本導(dǎo)線的主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足表2 的要求。

表2 光電測(cè)距導(dǎo)線測(cè)量技術(shù)要求

儀器光學(xué)對(duì)中器，應(yīng)隨時(shí)檢驗(yàn)和校正。導(dǎo)線的水平角在短邊觀測(cè)時(shí)，儀器和照準(zhǔn)標(biāo)志應(yīng)嚴(yán)格整平。如受外界因素影響，超出補(bǔ)償范圍使補(bǔ)償器無(wú)法補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)停止觀測(cè)。水平方向觀測(cè)宜采用方向觀測(cè)法，其技術(shù)要求應(yīng)符合表3 的要求。

表3 水平角方向觀測(cè)法技術(shù)要求表

距離測(cè)量時(shí)，在測(cè)距前后，應(yīng)各量取儀器高和棱鏡高一次，取平均值。距離測(cè)量的技術(shù)要求應(yīng)符合表4 的要求。

表4 測(cè)距作業(yè)技術(shù)要求

3.3 監(jiān)測(cè)的方法

洞內(nèi)控制點(diǎn)觀測(cè)采用徠卡TS30 0.5" 測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行。按施工單位提供的控制網(wǎng)圖，由洞外到洞內(nèi)逐站進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)中應(yīng)遵守以下事項(xiàng)：一是觀測(cè)前30 min，應(yīng)將儀器置于隧洞內(nèi)裸亮，使儀器與隧洞內(nèi)氣溫趨于一致。二是觀測(cè)過(guò)程中，儀器氣泡中心偏移不應(yīng)超過(guò)一格。當(dāng)偏移值接近限值時(shí)，應(yīng)在測(cè)回之間重新整置儀器。三是反射棱鏡背面應(yīng)避免有散射光的干擾，鏡面不得有水珠或灰塵玷污。四是在短邊的情況下，應(yīng)嚴(yán)格整平。

3.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理

為了提高監(jiān)測(cè)的精度，施測(cè)的控制網(wǎng)邊長(zhǎng)必須進(jìn)行溫度、氣壓等氣象改正，方可進(jìn)行下一步計(jì)算。氣象改正一般在測(cè)量?jī)x器內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行，只需要觀測(cè)前在儀器中輸入正確的溫度、氣壓值即可。

總干TBM 標(biāo)段主洞高程在986 m 左右，因此施工坐標(biāo)系的高程投影面選擇986 m 高程面。而工程全線均在呂梁山區(qū)，控制點(diǎn)高程大多在1 200～1 400 m之間，因此，必須把施測(cè)邊長(zhǎng)投影到施工坐標(biāo)系所在的投影面上，尤其是支洞口至隧洞中線點(diǎn)之間必須進(jìn)行邊長(zhǎng)投影。投影公式如下：

式中：D——?dú)w算到測(cè)區(qū)平均高程面或選定的某一高程面上的長(zhǎng)度，m；

S——經(jīng)過(guò)傾斜、氣象、加常數(shù)和乘常數(shù)等改正后的測(cè)站與鏡站平均高程面上的平距，m；

Hm——邊長(zhǎng)兩端點(diǎn)高程的平均值，m；

H0——測(cè)區(qū)平均高程面或選定的某一高程，取986 m；

RA——測(cè)距邊所在法截線的曲率半徑，取6 373 000 m。

控制網(wǎng)采用2005 南方平差易進(jìn)行。平差控制網(wǎng)計(jì)算成果中應(yīng)包括起算數(shù)據(jù)、觀測(cè)數(shù)據(jù)和必要的中間數(shù)據(jù)。平差后的精度根據(jù)平差方法評(píng)定，應(yīng)包含：?jiǎn)挝粰?quán)測(cè)角（或方向）中誤差，相對(duì)點(diǎn)位中誤差、各邊邊長(zhǎng)中誤差和方向中誤差、各待定點(diǎn)中誤差和各點(diǎn)點(diǎn)位誤差橢圓元素。

3.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析

經(jīng)過(guò)嚴(yán)密平差后，計(jì)算出合格的監(jiān)測(cè)成果，由施工單位提供的控制點(diǎn)成果進(jìn)行比較，得出其差值，再判斷是否滿足要求，其差值應(yīng)滿足《水工建筑物地下開(kāi)挖工程施工規(guī)范》（SL 378-2007）中4.0.6 第4 條，“洞內(nèi)基本導(dǎo)線應(yīng)進(jìn)行兩組獨(dú)立觀測(cè)，導(dǎo)線點(diǎn)的兩組坐標(biāo)值誤差不應(yīng)大于中誤差的倍，并取兩組觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為最后成果”。

4 監(jiān)測(cè)方法的精度

《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》（SL 52-2015）中，對(duì)水工隧洞開(kāi)挖的極限誤差的規(guī)定見(jiàn)表5 所示。

表5 水工隧洞開(kāi)挖貫通測(cè)量容許極限

在進(jìn)行貫通測(cè)量設(shè)計(jì)時(shí)，可取極限誤差的1/2 作為貫通面上的貫通中誤差，根據(jù)隧洞長(zhǎng)度，各項(xiàng)測(cè)量中誤差的分配應(yīng)符合表6 的規(guī)定。

表6 貫通測(cè)中誤差分配值

平面監(jiān)測(cè)方法的精度估算：由于洞內(nèi)基本導(dǎo)線，在未貫通時(shí)，都是支導(dǎo)線。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，用支導(dǎo)線端點(diǎn)的點(diǎn)位誤差當(dāng)做橫向貫通中誤差，這當(dāng)然是偏于安全的。根據(jù)《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》（SL 52-93），支導(dǎo)線端點(diǎn)的點(diǎn)位誤差MB計(jì)算公式：

式中：ms——測(cè)距中誤差，mm；

n——邊數(shù)；

mβ——測(cè)角中誤差，"；

ρ——弧度化為秒的乘常數(shù)，單位"，取值為206 265；

L——導(dǎo)線長(zhǎng)度，mm。

此次監(jiān)測(cè)使用的儀器為T(mén)S30 0.5" 測(cè)量機(jī)器人，測(cè)距中誤差ms=±2 mm；總干TBM 隧洞全長(zhǎng)50 km，取平均邊長(zhǎng)S=400 m，支導(dǎo)線為洞長(zhǎng)的一半為25 km，共有n=65 條邊；mβ=1.0"，二等導(dǎo)線測(cè)角精度；L=25 000 000 mm。根據(jù)上面公式算出MB=577 mm，采用交叉雙導(dǎo)線測(cè)量的方法可提高倍精度，則MB=所以，按照二等導(dǎo)線的有關(guān)規(guī)范監(jiān)測(cè)，滿足其各項(xiàng)限差要求，其貫通中誤差為408 mm，小于限差539 mm，能夠達(dá)到精度要求。

5 結(jié)論

本工程采用的監(jiān)測(cè)方法既滿足了工程精度的要求，又為施工單位提供了準(zhǔn)確、可靠的技術(shù)支持。TBM 2 標(biāo)與通風(fēng)支洞長(zhǎng)約17 km 已經(jīng)順利貫通，貫通誤差遠(yuǎn)小于限差要求。在建立長(zhǎng)隧洞洞內(nèi)高精度控制網(wǎng)時(shí)，有以下幾條經(jīng)驗(yàn)可供參考：

第一，洞內(nèi)基本控制網(wǎng)應(yīng)布設(shè)成交叉雙導(dǎo)線，應(yīng)盡量增加有利的多余觀測(cè)，以提高控制網(wǎng)的可靠性；為了避免出現(xiàn)任何形式的誤差和錯(cuò)誤，每隔約2 km，將左右兩條導(dǎo)線進(jìn)行聯(lián)測(cè)和校核。

第二，測(cè)量機(jī)器人測(cè)距精度與溫度、氣壓有密切的關(guān)系，在進(jìn)行洞內(nèi)控制網(wǎng)測(cè)量時(shí)，應(yīng)充分考慮溫度、氣壓對(duì)邊長(zhǎng)改正的影響。

第三，必須把施測(cè)邊長(zhǎng)投影到施工坐標(biāo)系所在的投影面上，尤其是支洞口至隧洞中線點(diǎn)之間必須進(jìn)行邊長(zhǎng)投影。