激光導向系統(tǒng)在超長輸水隧洞TBM施工高精度測量控制中應用

袁 偉

(遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧 沈陽 117200)

TBM施工的隧洞貫通精度問題是隧洞施工的關鍵技術之一[1]。大伙房水庫輸水工程主體是一條長達85.32km的世界第一長隧洞，隧洞施工以TBM工法為主，最大相向貫通長度達13.8km，超出了現行規(guī)范中給出的最大相向貫通長度僅為10km的范圍。如何確定極限貫通誤差，如何實現高精度貫通，是亟待解決的科學問題[2- 4]。隨著我國大型跨流域調水工程的實施及公路鐵路事業(yè)的蓬勃發(fā)展，超長隧洞會越來越多。TBM應用于超長隧洞中是一大趨勢，已成為隧洞工程施工的主要方法之一[5- 14]。目前TBM施工超長隧洞在貫通測量方面可借鑒的工程經驗不多，也無相關的規(guī)程、規(guī)范。為此以大伙房輸水隧洞為工程實例，探討激光導向系統(tǒng)在其隧洞TBM施工中高精度控制測量中的應用，并對其問題進行分析，研究成果可為TBM施工超長隧洞在貫通測量方面提供了成功的經驗和借鑒，為TBM施工超長隧洞的布置、設計提供了重要依據，也為建設更長隧洞工程的貫通測量控制技術進行了有益的探索，這必將有利地推進隧洞施工技術的進步。

1 輸水隧洞貫穿測量控制誤差估算公式及誤差標準

1.1 貫通誤差估算公式

橫向和豎向貫通誤差使影響隧洞貫穿精度的重要衡量指標，為此本文對這兩個方向貫穿的誤差進行估算，方程為：

(1)

(2)

(3)

式中，myβ—測量貫通面所產生的橫向誤差值，mm；myl—測量貫通面由于距離測定所產生的橫向誤差值，mm；mβ—測量控制導線的角度測量誤差，(″)；ml/l—測量控制導線的對中邊線的誤，mm；Rx、dy—貫穿斷面測量垂向和投影距離，mm；n—次數。豎向貫通誤差計算方程和橫向誤差一致。

洞外和洞內測量高程對豎向貫通影響誤差的估算方程為：

(4)

(5)

(6)

式中，mh、m′h—洞外和洞內測量高程所產生的誤差，mm；MΔ、MΔ′—洞外和洞內測量不同高程差之間的誤差；L、L′—洞內和洞外不同水準路線洞間的長度，km。

由于在隧洞未貫通時為了簡化洞內的基本導線，將導線端點之間的誤差作為貫通橫向測量誤差，因此這樣計算較為安全，考慮到超長隧洞的實際情況，對傳統(tǒng)貫通橫向測量誤差進行改進，提出改進后的誤差計算方程為：

(7)

式中，mb—貫通橫向高程測量誤差，mm；ms—測量誤差均值，mm；n—測量導線的數目；mβ—測量誤差的角度，(″)；ρ—固定值，本文取值為206250；L—導向的總長度，mm；h—測量導向的起點與終點之間的高程差值，mm。

1.2 貫通誤差分配標準

單向掘進長度在SL52—93《水利水電工程施工測量規(guī)范》中還沒有作出其極限貫通誤差限差的規(guī)定，屬超長隧洞。針對大伙房超長輸水隧洞的實際工程概況，對超長輸水隧洞極限貫穿誤差及分配值提出相對應的要求，見表1—2。

表1 水工隧洞開挖極限貫通誤差

表2 貫通中誤差分配值表

2 測量導線的布設

2.1 基本導線點的布設

導線點的基本位置主要安裝在隧洞兩側的巖壁上，導線標石為澆筑的混凝土基巖平臺，隧洞基巖低于周圍平臺的高度在5～10cm之間，在平臺的中部區(qū)域布置一根不銹鋼錨筋，錨筋進入巖石的深度為20cm，點位標志設定為錨筋外露區(qū)域的0.5cm處，在上面進行護蓋方式進行保護，以免施工中損壞點位標志，具體布設的方式如圖1所示，大伙房輸水隧洞測量導線布置現場如圖2所示。

圖1 基本導線點埋設示意圖

圖2 大伙房輸水隧洞二期工程測量導線布置現場

2.2 施工導線的布設

結合隧洞內部實際情況對貫通導線點進行設定，主要布設在隧洞中心軸線上，為了便于檢驗，將隧洞內布設的施工導線按多環(huán)導向進行布設，按照隧洞內部的通視條件對相似的長邊導線進行布設，直線間距高于300m，導線段邊的曲線長度高于80m。

隧洞內導線布設主要是對施工進行指導，對隧洞軸線進行間斷性的延伸，在基礎導向基礎上進行導向的加密操作，間隔為50m左右進行埋點的布設。同時結合隧洞內部工程的實際情況可靈活機動的選取的布設的方式，基本導線和相鄰埋點基本重合，上一個導線基本點主要用于施工導線的測量，注意對施工導線基本點的復核和校對工作。

基本導線和高程的標石具有一致性，三角光電測距和基本導線點采用同步觀測方式，不同層次導線具有確切的編號，在隧洞巖壁上劃定明顯的標志，方便施工中確定標記。對導線點的樁號和偏離坐標值進行成果計算和導出，并結合現場施工情況進行修訂。

2.3 閉合環(huán)處理

(1)控制點設定：采用鋼結構作為閉合導線的控制節(jié)點，鋼結構受溫度影響具有一定的韌性和伸縮性，由于隧洞常年溫度可控制在11℃左右，因此隧洞內部的鋼結構受溫度影響較低，為了對控制點鋼結構的穩(wěn)定性進行檢定，需要定期對其穩(wěn)定性進行復測，通過復測表明各控制點的坐標一直低于1mm，滿足精度的要求。

(2)閉合環(huán)設定：采用交叉觀測的方式對隧洞內部折光影響進行消除，并在隧洞外部到貫通面之間布設4個導線閉合環(huán)。

(3)加乘修正測量導線的邊長，將所有投影改正后的導線邊長的高程統(tǒng)一到211.9m，采用南方平差軟件進行高程的平差處理，各閉合導線的平差誤差見表3。

表3 各閉合環(huán)平精度表

3 TBM激光導向系統(tǒng)

3.1 基本原理

采用激光導向系統(tǒng)對隧洞主體掘進速度和主軸方向進行準確控制，按照設計規(guī)范對主軸導向方向的測量誤差進行標準化處理，并需要及時復勘檢查隧洞內部的控制點位，隧洞主體掘進方向按照設計軸線方向進行精準控制。在隧洞TBM掘進工程中，采用激光導向系統(tǒng)對其主要控制點進行連續(xù)調整和修正，為保證激光導向系統(tǒng)的控制測量的精準性，導向的高精測量主要采用TCA1800型機器人全站儀進行控制。

在TBM掘進裝置上安裝激光導向系統(tǒng)，控制TBM掘進的方向和設計導向具有高度一致性，對激光導向系統(tǒng)的坐標數據采用傳統(tǒng)測量方法進行采集，激光導向系統(tǒng)可實現導線方向中心線以及軸線設計位置進行連續(xù)、高密度提取，并將偏差數據進行軟件終端的顯示，如圖3所示，這樣有助于施工人員對掘進位置及時效性進行準確控制。施工人員按照軟件顯示的數據偏差對TBM掘進方向進行調整。

采用激光導向系統(tǒng)可實現TBM掘進數據的連續(xù)輸出和自動導出，采用激光導向系統(tǒng)進行導向控制的成本較低，并能實現高精準的測量控制，按照軸線設計范圍內的偏差進行TBM掘進方向的高精度測量以及導向的準確把控。

圖3 激光導向系統(tǒng)的TBM導線數據顯示

3.2 激光導向系統(tǒng)的測量控制方法

激光導向系統(tǒng)主要結合隧洞邊墻上通過激光站發(fā)送的數據進行坐標信息的采集，并將采集的坐標信息和導向控制單元進行數據傳送和關聯單元的有效控制。

激光束對水平夾角、測量目標單元、軸線方向的缺陷光影度、左右偏向轉交、目標單元的坐標信息、水平測量單元之間的距離進行測定，將數據信息通過數據電纜采集到計算器控制終端，對輸水隧洞軸線控制單元數據進行分析后，對安裝軸線和導向方向之間的偏差進行把控，對TBM刀盤位置偏差進行準確分析，施工人員依據此偏差數據對TBM掘進方向進行調整。

隨著隧洞主體掘進工程的不斷進行，激光導向系統(tǒng)與目標單元之間用電纜進行連接，當控制單元和激光導向系統(tǒng)之間的距離在100～250m范圍內時，對控制單元的位置進行安裝前置。激光導向系統(tǒng)對隧洞內外的中繼目標單元、調制設備進行傳輸聯機，對測量數據應用電腦終端進行采集，并對TBM的所在的位置進行分析，對數據進行逐一采集，不同數據單元之間采用并聯串口進行連接，將采集的數據導入到激光導向系統(tǒng)內，對出現故障的區(qū)域進行準確定位。

4 TBM激光導向系統(tǒng)測量控制實例分析

4.1 工程實際貫穿精度分析

為分析激光導向系統(tǒng)在超長隧洞測量控制中的精度，結合大伙房輸水工程二期建設項目為實例，對其中3個標段的主體隧洞貫穿精度進行試驗分析，結合前面敘述的貫穿精度分析方法對其不同方向的貫穿誤差進行分析，3個標段的貫穿精度分析結果見表4—6。

表4 大伙房輸水工程二期第一標段貫通精度

表5 大伙房輸水工程二期第二標段貫通精度

表6 大伙房輸水工程二期第三標段貫通精度

第一個標段為雙向貫通長度達13.8km(含主支洞)，TBM單向掘進長度10.7km，從支洞口至貫通面測量導線長12.3km。洞內平面控制等級采用二等導線，洞內高程控制等級采用三等幾何水準。第二個標段支洞之間為雙向貫通，長度達10.3km(含主支洞)，第三個標段，雙向貫通長度達9.5km(含主支洞)，從三個標段的貫通誤差精度可看出，采用激光導向系統(tǒng)對其貫穿進行高精度測量控制后，TBM施工的橫向、豎向、縱向均可滿足表2中不同支洞長度的分配許可值要求的精度，且均小于要求的許可誤差，具有較高的貫穿精度。

4.2 TBM軸線方向測量誤差分析

在貫穿精度分析的基礎上，對采用激光導向系統(tǒng)控制TBM掘進軸線的點位中誤差進行分析，分析結果見表7。

從分析結果可看出，在不同軸線方位角內，采用激光導向系統(tǒng)測量的軸線點位中誤差均在0.010m范圍內，符合SL52—93《水利水電工程施工測量規(guī)范》要求的輸水隧洞掘進軸線點位中誤差的要求，可見采用激光導向系統(tǒng)在大伙房輸水二期工程中軸線定位具有較好的測量和控制，這主要是因為激光導向系統(tǒng)可實現導線方向中心線以及軸線設計位置進行連續(xù)、高密度提取，并將偏差數據進行軟件終端的顯示，施工人員可按照此偏差數據調整TBM的掘進方向，從而確保軸線點位高精度測量控制。

表7 激光導向系統(tǒng)下TBM掘進軸線的點位中誤差

4.3 影響TBM掘進偏差的因素及解決方法

(1)系統(tǒng)無法對隧洞圓形開挖斷面進行施工和控制測量之間的偏差進行控制。采取的解決措施為：在主導線網內部布設電子全站儀，并加密觀測的次數，是全站儀對坐標數據進行多次點位的采集，采用水準儀對高程數據進行反復測定，從而控制測量的精準度，為TBM的導向精準度提高重要的基礎。

(2)施工現場環(huán)境對信息干擾大，使得儀器無法正常工作。

(3)施工現場濕度大，使得電動全站儀無法反射棱鏡。采取的解決措施為為保證除塵和通風系統(tǒng)的良好運行，遇到特殊情況需要暫停TBM的現場施工，并加大通風系統(tǒng)，將電動經緯儀與兩個棱鏡之間的距離控制在70m之間，采用有線連接的方式對原TBM的無線連接進行替代，使得采集的數據能夠傳遞保持通暢。

(4)對于TBM所在位置的采集。在工程施工過程中，由于設備自振和工程施工灰塵的影響，使得數據采集穩(wěn)定性較差，在TBM啟動和換步過程之間屬于較為穩(wěn)定的情況，這一階段數據采集較為精準。解決的措施主要為采集的數據用于TBM開挖質量分析，可對TBM的開挖斷面情況進行基本反映。

5 結語

(1)在采用激光導向系統(tǒng)進行超長輸水隧洞TBM施工測量工程時，應采用雙向閉合導線，隧洞掘進中導線網每六個點組成一個閉合環(huán)并進行平差計算，及時為TBM提供準確的坐標數據，使TBM的激光導線系統(tǒng)按照準確的設計軸線進行掘進。

(2)激光導向系統(tǒng)在隧洞規(guī)則表面進行應用時，其方向準確度較高，由于方向偏差產生的TBM導向誤差現象不會產生，但測定表面出現不規(guī)則現象，則表明調整方向偏差過大，應及時進行方向調整和偏移值的重新設定。

(3)采用雙后盾掘進中，由于TBM掘進的定向問題，使得控制測量較難，如何實現超長輸水隧洞雙后盾掘進高精度測量是以后需要深究的方向。