隧道連續(xù)超短邊方位傳遞技術(shù)

張曉波，粟 劍，孫曉磊，許爾林，任 聰

中鐵二局第二工程有限公司，四川 成都 610037

隧道工程施工，從工程開工一直到工程結(jié)束，均離不開工程測(cè)量工作，隧道工程能否按規(guī)范規(guī)定的允許誤差范圍順利貫通是每個(gè)工程項(xiàng)目管理者和技術(shù)負(fù)責(zé)人重點(diǎn)關(guān)注的問題。過去經(jīng)常出現(xiàn)長隧道貫通時(shí)貫通誤差超限或貫通誤差過大的情況，調(diào)整貫通誤差不但需要消耗大量財(cái)力、物力，而且嚴(yán)重影響了工程工期和單位聲譽(yù)。

要保證長大隧道順利貫通，控制測(cè)量是關(guān)鍵，控制測(cè)量按所處空間位置不同分為洞外控制測(cè)量和洞內(nèi)控制測(cè)量，控制網(wǎng)測(cè)量精度高低將直接決定著隧道貫通誤差大小，洞外、洞內(nèi)控制測(cè)量有著同樣重要的地位。長大隧道工程都位于高山峽谷，自然測(cè)量條件極其困難，洞外選點(diǎn)埋樁難以找到合適位置；隧道洞內(nèi)控制測(cè)量的困難來自施工干擾、自然環(huán)境、設(shè)計(jì)因素等，困難程度大于洞外測(cè)量。因高精度電子水準(zhǔn)儀的應(yīng)用及高程測(cè)量的特點(diǎn)，高程貫通誤差能更好控制且極易達(dá)到精度要求，因此高程控制測(cè)量不在此次研究范疇，該項(xiàng)目中控制測(cè)量均指平面控制測(cè)量。

隨著衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)的普及，鐵路隧道洞外平面控制測(cè)量通常采用衛(wèi)星定位測(cè)量，而洞內(nèi)仍還只能采用精密導(dǎo)線測(cè)量方法。隧道洞外受到GNSS 控制網(wǎng)精度不足的影響，利用全站儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，常出現(xiàn)GNSS 坐標(biāo)反算邊長與全站儀所測(cè)邊長不吻合；洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量可能受到通視距離短及對(duì)中誤差影響、隧道坑壁對(duì)視線造成旁折光影響等，導(dǎo)致隧道貫通誤差過大，引起隧道襯砌侵限，甚至影響軌道平順性，給工程造成較大的經(jīng)濟(jì)損失、留下工程瑕疵產(chǎn)品等不良影響。因此如何提高長大隧道貫通精度，是當(dāng)前急需解決的問題，作為施工輔助的隧道測(cè)量工作，研究的重點(diǎn)是如何克服上述現(xiàn)有的困難條件，提高測(cè)量精度，滿足隧道高精度貫通需要，在保證測(cè)量精度的前提條件下，再考慮如何提高測(cè)量效率、加快測(cè)量進(jìn)度，盡量減少停工配合洞內(nèi)控制測(cè)量的時(shí)間。

該項(xiàng)目從隧道洞外控制網(wǎng)建立、洞內(nèi)控制網(wǎng)的測(cè)量方案及數(shù)據(jù)處理、短邊方位傳遞測(cè)量，經(jīng)過計(jì)算機(jī)仿真模擬網(wǎng)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)驗(yàn)證和在實(shí)際重點(diǎn)工程的成功應(yīng)用，證明該技術(shù)方案不僅能保證所需測(cè)量精度，節(jié)約直接測(cè)量成本，還能減小對(duì)隧道施工工期的影響，節(jié)省隧道施工成本，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1 項(xiàng)目研究背景

1.1 項(xiàng)目依托工程概況（青島地鐵8 號(hào)線海底隧道）

大洋—青島北站區(qū)間線路起自城陽區(qū)的大洋站，沿岙東南路向東下穿河?xùn)|路匝道橋后，在大橋紅島收費(fèi)站東側(cè)入海，區(qū)間下穿膠州灣海域，后接入青島端青島北站。該區(qū)間為青島地鐵8 號(hào)線重要節(jié)點(diǎn)工程，全長約8.1km，穿越海域?qū)挾燃s5.5km，主要采用礦山法和盾構(gòu)法施工（中鐵二局2.5km 礦山法施工，中鐵一局約3km 盾構(gòu)法施工）。為滿足區(qū)間工期要求，共設(shè)置1 座施工斜井。

該工程測(cè)量的難點(diǎn)是隧道洞外控制點(diǎn)邊長短，從隧道外測(cè)入隧道正洞需要連續(xù)經(jīng)過7 條短導(dǎo)線邊，進(jìn)入正洞后到貫通面還有三條短邊，掘進(jìn)距離接近2.5km，方位傳遞精度按傳統(tǒng)測(cè)量方法極難達(dá)到，難以保證隧道高精度貫通。

1.2 國內(nèi)外隧道控制測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

無論是國外或國內(nèi)，長大隧道工程控制測(cè)量工作均分為洞外控制測(cè)量和洞內(nèi)控制測(cè)量兩部分，控制測(cè)量目的是建立洞內(nèi)和洞外控制網(wǎng)，保證長大隧道工程相向開挖的兩個(gè)或多個(gè)工作面能按規(guī)定的精度正確貫通，并使各項(xiàng)建筑物按設(shè)計(jì)位置和幾何形狀修建，不侵入建筑限界。

目前常用的隧道洞外控制測(cè)為GNSS 方法測(cè)量，隧道洞內(nèi)控制測(cè)量因地下隧道所處位置特殊，無法接收衛(wèi)星信號(hào)只能采用導(dǎo)線測(cè)量，目前沒有更好的測(cè)量方法替代，只是在網(wǎng)形的組合及平差方法選取上有差異；導(dǎo)線邊高精度方位傳遞，一般采用高精度陀螺儀定向，除此之外無更好方法。

1.3 項(xiàng)目研究的必要性

控制測(cè)量目的是保證地下隧道工程相向開挖的工作面能按規(guī)定的精度正確貫通，并使各項(xiàng)建筑物按設(shè)計(jì)位置和幾何形狀修建不侵限，符合驗(yàn)收精度要求。各類工程均有相應(yīng)的測(cè)量規(guī)范對(duì)貫通誤差進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定，不同規(guī)范規(guī)定有差異，但由于在進(jìn)行隧道施工時(shí)初支斷面一般擴(kuò)大50mm 施工，為了滿足施工要求將橫向貫通誤差控制在50mm以下。

先按常規(guī)測(cè)量方案使用測(cè)量規(guī)范的貫通誤差預(yù)估公式對(duì)該隧道進(jìn)行貫通誤差預(yù)估，按照測(cè)量設(shè)計(jì)的精度指標(biāo)對(duì)各個(gè)貫通面的貫通誤差進(jìn)行估算。

（1）洞外控制測(cè)量對(duì)橫向貫通誤差的影響計(jì)算。

從以上貫通誤差的估計(jì)結(jié)果可以看出，海域段斜井—分解里程（礦山法與盾構(gòu)法）估算貫通中誤差大于50mm，必須加強(qiáng)措施保證隧道橫向貫通的要求。

2 項(xiàng)目研究主要內(nèi)容

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)隧道洞外GNSS 控制網(wǎng)相對(duì)精度較高，對(duì)隧道貫通誤差產(chǎn)生較大影響的主要源于洞內(nèi)平面控制網(wǎng)。對(duì)洞內(nèi)平面控制網(wǎng)測(cè)量誤差影響源進(jìn)行分析，其影響源主要包括測(cè)量儀器自身的測(cè)量誤差、測(cè)量時(shí)儀器和觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的對(duì)中誤差、隧道坑壁與洞內(nèi)空氣的溫度濕度、對(duì)洞內(nèi)靠近洞壁的觀測(cè)視線造成旁折光等。

目前使用的常規(guī)雙導(dǎo)線網(wǎng)雖然采用了閉合圖形檢核閉合差，但受到隧道坑壁旁折光的影響為系統(tǒng)誤差，不容易察覺，成為洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)誤差的重要影響源，使測(cè)量成果的可靠性受到影響，因此要研究如何減小洞內(nèi)導(dǎo)線旁折光影響。

將導(dǎo)線點(diǎn)設(shè)置在隧道中央，可以最大程度上減少旁折光影響；但在施工繁忙的隧道洞內(nèi)，測(cè)量時(shí)受來往的運(yùn)輸交通車輛影響，控制點(diǎn)無法得到有效保護(hù)發(fā)生位移等使得這個(gè)方案不被采用。

針對(duì)以上問題，通過大量的研究與實(shí)踐提出一種常規(guī)雙導(dǎo)線和“Z”形方案相結(jié)合長大隧道的布網(wǎng)方法，可以有效避開旁折光的影響，見圖1。

圖1 常規(guī)雙導(dǎo)線組合“Z”形方案

具體做法是所有布設(shè)控制點(diǎn)均靠近洞室坑道左右兩側(cè)錯(cuò)開布設(shè)且距離坑道壁1m 以上，呈“Z”形布設(shè)，相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)控制點(diǎn)只在縱向（里程方向）錯(cuò)開幾米即可。實(shí)際證明這種方案既能避免旁折光影響又能避免影響洞內(nèi)交通。

3 針對(duì)連續(xù)短邊長大隧道洞內(nèi)控制網(wǎng)測(cè)量網(wǎng)型研究

通常長大隧道洞內(nèi)控制測(cè)量的方法有常規(guī)雙導(dǎo)線測(cè)量、陀螺儀定向，由中鐵二局集團(tuán)公司測(cè)量中心研究出的多公共轉(zhuǎn)點(diǎn)側(cè)方交會(huì)導(dǎo)線測(cè)量方法連續(xù)傳遞方位已獲專利，見圖2。

圖2 多公共轉(zhuǎn)點(diǎn)側(cè)方交會(huì)

通過研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線控制點(diǎn)距離在100m 以上方位傳遞比較準(zhǔn)確，低于100m 方位逐漸降低，低于50m 方位已經(jīng)明顯變大；而多公共轉(zhuǎn)點(diǎn)側(cè)方交會(huì)在20 ～100m 能比較準(zhǔn)確地傳遞方位，當(dāng)導(dǎo)線邊長大于100m 時(shí)由于導(dǎo)線邊長幾個(gè)棱鏡之間的角度變得很小測(cè)量很難實(shí)施。針對(duì)以上情況，提出了一種新型的雙導(dǎo)線與側(cè)方交會(huì)相結(jié)合的網(wǎng)型方案具體為在大于100m 的邊按常規(guī)雙導(dǎo)線測(cè)量，在小于100m 的短邊用雙導(dǎo)線結(jié)合側(cè)方交會(huì)來測(cè)量其網(wǎng)型，見圖3。

圖3 雙導(dǎo)線與側(cè)方交會(huì)組合網(wǎng)型

為驗(yàn)證這種方法的可靠性特做如下試驗(yàn)：

（1）驗(yàn)證常規(guī)雙導(dǎo)線邊長對(duì)方位傳遞的影響，具體試驗(yàn)方法：先找一處地勢(shì)開闊平坦的場(chǎng)地，確定兩個(gè)固定的控制點(diǎn)A、B（可以假定兩點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行起算）作為方位傳遞的起算方位，模擬隧道常規(guī)雙導(dǎo)線進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過若干站測(cè)量，最后再測(cè)回到這兩個(gè)點(diǎn)，通過測(cè)量平差后檢驗(yàn)最終這兩個(gè)點(diǎn)的方位與起始方位的偏差，從而測(cè)定邊長對(duì)常規(guī)雙導(dǎo)線的影響，見圖4。

圖4 雙導(dǎo)線短邊驗(yàn)證網(wǎng)型

從圖4 中可以看出，BA 為雙導(dǎo)線起始邊從BA 開始測(cè)量按常規(guī)雙導(dǎo)線經(jīng)過若干站后再回到AB 經(jīng)過測(cè)量平差算出A′B′（為了模擬試驗(yàn)，將A′B′當(dāng)作未知點(diǎn)處理）的坐標(biāo)方位，與起始方位進(jìn)行比較。

該試驗(yàn)分別選取三塊不同的場(chǎng)地驗(yàn)證邊長為200m、100m、80m、50m、30m 的雙導(dǎo)線，其驗(yàn)證結(jié)果見表1。

表1 雙導(dǎo)線短邊驗(yàn)證結(jié)果

通過以上驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線控制點(diǎn)距離在100m 以上方位傳遞比較準(zhǔn)確，在無旁折光對(duì)中誤差等因素影響下，傳遞精度高于1″；當(dāng)導(dǎo)線邊長低于100m 時(shí)，方位精度逐漸降低；當(dāng)?shù)陀?0m 時(shí)，方位誤差已經(jīng)明顯變大。

（2）驗(yàn)證常規(guī)雙導(dǎo)線與側(cè)方交會(huì)相結(jié)合新型導(dǎo)線網(wǎng)（組合網(wǎng)型）方位傳遞的可行性，具體試驗(yàn)方法：先找一處地勢(shì)開闊平坦的場(chǎng)地，確定兩個(gè)固定的控制點(diǎn)（可以假定兩點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行起算）作為方位傳遞的起算方位，模擬隧道常規(guī)雙導(dǎo)線和側(cè)方交會(huì)相結(jié)合新型導(dǎo)線網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過若干站測(cè)量，最后再測(cè)回到這兩個(gè)點(diǎn)，通過測(cè)量平差檢驗(yàn)最終這兩個(gè)點(diǎn)的方位與起始方位的偏差，從而測(cè)定邊長對(duì)常規(guī)雙導(dǎo)線的影響，見圖5。

圖5 雙導(dǎo)線與側(cè)方交會(huì)組合驗(yàn)證網(wǎng)型

從圖5 中可以看出，BA 為雙導(dǎo)線起始邊，從BA 開始長于100m 的邊按常規(guī)雙導(dǎo)線測(cè)量，短于100m 的邊按側(cè)方交會(huì)（注意該方案是控制點(diǎn)雙側(cè)側(cè)方交會(huì)，在設(shè)置交會(huì)棱鏡時(shí)要讓棱鏡的距離均勻和兩側(cè)的控制點(diǎn)都要保持一定的角度保證儀器自動(dòng)觀測(cè)能夠順利進(jìn)行），經(jīng)過若干站后再回到AB，經(jīng)過測(cè)量平差算出A′B′（為了模擬試驗(yàn)，將A′B′當(dāng)作未知點(diǎn)處理）的坐標(biāo)方位，與起始方位進(jìn)行比較。該試驗(yàn)分別選取三塊不同的場(chǎng)地分別進(jìn)行測(cè)試，其驗(yàn)證結(jié)果見表2。

表2 雙導(dǎo)線與側(cè)方交會(huì)組合驗(yàn)證結(jié)果

通過以上驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)組合網(wǎng)型（長于100m 用雙導(dǎo)線、短于100m 用雙側(cè)方交會(huì)法）的方位傳遞可靠性較高（在不考慮其他因素影響的情況下高于2″），完全能用于長大隧道的各種長短邊方位傳遞。

根據(jù)青島地鐵8 號(hào)線工程特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制訂了四種洞內(nèi)控制網(wǎng)測(cè)量方案：①多公共轉(zhuǎn)點(diǎn)側(cè)方交會(huì)導(dǎo)線測(cè)量；②常規(guī)雙導(dǎo)線測(cè)量；③第三方陀螺儀定向測(cè)量；④雙導(dǎo)線與多公共轉(zhuǎn)點(diǎn)側(cè)方交會(huì)組合網(wǎng)型。經(jīng)檢測(cè)洞外控制點(diǎn)穩(wěn)定可靠，因此采用已知點(diǎn)進(jìn)行約束平差計(jì)算洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)成果。四種網(wǎng)型測(cè)量結(jié)果比較見表3。

表3 各種網(wǎng)型結(jié)果比較

從表3 中可以看出，多公共點(diǎn)側(cè)方交會(huì)的方位測(cè)量結(jié)果、雙導(dǎo)線與多公共點(diǎn)側(cè)方交會(huì)組合網(wǎng)型的方位測(cè)量結(jié)果與地鐵第三方檢測(cè)單位加入陀螺定向測(cè)量計(jì)算的成果都非常接近，而現(xiàn)場(chǎng)施工單位采用常規(guī)的導(dǎo)線測(cè)量方法得到的方位結(jié)果，與這二種方法就出現(xiàn)12s 左右的差異。截至目前，過海隧道海域段左右線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高精度貫通，橫向貫通誤差在30mm 以下。

4 結(jié)束語

通過研究該項(xiàng)目，總結(jié)并提煉出了一套提高隧道尤其是有短邊及連續(xù)短邊的長大隧道控制測(cè)量方位傳遞技術(shù)，通過多次測(cè)試和驗(yàn)證，在青島地鐵8 號(hào)線過海隧道斜井（10對(duì)短邊）成功應(yīng)用。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，該技術(shù)不但能提高隧道控制網(wǎng)測(cè)量精度，確保隧道高精度貫通，還能提高測(cè)量效率，避免因貫通誤差超限或過大帶來的經(jīng)濟(jì)和工期損失，直接效益和隱形效益顯著提高。