長(zhǎng)大隧道施工測(cè)量若干問題研究

閆驍愷

（中化學(xué)交建集團(tuán)山東省公路工程技術(shù)研究中心有限公司，山東濟(jì)南 250200）

0 引言

長(zhǎng)大隧道是指單座隧道洞門長(zhǎng)度在5000m 以上的隧道。國(guó)內(nèi)常見的有秦嶺終南山隧道，全長(zhǎng)18.4km；烏鞘嶺隧道，全長(zhǎng)20.05km；大瑤山隧道，全長(zhǎng)14.29km。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，隧道測(cè)量技術(shù)也有了較大的進(jìn)步，主要在自動(dòng)化程度方面有了很大提高，測(cè)量過程中使用的設(shè)備質(zhì)量有所提高而體積有所縮小，測(cè)量的效率以及速度都有了較大程度的提高。針對(duì)測(cè)量實(shí)際工程以及大地層面，其中比較典型的發(fā)展代表是GPS 以及全站儀的普遍使用，同時(shí)將計(jì)算機(jī)技術(shù)和以上兩種技術(shù)相互結(jié)合應(yīng)用在實(shí)踐中。

隧道測(cè)量技術(shù)是指針對(duì)隧道勘察設(shè)計(jì)、施工和竣工驗(yàn)收以及隧道運(yùn)營(yíng)期間所開展的有關(guān)測(cè)量活動(dòng)，這些測(cè)量工作有些與通常意義上的工程測(cè)量有關(guān)，如隧道施工控制測(cè)量、貫通測(cè)量、放樣測(cè)量、斷面測(cè)量等，有些與地質(zhì)勘察和災(zāi)害監(jiān)測(cè)有關(guān)，如隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)和變形監(jiān)測(cè)，還有一些與工程質(zhì)量檢測(cè)有關(guān)，如混凝土厚度檢測(cè)、混凝土質(zhì)量檢測(cè)、隧道襯砌背后回填檢測(cè)、運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)表面狀態(tài)檢測(cè)。

1 控制測(cè)量

隧道的控制測(cè)量精度質(zhì)量對(duì)減小隧道橫向和高程貫通誤差、保障洞口內(nèi)外的準(zhǔn)確接線有著舉足輕重的影響，為保證隧洞在允許精度內(nèi)貫通，首先要分別對(duì)洞內(nèi)、洞外平面和高程控制測(cè)量方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，在未貫通前對(duì)已施測(cè)的測(cè)量成果進(jìn)行相應(yīng)的精度估算，采取合理的方案保證控制測(cè)量精度，以高質(zhì)量的測(cè)量成果指導(dǎo)施工測(cè)量放樣保證工程順利完成。

1.1 平面控制測(cè)量方案設(shè)計(jì)

洞外控制網(wǎng)布設(shè)。在設(shè)計(jì)分布平面GPS 控制網(wǎng)的過程中，需要把GPS 觀測(cè)對(duì)控制位置附近環(huán)境提出的要求以及控制隧道線路洞口和平面的需求考慮在內(nèi)，GPS 控制網(wǎng)的構(gòu)成主要包括洞口子控制網(wǎng)以及不同子控制網(wǎng)之間的聯(lián)系網(wǎng)。組成洞口子網(wǎng)的網(wǎng)型主要是具有相對(duì)較高強(qiáng)度的網(wǎng)型，比如中點(diǎn)多邊形、大地四邊形等，控制子網(wǎng)之間互相進(jìn)行通視的邊則主要選擇使用GPS 直接觀測(cè)基線；土層聯(lián)系網(wǎng)的全部都是三角網(wǎng)。在設(shè)置洞口位置時(shí)，需要將兩個(gè)方面因素作重點(diǎn)考慮，首先設(shè)置洞口位置后，視豎直角不可超過5度；其次洞口設(shè)置完成后，保障至少兩個(gè)后視點(diǎn)可以相互通視[1]。

布局設(shè)置隧洞之內(nèi)的平面控制網(wǎng)。在設(shè)計(jì)布局隧道內(nèi)導(dǎo)線時(shí)，需要基于隧洞外的控制測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)與隧洞之內(nèi)的施工特點(diǎn)相結(jié)合。隧洞內(nèi)部的導(dǎo)線需要選擇的起始位置為洞口控制位置，在線路中，沿線需要設(shè)計(jì)分布的測(cè)量導(dǎo)線要求分為兩組，從而構(gòu)成多邊形閉合導(dǎo)線環(huán)。在地下平面控制網(wǎng)布設(shè)中，導(dǎo)線一般布置成直伸導(dǎo)線閉合環(huán)、主副導(dǎo)線閉合環(huán)、全導(dǎo)線網(wǎng)以及自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)的形式，如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

圖1 直伸導(dǎo)線閉合環(huán)

圖2 主副導(dǎo)線閉合環(huán)

圖3 全導(dǎo)線網(wǎng)

圖4 自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)

直伸導(dǎo)線閉合環(huán)或主副導(dǎo)線閉合環(huán)，有利于減少導(dǎo)線的橫向點(diǎn)位誤；盡量使導(dǎo)線沿垂直于貫通面的方向延伸，有利于減少測(cè)距誤差對(duì)橫向貫通的影響；盡可能采取長(zhǎng)邊，有利于減弱測(cè)角誤差對(duì)橫向精度的影響。然而，直伸導(dǎo)線閉合環(huán)或主副導(dǎo)線閉合環(huán)也存在一定問題，其網(wǎng)型強(qiáng)度不高[2]。

全導(dǎo)線網(wǎng)檢核條件較多，網(wǎng)型強(qiáng)度大，能很好地提高點(diǎn)位精度，對(duì)貫通精度增益大，但其網(wǎng)型復(fù)雜，工作強(qiáng)度大。

自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)不僅能夠有效減少旁折光的影響，無需考慮其中誤差，而且點(diǎn)位精度均勻。

1.2 隧道橫向貫通誤差預(yù)計(jì)

在設(shè)計(jì)隧道工程的期間，就要求預(yù)先估計(jì)預(yù)先設(shè)計(jì)的測(cè)量方式以及相關(guān)方案的誤差，在對(duì)該方案能否達(dá)到工程精度要求進(jìn)行判斷時(shí)，主要借助估算誤差所形成的貫通誤差完成，根據(jù)判斷的結(jié)果，對(duì)測(cè)量的方式以及相關(guān)方案及時(shí)進(jìn)行修正[3]，如表1所示隧道貫通誤差要求。

表1 橫向貫通誤差精度技術(shù)要求

對(duì)于隧道橫向貫通誤差預(yù)計(jì)，可以從洞外控制測(cè)量、洞內(nèi)控制測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行研究。導(dǎo)致洞外控制測(cè)量形成貫通誤差的主要因素有三個(gè)：測(cè)角誤差myβ上、量邊誤差myl上和洞口兩端起始方位角誤差mya。

式(1)中：mβ上為地面導(dǎo)線的測(cè)角中誤差；為導(dǎo)線邊長(zhǎng)的相對(duì)中誤差；為導(dǎo)線點(diǎn)至貫通面的垂直平方和；為各導(dǎo)線邊在貫通面上的投影長(zhǎng)度平方的總和；mα1、mα2為隧道洞口兩個(gè)端口起始邊方位角誤差；R1、R2為隧道洞口兩個(gè)端點(diǎn)位置到貫通面之間垂直方向的距離[4]。

橫向貫通誤差的產(chǎn)生原因?yàn)槎磧?nèi)控制測(cè)量誤差：

式(2)中的含義與式(1)相同，在實(shí)踐中討論最廣泛也至關(guān)重要的是橫向誤差。在橫向誤差比相應(yīng)的限度范圍更大的情況下，就會(huì)導(dǎo)致隧道中線幾何形狀發(fā)生變化，更影響著隧道洞之內(nèi)的建筑物還會(huì)對(duì)規(guī)定的界限進(jìn)行入侵，致使需要將襯砌部分拆除，再次建設(shè)，因此會(huì)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)損失。

2 監(jiān)測(cè)隧道形狀的變化

隧道在使用與運(yùn)營(yíng)過程中會(huì)產(chǎn)生變形，如拱頂下沉、隧道收斂等。了解變形，研究其產(chǎn)生的根源、特征及其隨空間與時(shí)間的變化規(guī)律，加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)工作，避免或盡可能減少損失，是變形觀測(cè)的主要任務(wù)。變形測(cè)量是利用專用的儀器和方法對(duì)變形體的變形現(xiàn)象進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)、對(duì)變形體變形性態(tài)進(jìn)行分析和對(duì)變形體變形的發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)等各項(xiàng)工作的總稱。其任務(wù)是確定在各種荷載和外力作用下，變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態(tài)和時(shí)間特征。

2.1 隧道變形監(jiān)測(cè)技術(shù)方法

變形監(jiān)測(cè)具有觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、精度要求高、需重復(fù)觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理方法嚴(yán)密等特點(diǎn)。測(cè)量等級(jí)及精度取決于變形觀測(cè)目的、變形觀測(cè)體的級(jí)別以及預(yù)計(jì)變形量的“必要精度”。變形觀測(cè)周期應(yīng)以能系統(tǒng)反應(yīng)觀測(cè)變形體的變形過程且又不遺漏其變化時(shí)刻為原則，應(yīng)根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)變形量的大小及外界因素的影響程度來確定。

變形監(jiān)測(cè)是一種精密的測(cè)量技術(shù)，變形觀測(cè)方法與測(cè)量?jī)x器的發(fā)展密切相關(guān)，其觀測(cè)的基本方法以下幾種。

大地測(cè)量法：經(jīng)過劃分后該種方式又包括空間大地以及常規(guī)大地測(cè)量方式。其中，常規(guī)大地測(cè)量方式中又有三角高程測(cè)量、幾何水準(zhǔn)測(cè)量、交會(huì)以及導(dǎo)線測(cè)量方式。雖然該種方式測(cè)量獲取的結(jié)果具有更高的精準(zhǔn)度，同時(shí)應(yīng)用相對(duì)更加靈活，存在該方面的優(yōu)勢(shì)，然而在野外工作時(shí)容易受到外部環(huán)境的干擾，工作總量較大，所以在進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及連續(xù)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化上比較困難。

攝影測(cè)量法：近景攝影測(cè)量，這種方式能夠測(cè)量豐富的信息量，同時(shí)在外部環(huán)境中工作相對(duì)更加容易，能夠適用于大面積復(fù)測(cè)，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)觀測(cè)，然而該方式獲取的結(jié)果精度相對(duì)較低。

專用設(shè)備法：專用設(shè)備包括各種準(zhǔn)直儀、傾斜儀、液體靜力水準(zhǔn)儀、微水準(zhǔn)器和應(yīng)力計(jì)等，該法最大特點(diǎn)是相對(duì)精度高，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連測(cè)和遙測(cè)，但測(cè)量范圍較小，適用于提供局部形變信息的變形觀測(cè)[5]。

2.2 變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)

變形觀測(cè)的控制以創(chuàng)建變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)為基礎(chǔ)。因?yàn)檎麄€(gè)工程涉及的范圍、對(duì)精度方面的要求、所處的環(huán)境以及工程量等方面都存在差異，在實(shí)踐中應(yīng)建立不同的變形控制網(wǎng)。如果在允許的條件下還能借助于施工控制網(wǎng)，變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)需要選取應(yīng)用專用的控制網(wǎng)。進(jìn)行變形測(cè)量，主要以變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)作為參考，在對(duì)變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)布局的過程中需要將變形觀測(cè)周期內(nèi)的穩(wěn)定性、可靠性考慮在內(nèi)，同時(shí)還要考慮到使用的便利性。

由于施工中外部環(huán)境比較復(fù)雜，而且受到施工條件的影響，因此隨著變形體的發(fā)展變化需要及時(shí)修正變形測(cè)量設(shè)計(jì)的方案，從而使形狀發(fā)生改變之后能夠適應(yīng)新的改變。需要對(duì)對(duì)象發(fā)生改變的狀態(tài)進(jìn)行全方位的掌握和了解，而且還要求同步完成地上形變和地下形變的監(jiān)測(cè)。

在選擇布局控制網(wǎng)的形式時(shí)，要求結(jié)合變形觀測(cè)精度要求、變形體附近的環(huán)境以及相關(guān)的儀器裝置，在相同的測(cè)區(qū)內(nèi)進(jìn)行全面化的考慮，借助于估算精度或改善設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行確定。

選擇使用統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)或高程系統(tǒng)作為控制網(wǎng)。通常情況下，選擇使用一級(jí)布網(wǎng)，盡可能的做到圖形簡(jiǎn)單，具有較小的傳遞誤差。如果測(cè)量范圍大或者觀測(cè)位置相對(duì)分散，針對(duì)一個(gè)范圍內(nèi)要求的觀測(cè)精度存在區(qū)別的情況下，就可以單獨(dú)完成首級(jí)網(wǎng)以及加密網(wǎng)的布局設(shè)計(jì)，加密網(wǎng)也可以選擇使用區(qū)域范圍的獨(dú)立網(wǎng)，如圖5所示。

圖5 變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)

2.3 選擇基準(zhǔn)點(diǎn)

針對(duì)建筑物上一系列比較典型的位置，再次進(jìn)行觀測(cè)，從而對(duì)點(diǎn)位的改變量進(jìn)行對(duì)比就是變形觀測(cè)，由此能夠發(fā)現(xiàn)，變形監(jiān)測(cè)不但要在建筑物上設(shè)置位置，同時(shí)還需要選擇一部分參照點(diǎn)作為基準(zhǔn)。以上這些位置主要借助于相應(yīng)的關(guān)系以及幾何圖形進(jìn)行連接，從而形成變形觀測(cè)系統(tǒng)。

不管是平面控制網(wǎng)還是高程控制網(wǎng)，通常情況下，構(gòu)成一個(gè)觀測(cè)區(qū)的位置共有三種，分別是工作基點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)、觀測(cè)點(diǎn)。對(duì)變形觀測(cè)位置進(jìn)行直接測(cè)量的參考就是工作基點(diǎn)，對(duì)建筑物空間位置發(fā)生移動(dòng)進(jìn)行反映的標(biāo)志就是觀測(cè)點(diǎn)。通常情況下，設(shè)計(jì)的觀測(cè)點(diǎn)至少為三個(gè)，穩(wěn)定可靠的基準(zhǔn)點(diǎn)的小測(cè)區(qū)的設(shè)計(jì)能夠低于三個(gè)，只需要對(duì)相對(duì)位移量的觀測(cè)范圍進(jìn)行測(cè)定，能夠設(shè)計(jì)布局固定的或者臨時(shí)性的觀測(cè)位置，不需要對(duì)位置的穩(wěn)定性過分強(qiáng)調(diào)。工作基點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)通常會(huì)形成首級(jí)網(wǎng)，而變形觀測(cè)位置及工作基點(diǎn)共同組成次級(jí)控制網(wǎng)。

工作節(jié)點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，除了要達(dá)到可靠性和穩(wěn)定性的要求外，還需要將合理性與經(jīng)濟(jì)性考慮在內(nèi)，能夠在一個(gè)控制位置完成其他目標(biāo)點(diǎn)的觀測(cè)。

3 結(jié)語

本文通過分析隧道工程施工測(cè)量相關(guān)資料并參考所學(xué)工程測(cè)量相關(guān)知識(shí)，系統(tǒng)分析了隧道施工測(cè)量各個(gè)階段所用的測(cè)量技術(shù)方法，并對(duì)各種方法的特點(diǎn)進(jìn)行比較分析，再綜合考慮其他因素，如施工環(huán)境、施工技術(shù)的工藝特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性等因素，選擇出比較適合的施工與測(cè)量的技術(shù)方法。

從隧道施工控制網(wǎng)的布設(shè)和橫向貫通誤差的預(yù)計(jì)到隧道變形監(jiān)測(cè)均進(jìn)行了歸納總結(jié)，針對(duì)施工過程提出需要注意的問題，在整個(gè)測(cè)量施工過程中起到指導(dǎo)性作用，從而為其他隧道設(shè)計(jì)工作人員提供標(biāo)準(zhǔn)參考。