隧道施工測量方法精度及適用性分析

曾致，劉恒

（1.西安市勘察測繪院，陜西 西安 710054；2.中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

近年來，隨著我國隧道工程技術(shù)水平的提升，隧道測量技術(shù)和測量儀器得到了長足發(fā)展，也使測量技術(shù)在自動化、測量儀器以及效率等方面大幅度提高［1-2］。而新興技術(shù)GPS和全站儀的廣泛應(yīng)用以及交叉融合，使測量工作范圍越來越廣，也對隧道質(zhì)量建設(shè)帶來了新的發(fā)展。另外隧道測量技術(shù)的多樣化、動態(tài)化以及安全可靠，克服了隧道施工中不穩(wěn)定因素的影響，成為隧道建設(shè)不可或缺的關(guān)鍵［3-4］。但同時，在實(shí)際施工測量放樣技術(shù)中，測量工作會受到隧道內(nèi)外各種因素的影響，使放樣精度大大減弱，對隧道建設(shè)造成一定影響。本論述針對隧道工程施工的測量放樣方法，深入分析隧道平面控制測量、高程控制測量以及隧道貫通誤差的注意事項(xiàng)，在此基礎(chǔ)上布設(shè)施工測量控制網(wǎng)，并利用平差軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從精度和適用性兩方面對測量技術(shù)進(jìn)行綜合分析，這對提高國內(nèi)隧道測量技術(shù)的認(rèn)識和了解具有一定意義。

1 隧道外平面測量

在隧道施工測量工作中，進(jìn)行隧道開挖時，需要建立符合設(shè)計(jì)要求和精度的平面控制網(wǎng)，這成為隧道洞內(nèi)施工放樣的依據(jù)；較短隧道，不需要布設(shè)控制網(wǎng)，主要以隧道中線精確放樣，符合設(shè)計(jì)要求后，作為引測進(jìn)洞的依據(jù)，而較長隧道工程則主要依據(jù)GPS網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)［5-8］。

1.1 精密導(dǎo)線法

精密導(dǎo)線網(wǎng)如圖1所示，四等精密導(dǎo)線網(wǎng)應(yīng)該根據(jù)精度指標(biāo)、地形條件和網(wǎng)型等因素確定，其由正副導(dǎo)線組成平面控制網(wǎng)，主導(dǎo)線應(yīng)沿兩洞口中線方向布設(shè)。其中點(diǎn)1和點(diǎn)8為洞口的導(dǎo)線點(diǎn)，其他的點(diǎn)布設(shè)在洞頂，兩洞口組成多邊形閉合導(dǎo)線環(huán)，從而在隧道洞口間建立平面控制網(wǎng)。控制網(wǎng)導(dǎo)線邊的相鄰比為1∶3，邊長不短于300 m來限制誤差積累；用測回法或者方向觀測法觀測水平角，往返測分別按奇、偶數(shù)觀測左右角，這樣能更好地發(fā)現(xiàn)誤差并削弱或消除誤差；導(dǎo)線內(nèi)業(yè)計(jì)算時，保證觀測成果滿足要求，再通過科傻軟件進(jìn)行嚴(yán)密平差。

圖1 精密導(dǎo)線網(wǎng)

注意事項(xiàng)：

（1）導(dǎo)線點(diǎn)位置的選擇。在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，需要考慮實(shí)地情況。控制樁要可靠穩(wěn)定，施測制度完善，能長久使用?？刂泣c(diǎn)與洞口點(diǎn)高差不應(yīng)相差太大，點(diǎn)間距離應(yīng)不小于300 m。

（2）導(dǎo)線網(wǎng)施測需聯(lián)測隧道洞口點(diǎn)以及洞外中線樁，作為進(jìn)洞的依據(jù)。其中，在曲線隧道中，應(yīng)該處理好直線與曲線的銜接，以及聯(lián)測洞外路線。施測所得的結(jié)果處理后應(yīng)該與設(shè)計(jì)相差不大，否則會加大隧道貫通誤差，導(dǎo)致隧道貫通銜接出錯。

（3）對隧道貫通誤差產(chǎn)生最大影響的因素是測角、測距精度降低和各種誤差積累，有效提高各項(xiàng)精度可減少貫通誤差的影響。

（4）測量導(dǎo)線視線應(yīng)禁止靠近地物延伸，當(dāng)導(dǎo)線樁施測應(yīng)考慮視線穿過溫度突變地域。所有的導(dǎo)線點(diǎn)應(yīng)該在隧道中線上或者接近中線。

（5）布設(shè)導(dǎo)線控制點(diǎn)應(yīng)減弱周圍建筑物的影響，削弱水平角觀測誤差，導(dǎo)線控制網(wǎng)應(yīng)避免在不利因素下觀測。

1.2 三角鎖法

當(dāng)隧道較長，地貌不便用精密導(dǎo)線法作洞外平面控制測量，常采用三角鎖法測量［9］。三角鎖控制測量，主要是三角網(wǎng)點(diǎn)位置的布設(shè)，要求三角網(wǎng)形剛強(qiáng)簡單。隧道三角網(wǎng)延伸應(yīng)布設(shè)成與線路同方向，隧道全長及進(jìn)、出洞口點(diǎn)均在控制測量范圍內(nèi)，三角點(diǎn)布設(shè)均勻，并要考慮到測角、測距簡單和誤差最小。三角鎖網(wǎng)如圖2所示，1為進(jìn)洞口的控制點(diǎn)，8為出洞口的控制點(diǎn)，其他點(diǎn)布設(shè)在洞外，構(gòu)成了閉合的四等三角鎖。

圖2 三角鎖網(wǎng)

注意事項(xiàng)：

（1）三角鎖應(yīng)沿兩洞口的連線方向布設(shè)，靠近隧道中線的三角鎖邊應(yīng)盡量與隧道貫通面垂直，避免有較大的曲折。

（2）三角鎖的組成主要是以近似等邊三角形為主，其他三角形為輔。對于有些地形可適當(dāng)采用大地四邊形來加強(qiáng)圖形強(qiáng)度和穩(wěn)定性；對于曲線隧道，也可以適當(dāng)采用中點(diǎn)多邊形。

（3）組成三角網(wǎng)的三角形數(shù)量不應(yīng)太多，最弱邊到起始邊的三角形的個數(shù)不應(yīng)超過6個，否則，則需要加設(shè)三角網(wǎng)的起始邊。整個隧道三角形的個數(shù)不應(yīng)超過12個。

1.3 GPS網(wǎng)法

目前，由于科技迅速發(fā)展，GPS技術(shù)由最初的軍事應(yīng)用發(fā)展到農(nóng)業(yè)、交通、天氣預(yù)報等方面，使GPS技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。在隧道控制測量中，GPS技術(shù)相對于常規(guī)測量，具有全天候、高精度、選點(diǎn)靈活、不受環(huán)境影響和獲得三維坐標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)收集到的資料，GPS網(wǎng)如圖3所示，在隧道兩端入口處分別選取3個平面控制點(diǎn)，建立D級GPS網(wǎng)。此次GPS控制測量，共采用了6臺LGN-200接收機(jī)，標(biāo)稱精度為±（5 mm+0.5×D）。采用靜態(tài)測量模式測量，每個時段觀測2 h，觀測2個時段。

圖3 GPS網(wǎng)

注意事項(xiàng)：

（1）選點(diǎn)布設(shè)要求點(diǎn)位穩(wěn)定、交通方便，便于使用和保存，高度角上障礙較少，遠(yuǎn)離高壓電線或強(qiáng)電磁波輻射源，遠(yuǎn)離大面積水面或平坦光滑地面。

（2）應(yīng)在隧道各開挖洞口附近布設(shè)不少于4個點(diǎn)的洞口點(diǎn)。

（3）對于直線隧道，應(yīng)在進(jìn)、出洞口的施測中線上布設(shè)2個控制點(diǎn)，另外再布設(shè)2個定向點(diǎn)；對于曲線隧道，應(yīng)把曲線的主要控制點(diǎn)和每條切線上布設(shè)的2點(diǎn)包含在網(wǎng)中。

（4）隧道GPS網(wǎng)由若干個獨(dú)立異步環(huán)構(gòu)成，每個點(diǎn)至少有3條獨(dú)立基線通過，至少觀測2個時段。GPS觀測時間短，當(dāng)測站間的距離不大于30 km時，同步觀測2 h左右便能得到較好的觀測成果。

1.4 精度及適用性分析

1.4.1 點(diǎn)位誤差分析

見表1所列，通過點(diǎn)位誤差對比可發(fā)現(xiàn)，GPS網(wǎng)點(diǎn)位誤差最小，導(dǎo)線網(wǎng)點(diǎn)位誤差較小，三角網(wǎng)點(diǎn)位誤差最大，同時從點(diǎn)位誤差分布均勻看，GPS網(wǎng)和導(dǎo)線網(wǎng)點(diǎn)位誤差大小分布均勻，這有利于控制測量降低測量誤差，提高控制網(wǎng)型穩(wěn)定性。為分析誤差較大的點(diǎn)位對控制網(wǎng)的影響，通過科傻軟件平差獲得最弱點(diǎn)的點(diǎn)位誤差，分別為0.34，0.71，0.66，發(fā)現(xiàn)誤差較大的點(diǎn)位對整個網(wǎng)型控制影響較大，其中GPS網(wǎng)相比于常規(guī)測量的優(yōu)勢以及不受環(huán)境影響，使個別點(diǎn)位影響較小，而導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)影響因素較多，從而影響整體的控制測量精度。

表1 點(diǎn)位誤差

1.4.2 邊長誤差分析

見表2所列，通過平差計(jì)算3個網(wǎng)型的邊長中誤差及最弱邊誤差，其中，GPS網(wǎng)最弱邊為3、4，導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)均為8、7，但邊長中誤差相差不大。GPS網(wǎng)的點(diǎn)位穩(wěn)定可靠、觀測次數(shù)多，并且受到環(huán)境影響因素較少，使其精度優(yōu)于導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)，但導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)也可互相替換，3個方案都適用于大型工程建設(shè)。

表2 最弱邊及精度

2 高程控制測量

目前，國內(nèi)隧道高程控制測量的方法和途徑主要是水準(zhǔn)測量和三角高程測量，測定各等級隧道水準(zhǔn)點(diǎn)和平面網(wǎng)的高程［10-11］。通常情況下，隧道越長、交通條件越差，則高程控制測量誤差也較大。往往通過隧道高程控制測量長度選擇相應(yīng)的貫通精度，減少相應(yīng)的隧道誤差，提高測量精度，使隧道測量符合施工要求。

2.1 三角高程測量

近年來，三角高程發(fā)展迅速，不但測距精度高，而且使用方便，同時可以測距和測角，使其應(yīng)用越來越廣泛，尤其在地形起伏區(qū)域內(nèi)，常采用三角高程施測。三角高程測量通常是通過測定由測站到覘標(biāo)的豎角（天頂距）和距離，計(jì)算測站點(diǎn)與覘標(biāo)之間的高差。在地面上測定1、2兩點(diǎn)的高差h12，1點(diǎn)布設(shè)儀器，2點(diǎn)豎立標(biāo)尺，量取儀器高i，通過望遠(yuǎn)鏡讀出目標(biāo)高V，以及兩點(diǎn)之間的豎角a和水平距離S，則1、2兩點(diǎn)的高差為：

如圖4所示，DX01為高程已知點(diǎn)，通過已知高程點(diǎn)利用公式（1）施測其他點(diǎn)的高程，成為向隧道洞內(nèi)延伸的依據(jù)。

圖4 高程網(wǎng)

注意事項(xiàng)：

（1）三角高程測量的主要誤差是大氣垂直遮光誤差、豎角觀測誤差、邊長誤差等，往往為了使精度提高，采用對向觀測削弱誤差影響。

（2）測量時，應(yīng)盡量避免各種不利因素影響測距精度，目標(biāo)的形狀、顏色，空氣以及陽光折射等，并且遠(yuǎn)離高壓線和反光物體，防止陽光直射儀器的望遠(yuǎn)鏡。

2.2 水準(zhǔn)測量

水準(zhǔn)測量是高程測量的主要方法之一，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于線路測量、變形監(jiān)測、工業(yè)測量等各種領(lǐng)域。一般情況下，從一已知高程點(diǎn)出發(fā)，利用水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺，根據(jù)水平視線測定兩點(diǎn)之間的高差，從而由已知點(diǎn)高程推算出各個未知點(diǎn)的高程。如圖4所示，DX01為已知水準(zhǔn)點(diǎn)，DX02-DX06為待測點(diǎn)，從而布設(shè)水準(zhǔn)網(wǎng)。

注意事項(xiàng)：

（1）在進(jìn)行整條線路水準(zhǔn)嚴(yán)密平差時，平差距離取隧道的矢量長度，不能是整個水準(zhǔn)網(wǎng)的長度，從而提高隧道水準(zhǔn)控制點(diǎn)間的相對精度。

（2）整個水準(zhǔn)網(wǎng)的往測與返測，其測站數(shù)均應(yīng)是偶數(shù)，否則要加入相應(yīng)的標(biāo)尺零點(diǎn)差改正。

（3）除路線轉(zhuǎn)彎處外，每一測站上儀器與前后視標(biāo)尺的三個位置應(yīng)接近一條直線，在同一測站上，不得重復(fù)調(diào)焦。

（4）隧道進(jìn)、出口應(yīng)布設(shè)至少3個高程控制點(diǎn)，主要是為了在隧道施工前或隧道施工期間可以便捷地檢測高程控制網(wǎng)的精度，同時，當(dāng)個別高程控制點(diǎn)被破壞時，可利用其它高程控制點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)設(shè)。

2.3 精度分析

2.3.1 高程貫通誤差

按照《工程測量規(guī)范》要求，兩個洞口間開挖長度小于4 km，洞外高程控制測量所引起的貫通中誤差不能大于25 mm。通過模擬網(wǎng)型，兩洞口間的長度為0.7 km，總路線長為2.11 km。

三角高程貫通誤差可以通過下式計(jì)算：

其中，h為每公里高差中數(shù)偶然中誤差，L為洞外高程路線總長。

水準(zhǔn)高程貫通誤差可以通過下式計(jì)算：

其中，M為每公里高差中誤差，S為兩洞口之間的路線長。

2.3.2 高程閉合差

四等水準(zhǔn)測量閉合限差為4L=3.8 mm，其中L為路線長度。

2.3.3 測段高差中誤差

在此次高程測量中，我們用兩種不同的測量方法進(jìn)行測量。用平差易軟件進(jìn)行精密平差計(jì)算，從而得到所有控制點(diǎn)的精確高程。這3種方法均采用DX01點(diǎn)為已知控制點(diǎn)來計(jì)算其余控制點(diǎn)的高程，并多次對DX01點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，保證了起算點(diǎn)的穩(wěn)定性，從而提高了起算數(shù)據(jù)的可靠性。

在高程貫通誤差中，通過計(jì)算公式（2）、（3）計(jì)算誤差。見表3所列，在山地進(jìn)行隧道高程測量，三角高程精度比水準(zhǔn)精度相差較大；見表4所列，在閉合差中，兩個方法閉合差相差太大；見表5所列，三角高程測段中誤差相比水準(zhǔn)高程中誤差，誤差相差為5.3～6.7 mm。為進(jìn)一步驗(yàn)證兩種方法適用性，通過精密平差獲得結(jié)果，點(diǎn)位相差最大為4 mm，這說明了兩種方法經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，可以在一些測區(qū)條件較差、GPS信號較弱的地區(qū)，采用三角高程測量方法來代替水準(zhǔn)測量。

表3 高程貫通誤差

表4 高程閉合差

表5 高差中誤差

綜上所述，三角高程可以在一定程度上代替水準(zhǔn)進(jìn)行測量，由于利用三角高程測量比較方便、快捷，在節(jié)省人力、物力上都有很大的優(yōu)勢，并且測量精度也可以滿足工程要求。

3 結(jié)論

基于隧道施工測量技術(shù)，在深入分析布設(shè)控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過平差和相應(yīng)的規(guī)范技術(shù)要求，從精度和適用性分析了隧道施工方法。其中，平面測量3種測量技術(shù)中，GPS網(wǎng)影響因素較少，使其測量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)，但是導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)也可互相替換；三角高程測量方便、快捷的優(yōu)勢，并且測量精度也可以滿足工程要求，可在一定程度上代替水準(zhǔn)進(jìn)行測量。