超長引水隧洞測(cè)量控制技術(shù)

梁 武

(廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

1 工程概況

本工程為榕江關(guān)埠引水工程，作為韓江榕江練江水系連通工程的子工程之一，其主要任務(wù)是在優(yōu)先實(shí)施練江流域控源截污工程和保護(hù)好榕江水資源水環(huán)境安全的前提下，實(shí)現(xiàn)榕江-練江水系連通，改善練江流域水環(huán)境及水生態(tài)質(zhì)量。本工程由取水口、引水隧道、加壓泵站、高位水池、輸水隧洞、出水池、輸水明渠和涵管、出口防洪閘等建筑物組成。工程輸水線路總長34.970 km，其中T3段TBM隧洞長度為9 346.500 m，采用直徑5 060 mm雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)機(jī)，流水坡度為i=0.008%，TBM始發(fā)掘進(jìn)方向是SD26+810.000～SD17+463.500。

2 平面控制網(wǎng)主要技術(shù)要求

2.1 GPS網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)測(cè)區(qū)已有的資料、測(cè)區(qū)地形、交通狀況、精度要求、接收機(jī)數(shù)量，并考慮作業(yè)效率，按照優(yōu)先設(shè)計(jì)原則進(jìn)行布網(wǎng)。對(duì)于網(wǎng)中GPS點(diǎn)需要采用常規(guī)測(cè)量方法加密控制網(wǎng)時(shí)，至少應(yīng)保證該點(diǎn)有一個(gè)以上的通視方向。本工程GPS網(wǎng)布設(shè)為多邊形網(wǎng)，網(wǎng)中每個(gè)閉合環(huán)或復(fù)合線路中的邊數(shù)應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 閉合環(huán)或附和路線邊數(shù)的規(guī)定

2.2 選點(diǎn)與埋石

GPS點(diǎn)位的選擇基本與技術(shù)設(shè)計(jì)相符，依據(jù)規(guī)范并結(jié)合現(xiàn)場和工程需要進(jìn)行優(yōu)化，便于進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)、進(jìn)行下一級(jí)控制，并有利于安全作業(yè)；點(diǎn)位便于安置接收設(shè)備和操作，視野開闊，接收機(jī)高度角大于等于15°；點(diǎn)位遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源(如電視臺(tái)、微波站等)，其距離不小于200 m，附近無強(qiáng)烈干擾接收衛(wèi)星信號(hào)的物體。

標(biāo)石埋設(shè)應(yīng)選擇在地質(zhì)堅(jiān)硬穩(wěn)固的地方，易于長期保存。埋設(shè)混凝土樁中間應(yīng)設(shè)有標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)中心標(biāo)志為帶十字絲的特制不銹鋼釘，用紅油漆或刻字標(biāo)識(shí)樁位及點(diǎn)名，周圍設(shè)圍護(hù)欄保護(hù)。

2.3 GPS觀測(cè)

采用靜態(tài)定位測(cè)量的方法進(jìn)行GPS網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)。接收機(jī)及天線型號(hào)正確準(zhǔn)確無誤，主機(jī)及配件齊全，接收機(jī)及天線外觀良好，各部件及附件完好，緊固部件無松動(dòng)和脫落，儀器經(jīng)有關(guān)部門年檢鑒定，性能良好。外業(yè)觀測(cè)執(zhí)行表2中的基本技術(shù)要求。

表2 GPS外業(yè)觀測(cè)的基本技術(shù)要求

設(shè)站時(shí)，天線嚴(yán)格整平，對(duì)中誤差小于3 mm；天線定向標(biāo)志指向正北，定向誤差不超過±5°；觀測(cè)前按互為120°方向上量取天線高3次，其讀數(shù)差小于2 mm，并將中數(shù)輸入GPS接收機(jī)中。按要求及時(shí)填寫手簿的各項(xiàng)內(nèi)容，觀測(cè)過程中不得更改各參數(shù)、再啟動(dòng)、自測(cè)試、變動(dòng)天線等，禁止在天線附近使用電臺(tái)、對(duì)講機(jī)等。

2.4 基線解算和檢核

基線解算和網(wǎng)平差均使用中海達(dá)HGO數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理，基線采用雙差固定解，根據(jù)軟件包說明按缺省參數(shù)進(jìn)行解算[1]。

2.4.1 基線解算

基線解算全部求解出整周模糊度。所有基線的解算一般采用原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于那些質(zhì)量較差而影響基線解算質(zhì)量的個(gè)別觀測(cè)時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)，則根據(jù)各段時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量好壞進(jìn)行時(shí)間上的取舍；對(duì)個(gè)別時(shí)段影響基線解算的殘差波動(dòng)太大或失鎖周跳頻繁的個(gè)別衛(wèi)星作剔除處理，同一時(shí)段觀測(cè)值的數(shù)據(jù)剔除率小于10%。經(jīng)過處理，使得基線解算順利進(jìn)行。

控制網(wǎng)的基線精度按下式計(jì)算：

式中：σ為基線長度中誤差，mm；A為固定誤差，mm；B為比例誤差系數(shù)，mm/km；D為平均邊長，km。

2.4.2 基線檢核

由基線處理結(jié)果計(jì)算的重復(fù)觀測(cè)基線較差、同步環(huán)閉合差、獨(dú)立環(huán)閉合差、附和路線閉合差應(yīng)滿足表3的規(guī)定。

表3 基線質(zhì)量檢驗(yàn)限差

2.5 高程控制網(wǎng)主要技術(shù)要求

1)本次高程控制網(wǎng)為三等水準(zhǔn)，其主要技術(shù)指標(biāo)見表4-表6。

表4 精密水準(zhǔn)測(cè)量的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

表5 精密水準(zhǔn)觀測(cè)主要技術(shù)要求

表6 精密水準(zhǔn)測(cè)量精度要求

2) 精密水準(zhǔn)外業(yè)觀測(cè)。在水準(zhǔn)復(fù)測(cè)前，首先進(jìn)行現(xiàn)場勘查，檢查標(biāo)石的完好性。經(jīng)現(xiàn)場勘查，本段范圍內(nèi)精密水準(zhǔn)點(diǎn)沿線路走向布設(shè)，點(diǎn)間距500～1 000 m，點(diǎn)位布設(shè)均勻，樁點(diǎn)保存基本完好。

本次水準(zhǔn)復(fù)測(cè)按國家精密水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求進(jìn)行施測(cè)，并逐點(diǎn)復(fù)核相鄰水準(zhǔn)點(diǎn)之間的高差。通過復(fù)測(cè)高差與設(shè)計(jì)高差進(jìn)行比較，確認(rèn)建設(shè)單位所交的高程控制點(diǎn)精度是否滿足精度要求，點(diǎn)位是否穩(wěn)固可靠。

精密水準(zhǔn)復(fù)測(cè)采用一臺(tái)徠卡NA2+GP3精密水準(zhǔn)儀(儀器標(biāo)稱精度均為每公里高差測(cè)量中誤差0.3 mm，可適用于精密水準(zhǔn)測(cè)量)及配套的因瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺，按照《國家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 12898-2009)的水準(zhǔn)測(cè)量要求作業(yè)[2]。

3 平面貫通誤差分析

3.1 平面貫通誤差的主要來源

1) 地面導(dǎo)線控制網(wǎng)誤差。

2) 隧道控制支導(dǎo)線誤差。

3) 測(cè)角、測(cè)邊、對(duì)中偏心等各綜合誤差。

3.2 貫通點(diǎn)的選擇

如果e1=e2=1.5 mm，s1=s2=150 m，SAB=300 m，則測(cè)量儀器的對(duì)中誤差：

目標(biāo)的偏心差：

由誤差理論可知：當(dāng)水平角為180°時(shí)，誤差對(duì)水平角的影響最大。

如果e1=1.5 mm時(shí)，m1為±2.06″；

e1=1.5 mm時(shí)，m2為±2.92″，則：

因此，為減少對(duì)中及目標(biāo)偏心誤差對(duì)貫通橫向誤差的影響，考慮在嚴(yán)格校正棱鏡、覘牌對(duì)中的前提下，采用3次對(duì)中測(cè)角法，可將測(cè)角對(duì)中誤差降低為：

故在對(duì)中誤差<1.0 mm時(shí)，采用三次對(duì)中法測(cè)角對(duì)測(cè)角精度的影響可滿足小于規(guī)范的要求。觀測(cè)差：儀器標(biāo)稱精度m儀=±0.5″，測(cè)角中誤差mβ=±2.5″。

為獲取“民用分類代碼”和“軍用分類代碼”中規(guī)定的基礎(chǔ)地理信息要素間的異同點(diǎn)，需要在軍民基礎(chǔ)地理信息要素映射關(guān)系表的基礎(chǔ)上，對(duì)映射關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，有對(duì)應(yīng)要素占39%，無對(duì)應(yīng)要素占61%。

地下控制導(dǎo)線精度：

式中：fβ角度閉合差；n為測(cè)角個(gè)數(shù)。

附合導(dǎo)線閉合差的中誤差(對(duì)貫通誤差影響主要為橫向中誤差)：

式中：mβ為測(cè)角中誤差；S為導(dǎo)線邊長；ρ為206 265。

隧道貫通前，地面GPS靜態(tài)聯(lián)測(cè)，隧洞連續(xù)測(cè)量4次，陀螺儀控制點(diǎn)方位角復(fù)合測(cè)量，不斷提高控制網(wǎng)導(dǎo)線點(diǎn)精度，有利于控制TBM掘進(jìn)機(jī)按照設(shè)計(jì)軸線允許規(guī)范內(nèi)貫通。

經(jīng)地面控制導(dǎo)線網(wǎng)的復(fù)測(cè)，地面控制網(wǎng)中誤差為mi=±10 mm，投點(diǎn)誤差精度mt=±4.1 mm，則3#TBM始發(fā)井至2#TBM接收井平面貫通誤差為；

4 高程貫通誤差分析

5 優(yōu)化測(cè)量技術(shù)方案

榕江關(guān)埠引水工程隧洞的測(cè)量技術(shù)優(yōu)化方案主要從以下幾點(diǎn)入手：

1) 洞內(nèi)控制點(diǎn)分別布置在管片左右兩側(cè)平行交叉延伸成對(duì)布設(shè) ,點(diǎn)位距離300～600 m等距布置，減少測(cè)站次數(shù)，減少點(diǎn)位累計(jì)誤差?？刂泣c(diǎn)選址在管片左右環(huán)高1 m牢固可靠的地方，做好點(diǎn)位測(cè)量標(biāo)識(shí)，平面控制點(diǎn)均采用槽鋼型號(hào)8#、鋼板150*150*10、直徑16*25英制內(nèi)六角螺絲鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)制對(duì)中盤，安裝在線路的左右側(cè)，強(qiáng)制對(duì)中盤控制點(diǎn)可以減小全站儀對(duì)中點(diǎn)位誤差，也有利于高效測(cè)量。高程控制點(diǎn)采用不銹鋼十字半圓球混凝土澆筑，預(yù)埋在灌漿回填豆礫石孔內(nèi)，洞內(nèi)直伸式導(dǎo)線控制網(wǎng)改為導(dǎo)線控制網(wǎng)平行交叉式觀測(cè) ,前后左右同側(cè)點(diǎn)測(cè)邊測(cè)角 ,前后左右側(cè)對(duì)點(diǎn)間加測(cè)邊長形成閉合角，導(dǎo)線控制網(wǎng)形成左右平行四邊形折回 ,這種左右平行交叉式導(dǎo)線控制網(wǎng)精度優(yōu)于直伸式直導(dǎo)線控制網(wǎng)[4]。圖1為控制點(diǎn)平面位置圖。

圖1 控制點(diǎn)平面位置圖

2) 洞內(nèi)精密導(dǎo)線控制網(wǎng)測(cè)量采用左右管片上平行延伸交叉式導(dǎo)線控制網(wǎng)。為避免旁折光、機(jī)車行走震動(dòng)、皮帶機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)，角度測(cè)量觀測(cè)誤差不設(shè)在同一側(cè)點(diǎn) ,左右兩側(cè)點(diǎn)延伸等距測(cè)邊測(cè)角 ,導(dǎo)線終端一組控制點(diǎn)作為下次導(dǎo)線控制點(diǎn)延伸起算邊。

3) 陀螺儀觀測(cè)校核洞內(nèi)控制網(wǎng)方位角。陀螺定向采用北京航天發(fā)射技術(shù)研究所自主研發(fā)生產(chǎn)的BTJ-5型陀螺全站儀[尋北精度≤5″(1σ)]，上置Leica生產(chǎn)的TS-09plus 1″全站儀[4]。陀螺儀改進(jìn)后可以安裝強(qiáng)制對(duì)中盤上，分別測(cè)出前后兩條邊方位角，陀螺儀校核TBM掘進(jìn)機(jī)出洞前500 m最后二組控制點(diǎn)方位角，檢驗(yàn)出洞前500 m處進(jìn)行控制網(wǎng)邊方位角是否超限，陀螺儀測(cè)量計(jì)算出的坐標(biāo)方位角與區(qū)間控制網(wǎng)測(cè)量的坐標(biāo)方位角進(jìn)行比較，較差控制在小于15″，控制在允許偏差內(nèi)，符合《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL 52-2015)相向開挖長度小于10 km內(nèi)貫通測(cè)量限差要求，確保貫通在允許偏差內(nèi)。

6 結(jié) 語

針對(duì)榕江關(guān)埠引水工程超長9.3 km隧洞，洞內(nèi)采用左右側(cè)強(qiáng)制對(duì)中盤控制網(wǎng)平行交叉式導(dǎo)線網(wǎng)加測(cè)同側(cè)邊長和近點(diǎn)邊長，能有效提高洞內(nèi)方位角精度,減少點(diǎn)位對(duì)中累計(jì)誤差的影響，是提高控制網(wǎng)測(cè)量精度的有效方法。為了榕江關(guān)埠引水工程TBM隧洞施工測(cè)量精準(zhǔn)貫通 ,陀螺儀復(fù)核安裝在對(duì)中盤測(cè)量平行交叉式控制網(wǎng)點(diǎn)邊長方位角的可行性，對(duì)指導(dǎo)超長隧洞貫通測(cè)量具有重要性意義。