公路隧道施工測量誤差及精度保證措施

□□ 王宏偉 (甘肅公航旅路業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730030)

引言

近年來，隧道施工由原來的大包模式轉(zhuǎn)變?yōu)閯趧?wù)管理模式，所有的技術(shù)問題都出自項(xiàng)目部，工人以勞務(wù)形式存在，這需要項(xiàng)目管理人員的思想轉(zhuǎn)變，尤其是隧道測量人員，由以前的只管隧道控制點(diǎn)復(fù)核轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞯拦ば虻姆艠?，測量人員的放樣及監(jiān)控量測工作直接影響著工程的成本及安全。因此，公路工程隧道施工過程中的測量誤差與精度控制顯得尤為重要。

隨著隧道施工越來越規(guī)范，施工質(zhì)量檢測越來越嚴(yán)格，以前的施工做法已不能采用，所以施工的利潤必須從施工過程控制中解決，優(yōu)秀的測量人員能夠控制好超欠挖，不僅影響成本、還影響著工程進(jìn)度，如超挖后出渣量、噴錨混凝土、二襯混凝土等人力、物力、機(jī)械成本增加，如欠挖需人力或者機(jī)械清運(yùn)，若加以補(bǔ)炮的話，更易形成超挖，既影響工程進(jìn)度又增加成本，所以隧道施工控制好超欠挖是實(shí)現(xiàn)工程質(zhì)量、工程進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)效益最重要的環(huán)節(jié)[1-3]。

當(dāng)前高速公路隧道施工監(jiān)控量測交由第三方監(jiān)控實(shí)施，由于第三方監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不及時(shí)、不規(guī)范，只反應(yīng)有沒有下沉或者收斂，無法現(xiàn)場指導(dǎo)施工，這就需要現(xiàn)場的測量人員實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工及調(diào)整二襯施工最佳時(shí)間，調(diào)整預(yù)留沉降量從而達(dá)到節(jié)約成本的目的。監(jiān)控量測反映了圍巖的變化情況，為后續(xù)能否施工或加強(qiáng)施工提供第一手資料。所以，隧道監(jiān)控測量是指導(dǎo)隧道施工安全的第一道防線[3-6]。因此，針對隧道測量所對應(yīng)的工程控制網(wǎng)復(fù)測、洞內(nèi)導(dǎo)線加密測量和復(fù)測、隧道斷面開挖放樣、隧道初期支護(hù)放樣、隧道監(jiān)控測量、二襯施工測量、內(nèi)業(yè)資料計(jì)算等工作，研究隧道施工過程中監(jiān)控測量的誤差及精度保證措施，對施工質(zhì)量、安全以及成本的控制尤為重要。

1 公路隧道施工測量誤差分析

一般而言，公路隧道工程施工測量時(shí)，測量精度會受到多種因素的影響，會導(dǎo)致測量結(jié)果與工程情況存在一定的誤差，導(dǎo)致最終的計(jì)算和復(fù)核出現(xiàn)偏差?？偟膩碚f，公路隧道工程施工測量的誤差受到控制網(wǎng)布設(shè)、外界因素、測量儀器、以及觀測者技術(shù)水平等因素的影響，從而給測量結(jié)果帶來不同程度的測量誤差[3-8]。在施工測量過程中，測量的準(zhǔn)確性與精確度一直以來都是測量工作的重中之重，但是測量誤差卻無法避免，任何一次測量都會伴隨著測量誤差的出現(xiàn)進(jìn)而導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果的失真。綜合對比分析工程測量誤差的來源，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致產(chǎn)生測量誤差的主要原因有以下兩個方面，進(jìn)一步的分析有助于測量誤差的消減。

1.1 控制網(wǎng)布設(shè)

公路隧道控制網(wǎng)的布設(shè)對于整個隧道工程的測量工作尤為重要。制定控制網(wǎng)方案的主要依據(jù)包括施工現(xiàn)場諸如水文情況、地形地勢等資料的調(diào)查與收集，施工時(shí)豎井、斜井以及平行道坑的設(shè)計(jì)與布設(shè)等[2-7]。為了符合公路隧道工程的相關(guān)要求，布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)需要考慮與現(xiàn)場環(huán)境所匹配的測量儀器類型，并分析對應(yīng)條件下按照此方案布設(shè)控制網(wǎng)的可行性與精確性，進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化原設(shè)計(jì)，以提高控制網(wǎng)精度及其與現(xiàn)場環(huán)境的鍥合度。此外，在公路隧道工程的測量過程中，對于隧道洞口水準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)量、布置方式等均有不同程度的要求，起算邊長在中線放樣測量、隧道洞外控制點(diǎn)聯(lián)測、公路隧道洞內(nèi)導(dǎo)線測設(shè)以及洞內(nèi)傳算等流程中的長度與位置要求，都對測量的精度有不同程度的影響。

以導(dǎo)線網(wǎng)環(huán)測量方案為例，簡要說明控制網(wǎng)布設(shè)在公路工程隧道施工測量中對測量精度的影響。如圖1所示，為不同的導(dǎo)線網(wǎng)環(huán)測量方案。

圖1 不同的導(dǎo)線網(wǎng)環(huán)測量方案

圖1(a)所示為僅有必要起算點(diǎn)與起算邊的多邊形導(dǎo)線閉合環(huán)鎖，圖1(b)所示為兩端有附合點(diǎn)與附合邊的多邊形導(dǎo)線閉合環(huán)鎖。在采用圖1所示的導(dǎo)線網(wǎng)環(huán)測量時(shí)，導(dǎo)線點(diǎn)位置的選擇極其重要，需要兼顧施工過程中測量放樣與精確測量的要求。該方案的優(yōu)點(diǎn)是測量過程的選點(diǎn)與補(bǔ)網(wǎng)相對比較靈活、自由，能很好地適應(yīng)現(xiàn)場的地形，且在同1個測站上面的觀測方向比較少，易于通視[5-11]。然而，缺點(diǎn)也是顯而易見的，由于導(dǎo)線網(wǎng)環(huán)的控制面積相對較少，測量時(shí)的圖形強(qiáng)度比較弱，而且在缺少高等級、高質(zhì)量、高精度的控制方向作為測量的閉合條件時(shí)，狹長形狀的導(dǎo)線網(wǎng)環(huán)端點(diǎn)的橫向誤差“擺動”較大，導(dǎo)致測量誤差的積累和放大，從而致使測量精度降低。

因此，控制網(wǎng)的布設(shè)是公路隧道工程施工測量過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在整個施工建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用，其關(guān)系到隧道正常貫通時(shí)的貫通誤差與精度，需在施工與操作過程中提高控制網(wǎng)布設(shè)的精度。

1.2 外界因素與觀測水平

公路工程隧道測量過程中所使用的儀器和設(shè)備是導(dǎo)致測量誤差存在的重要原因之一[6-9]，任何設(shè)備的精確度都有一定的限制，不能保證每臺儀器的精確度都達(dá)到100%，從而導(dǎo)致了公路工程隧道的施工測量會產(chǎn)生不同程度的測量誤差，進(jìn)而導(dǎo)致了測量結(jié)果精確度不高，這類誤差統(tǒng)稱為系統(tǒng)誤差，其出現(xiàn)頻率和發(fā)展程度是隨著測量過程的進(jìn)行而出現(xiàn)的。如在使用以cm為刻度的普通水準(zhǔn)尺進(jìn)行水準(zhǔn)測量時(shí)，就很難保證<1 cm的測量結(jié)果估讀的準(zhǔn)確性。因此，選擇與施工現(xiàn)場條件所匹配，并符合工程精度要求的儀器，對于控制測量誤差，減小測量結(jié)果計(jì)算時(shí)由于儀器設(shè)備造成的誤差尤為重要。

公路工程隧道施工過程中，工程測量受到外界環(huán)境變化的影響，在很大程度上決定了測量結(jié)果的精確性，如施工現(xiàn)場的地形條件、現(xiàn)場風(fēng)力與風(fēng)速條件、測量過程中的光線、現(xiàn)場溫度變化、以及儀器周圍的機(jī)械與車輛震動等的影響[8-15]。首先，施工現(xiàn)場的地形條件并非一成不變，往往不同的項(xiàng)目其地形條件差別較大，甚至是同一公路隧道項(xiàng)目不同施工階段的地形條件不盡相同。施工現(xiàn)場地形條件的變化，對于測點(diǎn)布設(shè)、儀器架設(shè)、前后視讀數(shù)等都有較大影響，尤其是測點(diǎn)周圍惡劣地形條件對于測量精度的影響，更會導(dǎo)致測量誤差進(jìn)一步的加劇。其次，風(fēng)力和風(fēng)速對儀器設(shè)備穩(wěn)定性的影響，也會導(dǎo)致測量誤差的存在和累積，較強(qiáng)的風(fēng)力甚至?xí)又車⊥梁蜕硥m的運(yùn)移與搬遷，進(jìn)而導(dǎo)致觀測視線受阻，測量精度降低。再次，測量過程中測量設(shè)備的工作大多都是基于適宜的光線條件，尤其是光學(xué)測量器件對光線的要求更為嚴(yán)格，天氣變化、現(xiàn)場設(shè)施遮擋、隧道洞內(nèi)外光線差等，會使得大氣折射產(chǎn)生，導(dǎo)致測量出現(xiàn)較大的誤差，主要體現(xiàn)在讀數(shù)偏差方面。此外，測量設(shè)備的部分元器件對溫度變化比較敏感，處于高低溫交替與大溫差循環(huán)環(huán)境中的公路隧道工程，施工過程中測量的精確性則比溫度較為穩(wěn)定的環(huán)境中低的多。如測平儀中的水準(zhǔn)氣泡很容易受到外界溫度的變化影響，導(dǎo)致儀器架設(shè)時(shí)調(diào)平過程產(chǎn)生偏差，進(jìn)而導(dǎo)致測量誤差。最后，除了上述環(huán)境因素外，施工現(xiàn)場運(yùn)行的施工機(jī)械與通行的施工車輛所產(chǎn)生的常幅與變幅震動，對測量儀器的穩(wěn)定性與工作性能均有較大影響，測量誤差也會由此產(chǎn)生。

另外，儀器操作人員由于自身專業(yè)知識、操作水平、測量經(jīng)驗(yàn)、鑒別能力、估讀習(xí)慣等方面的差別，會導(dǎo)致讀數(shù)誤差的產(chǎn)生[10-16]。加之自身工作態(tài)度與工作環(huán)境的區(qū)別，會進(jìn)一步加劇操作過程中測量誤差的發(fā)展與累積。

2 公路隧道施工測量誤差估算方法

目前公路工程隧道洞外控制測量的主要布網(wǎng)類型有GPS網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)以及三角網(wǎng)。而GPS網(wǎng)由于測量方便、觀測便捷、相對精度較高等優(yōu)點(diǎn)，為大多數(shù)工程所采用。當(dāng)公路工程隧道的洞口地形條件相對復(fù)雜，布設(shè)GPS網(wǎng)難度較大時(shí)，一般采用混合網(wǎng)布設(shè)形式。因此，結(jié)合常見的誤差估算理論，以洞外控制的導(dǎo)線測量為例，簡要介紹公路隧道工程在施工過程中的測量誤差估算方法，為工程中隧道測量的誤差估算提供借鑒[17]。

公路工程隧道測量時(shí)洞外控制的導(dǎo)線測量工作原理如圖2所示。其中，AB1234CD為隧道洞外控制測量導(dǎo)線，A與D均為洞口控制點(diǎn)。

圖2 洞外控制導(dǎo)線示意圖

結(jié)合工程測量過程，設(shè)導(dǎo)線的測角誤差為rα，對應(yīng)的測邊誤差為rl，公路工程隧道測量過程中的進(jìn)出口聯(lián)系邊對應(yīng)的方位角誤差分別為rβ1和rβ2。假設(shè)隧洞貫通后，由D點(diǎn)聯(lián)測至貫通點(diǎn)N，則對應(yīng)的N點(diǎn)坐標(biāo)見式(1)：

(1)

對(1)式進(jìn)行微分運(yùn)算，可得過程中具有獨(dú)立觀測值li與βi的計(jì)算式(2)：

(2)

因此，依據(jù)誤差傳播定律可得式(3)：

(3)

為便于后期誤差分析與估算的方便，定義兩個表征測邊與測角誤差導(dǎo)致測量過程中橫向貫通誤差的參量ryl2、ryα2，其表達(dá)方式見式(4)：

(4)

將(4)式代入(3)式可得式(5)：

(5)

因此，當(dāng)洞外控制采用導(dǎo)線測量時(shí)，測量方式導(dǎo)致的貫通誤差見式(6)：

(6)

式中，rl/l——測量過程中導(dǎo)線邊長相對中點(diǎn)的誤差；

Rxi2——各個導(dǎo)線的中點(diǎn)到隧道貫通面距離的平方和；

dyi2——導(dǎo)線的每一邊投影于貫通面后，所對應(yīng)的長度平方和；

lA——與表示洞口控制點(diǎn)A與貫通面之間的距離；

lD——與表示洞口控制點(diǎn)D與貫通面之間的距離。

根據(jù)圖2所示的導(dǎo)線控制原理圖以及實(shí)測得到的公路工程隧道貫通過程中的各個參數(shù)，即可依據(jù)式(6)大致估算測量誤差。

3 公路隧道施工測量精度保證措施

3.1 工程控制網(wǎng)的復(fù)測、洞內(nèi)導(dǎo)線加密測量及復(fù)測

首先進(jìn)場后進(jìn)行設(shè)計(jì)院交接樁，進(jìn)行臨標(biāo)聯(lián)測及各洞口局部控制網(wǎng)點(diǎn)的加密埋設(shè)工作，聯(lián)測時(shí)與臨標(biāo)溝通好，采用某個控制點(diǎn)作為永久點(diǎn)控制點(diǎn)不參與平差。洞口利用雙導(dǎo)線布網(wǎng)形式進(jìn)行控制點(diǎn)加密和測量，采用全站儀進(jìn)行導(dǎo)線邊角測量，測角精度和測回?cái)?shù)嚴(yán)格按照要求施測，對不滿足要求的必須重測，平差后結(jié)果及精度符合測量要求。按照儀器精度及施工現(xiàn)場情況，在進(jìn)洞口、有仰供地段埋設(shè)了永久控制點(diǎn)，約150～200 m設(shè)置1個永久控制點(diǎn)。

3.2 隧道斷面開挖放樣

采用設(shè)計(jì)圖紙，考慮預(yù)留沉降量、噴射厚度、鋼拱架大小放出開挖輪廓線。對于開挖按照圍巖情況，隨時(shí)調(diào)整開挖輪廓線，以更改爆破參數(shù)、裝藥量、周邊眼間距控制超挖。掌子面開挖放線等同于Ш級圍巖光爆，點(diǎn)位間距在40～50 cm之間，在掌子面畫出輪廓線。一般采用后方交會放樣，控制點(diǎn)在已完初支斷面上，由于開挖放炮、施工機(jī)械破壞、沉降及收斂等原因，必須兩個循環(huán)后進(jìn)行復(fù)測后再使用。后方交會設(shè)站時(shí)考慮兩控制點(diǎn)離儀器距離大致相同，且夾角控制在30～120°之間。

3.3 隧道初期支護(hù)放樣

初期支護(hù)放樣前按照設(shè)計(jì)圖紙圍巖類別加工鋼拱架，充分考慮預(yù)留沉降量、噴射混凝土厚度、二襯臺車外放5 cm等情況，加工完的鋼拱架再進(jìn)行試拼，試拼完畢斷面輪廓滿足要求才可以再生產(chǎn)。按照開挖支護(hù)方式加工鋼拱架，支護(hù)放樣同樣采用后方交會法，兩交點(diǎn)角度≮30°且≯120°，每隔10～15 m按照洞內(nèi)永久控制點(diǎn)支導(dǎo)線測設(shè)。支護(hù)放樣時(shí)固定一個高度在已經(jīng)支護(hù)好的拱架上和掌子面噴點(diǎn)，一般離拱腳1 m(按照儀器通視情況可調(diào)節(jié))的位置，以方便工人操作，然后在鋼架連接板下20～30 cm的位置左右各放1組控制點(diǎn)，最后在隧道中心放1個內(nèi)弧控制點(diǎn)。

拱架位置放完點(diǎn)后，計(jì)算出點(diǎn)位的超欠挖(+超，-欠)，用噴漆噴在點(diǎn)位旁邊，然后在掌子面放跟拱架點(diǎn)位同樣偏距的點(diǎn)位，兩兩對應(yīng)連接就是拱架內(nèi)弧。拱架必須坐實(shí)牢固，不可隨意抬高拱架致使斷面輪廓擴(kuò)大。按照測設(shè)里程，調(diào)整拱架間距，如是從大里程往小里程施工，選取樁號最大點(diǎn)或者平均樁號點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)。

隨時(shí)注意機(jī)電設(shè)施預(yù)留預(yù)埋設(shè)計(jì)圖紙，在本循環(huán)有沒有預(yù)留預(yù)埋，有些預(yù)埋件由于二襯設(shè)計(jì)厚度，必須侵入初支，在噴錨時(shí)留出此位置。安全問題，測量人員放線時(shí)必須是機(jī)械已經(jīng)排完險(xiǎn)，開挖臺車已就位，人工排完險(xiǎn)，由于測量儀器精度、洞內(nèi)粉塵多、掌子面巖石顏色等原因，有時(shí)激光無法顯示數(shù)據(jù)，需測量人員去掌子面用反光片進(jìn)行測量。

3.4 隧道監(jiān)控測量

監(jiān)控量測工作是隧道施工安全最重要的一道防線，按照圍巖情況，V級圍巖每20 m設(shè)置1個斷面監(jiān)測點(diǎn)，Ⅳ、Ⅲ級圍巖每30～50 m設(shè)置1個斷面監(jiān)測點(diǎn)。此項(xiàng)工作的難點(diǎn)在于圍巖監(jiān)控觀測點(diǎn)的埋設(shè)和保護(hù)，圍巖監(jiān)控觀測點(diǎn)的埋設(shè)要和掌子面的進(jìn)度保持一致，利用開挖臺車進(jìn)行布設(shè)，還需要現(xiàn)場施工人員密切配合，才能做好。洞內(nèi)圍巖監(jiān)控觀測點(diǎn)的保護(hù)是此項(xiàng)工作難中之難。洞內(nèi)施工比較復(fù)雜，主要是掌子面放炮和各種機(jī)械作業(yè)經(jīng)常破壞點(diǎn)位，其次是初噴污染觀測點(diǎn)反光片，這些都會導(dǎo)致圍巖監(jiān)控的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不及時(shí)。

3.5 二襯施工測量

二襯臺車進(jìn)場后進(jìn)行拼裝，拼裝完畢由測量效驗(yàn)臺車斷面輪廓，斷面輪廓達(dá)到施工要求。初支斷面經(jīng)過監(jiān)控量測穩(wěn)定后或者開挖達(dá)到臨界安全步距時(shí)，二襯進(jìn)行施工。前期是仰拱施工完畢。仰拱施工放樣主要是開挖放線、仰拱填充面按照橫斷面放線，鋼板止水帶放樣。一般在二襯臺車的中心線下來10 cm或20 cm位置貼1個反光貼，在初次臺車定位時(shí)使用2臺全站儀兩面進(jìn)行定位，隧道中心直接看反光貼的十字絲，加上相對的高度。定位時(shí)先保持臺車的大橫梁處于同一高度，然后左右同升同降，當(dāng)中心位置定位完畢，靠近已完二襯模板必須緊靠，然后在校邊模，邊模校完1遍后用頂絲進(jìn)行加固。全部定位完畢再回頭看看中心點(diǎn)，以免在加固過程中移位。

臺車在走行過程中，由于線路縱坡的原因，會出現(xiàn)斷面不是同一樁號。技術(shù)人員在編制每模起始樁號時(shí)要充分考慮預(yù)埋件的位置，預(yù)埋件離開板縫1.5 m以上，如果預(yù)埋件正好在板縫，建議移動預(yù)埋件位置或者縮短該板二襯長度。二襯施工按照永久控制點(diǎn)支導(dǎo)線放樣，原則上不允許后方交會法放樣。根據(jù)初支斷面資料，在不影響二襯厚度的情況下，斷面輪廓比設(shè)計(jì)輪廓線擴(kuò)大5～10 cm，以降低二襯混凝土量，節(jié)約成本。

4 結(jié)語

公路工程隧道施工過程中的測量工作關(guān)系到隧道施工質(zhì)量與貫通誤差，對于隧道全壽命周期的維護(hù)與研究具有重要意義。本文基于公路隧道工程施工過程，總結(jié)了影響其施工測量誤差的因素，包括控制網(wǎng)的布設(shè)、施工現(xiàn)場的地形條件、現(xiàn)場風(fēng)力與風(fēng)速條件、測量過程中的光線影響、現(xiàn)場溫度變化、以及儀器周圍的機(jī)械與車輛震動影響、觀測水平等。結(jié)合常見的誤差估算方法與相關(guān)研究理論，以洞外控制的導(dǎo)線測量為例，介紹了公路隧道工程在施工過程中的測量誤差估算模型的建立過程，為工程中的誤差估算提供了方法。從工程控制網(wǎng)的復(fù)測、洞內(nèi)導(dǎo)線加密測量及復(fù)測、隧道斷面開挖放樣、隧道初期支護(hù)放樣、隧道監(jiān)控測量、二襯施工測量等方面詳細(xì)介紹了公路工程隧道施工測量過程中的精度保證措施。本文的研究，對于公路工程隧道施工測量的誤差分析、估算以及施工測量精度保證措施的研究，具有一定的參考與借鑒意義。