隧道貫通測量長邊導(dǎo)線布設(shè)方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

成益品

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

在隧道工程建設(shè)中，隧道貫通必然含有貫通誤差，隧道工程的貫通誤差包括橫向、縱向和豎向3 個(gè)方向，從目前的測量技術(shù)、儀器設(shè)備性能及工程要求多方面出發(fā)，縱向和高程貫通測量都容易滿足隧道施工要求，而橫向貫通誤差受洞內(nèi)測量條件因素制約明顯最難達(dá)到[1]。根據(jù)測量誤差傳播定律，橫向貫通誤差主要是由洞內(nèi)導(dǎo)線測量因素所引起的，導(dǎo)線測量的誤差隨著隧道的距離延伸、導(dǎo)線設(shè)站數(shù)目的增加而增加，系統(tǒng)誤差會(huì)進(jìn)行累積，從而導(dǎo)致隧道內(nèi)部引測方位角的定向精度大幅降低[2]。由于洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)的總體長度由隧道長度決定，所以在不改變隧道長度的前提下，隧道橫向貫通測量要想獲得較高的精度，關(guān)鍵是解決洞內(nèi)導(dǎo)線設(shè)站數(shù)目問題。

目前，隧道洞內(nèi)導(dǎo)線測量常采用人工觀測和自動(dòng)照準(zhǔn)觀測方法，不管基于哪種方法觀測都會(huì)受隧道內(nèi)煙霧、粉塵、照明等觀測環(huán)境條件限制，隧道內(nèi)導(dǎo)線邊長布設(shè)一般控制在300～400 m，而通視條件較好的隧道導(dǎo)線邊長布設(shè)最大也不超過800 m，例如港珠澳大橋沉管隧道工程貫通測量導(dǎo)線邊長設(shè)計(jì)為720 m[3]。設(shè)計(jì)一種特殊的觀測覘標(biāo)方法，并輔以開發(fā)外業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件，通過加大導(dǎo)線觀測邊長達(dá)到減少導(dǎo)線設(shè)站數(shù)目的目的，可以實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)1 500 m 導(dǎo)線邊長條件下的觀測目標(biāo)清晰與穩(wěn)定，從而提升隧道貫通測量精度。

本文結(jié)合工程實(shí)例對隧道內(nèi)長邊導(dǎo)線在覘標(biāo)設(shè)計(jì)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

1 觀測方法設(shè)計(jì)

1.1 觀測覘標(biāo)制作

儀器照準(zhǔn)覘板標(biāo)志的長度和寬度以及標(biāo)志線的間距，依導(dǎo)線視線長度制定。根據(jù)3 km 導(dǎo)線邊長測試得到照準(zhǔn)覘板標(biāo)志的規(guī)格為長350 mm、寬60 mm。觀測覘板標(biāo)志見圖1。

圖1 觀測覘板標(biāo)志尺寸圖（mm）Fig.1 Size of marking for observation target(mm)

觀測覘標(biāo)特點(diǎn)及功能如下：

1）覘板的標(biāo)志外殼由鋁合金材料制作而成，內(nèi)置紅色光源LED 燈帶，正面鑲嵌白色透明有機(jī)玻璃。

2）每個(gè)覘板內(nèi)置12 條LED 燈帶，每條燈帶長350 mm，寬5 mm，燈帶相互間間距2 mm，沿覘板豎向中心線左右對稱排列，嚴(yán)格保證制作尺寸精度，誤差＜0.5 mm。覘板背面設(shè)置6 個(gè)LED開關(guān)，每個(gè)開關(guān)控制2 根對稱燈帶，根據(jù)導(dǎo)線實(shí)際長度可以隨意調(diào)節(jié)開關(guān)來控制燈帶供光數(shù)量。

3）覘板底部設(shè)置與測量基座匹配適配器，通過適配器將其與測量基座緊密連接，使覘板中心、基座中心基本位于同一鉛垂線上。安裝好之后利用全站儀豎直角功能檢測其上下中心線是否重合，保證安裝精度＜1.0 mm。

4）覘板采用12 V 電瓶作為基本供電電源，一般60 Ah 電瓶可以提供夜晚連續(xù)6 h 觀測。

1.2 數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)

以GNSS 測量手簿為數(shù)據(jù)采集及記錄載體，開發(fā)導(dǎo)線觀測數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄與計(jì)算程序，與全站儀連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互計(jì)算。

測前在軟件內(nèi)對導(dǎo)線測量各項(xiàng)誤差控制指標(biāo)進(jìn)行提前設(shè)定，測量過程軟件對各項(xiàng)誤差實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算，并對誤差的數(shù)據(jù)自動(dòng)剔除，直至數(shù)據(jù)合格為止，軟件自動(dòng)進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)平差計(jì)算。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

2.1 試驗(yàn)網(wǎng)形比選

隧道內(nèi)常用的布網(wǎng)形式有單導(dǎo)線、導(dǎo)線環(huán)、全導(dǎo)線網(wǎng)和主副導(dǎo)線網(wǎng)。統(tǒng)計(jì)目前多種導(dǎo)線形式的橫向精度變化見圖2，可見，在相同測量條件下觀測時(shí)，全導(dǎo)線網(wǎng)精度最高，并以此網(wǎng)形為試驗(yàn)網(wǎng)形進(jìn)行陸上模擬試驗(yàn)。

圖2 多種形式導(dǎo)線橫向精度變化比較Fig.2 Comparison of transversal accuracy of various forms of transverse

2.2 試驗(yàn)場地選擇及點(diǎn)位埋設(shè)

2.2.1 試驗(yàn)場地選擇

模擬試驗(yàn)場地在珠海市金灣區(qū)平沙鎮(zhèn)升平大道。該試驗(yàn)場地分雙向四車道和中間綠化帶，寬約20 m，長約9 km，線路部分基本呈直線形且高低起伏不大，滿足長距離貫通測量模擬試驗(yàn)的需求。

2.2.2 網(wǎng)點(diǎn)選埋

選擇在區(qū)域位置穩(wěn)定，不易受外界干擾影響位置埋設(shè)4 個(gè)GNSS 控制網(wǎng)點(diǎn)，所有控制點(diǎn)均采用強(qiáng)制對中裝置，觀測墩高約1.4 m，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)使用強(qiáng)制對中鋼結(jié)構(gòu)三腳架[4]。

2.3 長邊導(dǎo)線網(wǎng)形設(shè)計(jì)

導(dǎo)線網(wǎng)總體長度8.8 km。在隧道兩洞口線路中線上布設(shè)洞口測站點(diǎn)（JD1、CD1），進(jìn)洞口測站點(diǎn)區(qū)域再分別布設(shè)2 個(gè)定向點(diǎn)（DX1、DX2）。進(jìn)洞口測站點(diǎn)與相應(yīng)定向點(diǎn)邊長約1.5 km，洞內(nèi)導(dǎo)線每1.4 km 布設(shè)一對導(dǎo)線點(diǎn)，一對導(dǎo)線點(diǎn)間距10 m。控制網(wǎng)形見圖3。

圖3 控制網(wǎng)網(wǎng)形示意圖Fig.3 Schematic diagram of net shape of control network

2.4 觀測方法

模擬試驗(yàn)采用獨(dú)立工程坐標(biāo)系，采用二維一點(diǎn)一方向方法獲取起算數(shù)據(jù)，利用CosaGNSS 軟件進(jìn)行二維平差[5]。GNSS 觀測在試驗(yàn)中單個(gè)觀測時(shí)段時(shí)間長度定為4 h，篩選4 個(gè)時(shí)段進(jìn)行基線處理，采用CosaGNSS 數(shù)據(jù)處理軟件，按照公路二等的要求對解算完畢的基線進(jìn)行重復(fù)基線檢核、GNSS 環(huán)閉合差等的檢驗(yàn)[6]。獨(dú)立工程坐標(biāo)系參數(shù)見表1。

表1 獨(dú)立工程坐標(biāo)系參數(shù)Table 1 Parameter of independent engineering coordinate system

導(dǎo)線觀測選擇在夜間進(jìn)行。導(dǎo)線測量關(guān)鍵控制指標(biāo)見表2。

表2 導(dǎo)線測量技術(shù)要求Table 2 Technical requirements for traverse measurement

使用Leica TS30 全站儀配合制作的覘標(biāo)燈，人工照準(zhǔn)目標(biāo)測量與開發(fā)專用軟件自動(dòng)化記錄方式進(jìn)行，先架設(shè)照準(zhǔn)覘板觀測水平角，后架設(shè)棱鏡觀測平距。水平角觀測采用全圓方向觀測法，每個(gè)方向觀測12 個(gè)測回，每測站一般觀測4 個(gè)方向，在各項(xiàng)外業(yè)數(shù)據(jù)指標(biāo)合格的前提下進(jìn)行平差計(jì)算。

2.5 數(shù)據(jù)處理

隧道進(jìn)洞口分別以JD1、DX1、DX2 為起算點(diǎn)，隧道出口點(diǎn)CD1 為貫通點(diǎn)。通過進(jìn)洞口端導(dǎo)線點(diǎn)測量貫通點(diǎn)的坐標(biāo)，其設(shè)計(jì)坐標(biāo)與實(shí)測坐標(biāo)差值投影至線路中線及其垂直方向上，即為縱向和橫向貫通誤差。經(jīng)過測定，試驗(yàn)場貫通面坐標(biāo)方位角約163?。經(jīng)過計(jì)算，一點(diǎn)一方向貫通誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 一點(diǎn)一方向貫通誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical results of one-point-one-direction transversal error

從表3 中可見，貫通點(diǎn)長邊導(dǎo)線測量結(jié)果和GNSS 網(wǎng)測量結(jié)果相比較，坐標(biāo)差不足±10 mm，坐標(biāo)差和橫向貫通誤差大小相近，說明導(dǎo)線測量和GNSS 測量的結(jié)果具有較高的精度和可靠性。由上述結(jié)果分析可見，設(shè)計(jì)的雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)精度遠(yuǎn)高于現(xiàn)行鐵路、礦山隧道貫通測量規(guī)范的要求[7]。

3 工程應(yīng)用效果

港珠澳大橋沉管隧道由33 節(jié)大型預(yù)制管節(jié)對接安裝組成，隧道進(jìn)、出口兩端均由人工島組成。隧道最終接頭的貫通面位于E29/E30。沉管隧道管節(jié)沉放控制的精度要求很高，最終接頭貫通面的允許偏差控制要求小于±50 mm。

貫通測量采用720 m 雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)測量完成后[8]，采用布設(shè)約1.3 km 長邊導(dǎo)線對雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)測量成果進(jìn)行檢核。長邊導(dǎo)線洞外采用一點(diǎn)一方向，洞內(nèi)在左、右行車道各布設(shè)1 個(gè)全導(dǎo)線網(wǎng)，并相互聯(lián)接。

布設(shè)網(wǎng)形見圖4。

圖4 沉管隧道洞內(nèi)長邊導(dǎo)線貫通測量網(wǎng)形Fig.4 Network shape of long-side traverse through survey in immersed tube tunnel

其中，西人工島的洞外控制點(diǎn)至沉管隧道貫通面E29 管節(jié)的長度達(dá)6 km，采用長邊導(dǎo)線測量方法共計(jì)測量3 期。通過比對，3 期之間的公共點(diǎn)坐標(biāo)差值均小于10.6 mm，其偏差平均值小于1.4 mm，說明采用的長邊導(dǎo)線觀測方法貫通測量精度穩(wěn)定。

將3 期長邊導(dǎo)線測量貫通面的成果取平均值與雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)測量成果進(jìn)行對比，左車道貫通面橫向貫通X 坐標(biāo)差8.5 mm，縱向貫通Y 坐標(biāo)差3.7 mm；右車道貫通面橫向貫通X 坐標(biāo)差9.6 mm，縱向貫通Y 坐標(biāo)差4.0 mm，2 個(gè)車道坐標(biāo)差大小相近，說明長邊導(dǎo)線與雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)測量結(jié)果都具有較高的精度和可靠性。長邊導(dǎo)線與雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)貫通測量結(jié)果對比見表4。

表4 長邊導(dǎo)線貫通測量結(jié)果對比Table 4 Comparison of measured results of long-side traverse through survey

同時(shí)將3 期長邊導(dǎo)線貫通測量理論精度與實(shí)測精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比分析，依照設(shè)計(jì)的圖4 網(wǎng)形和觀測精度，利用科傻軟件，對隧道進(jìn)行精度模擬估算[9]。經(jīng)實(shí)測，發(fā)現(xiàn)實(shí)測的精度要遠(yuǎn)高于理論評估精度，再次驗(yàn)證長邊導(dǎo)線貫通測量成果可靠性。長邊導(dǎo)線貫通測量理論與實(shí)測精度對比見表5。

表5 長邊導(dǎo)線貫通測量理論精度與實(shí)測精度對比表Table 5 Comparison between theoretical accuracy and measured accuracy of long-side traverse through survey

4 結(jié)語

本文提出隧道洞內(nèi)平面控制網(wǎng)布設(shè)成長邊導(dǎo)線形式，經(jīng)過模擬試驗(yàn)和施工現(xiàn)場實(shí)施應(yīng)用，實(shí)踐證明該方法測量精度高，穩(wěn)定且可靠。采用長邊導(dǎo)線對隧道貫通測量及控制測量具有以下優(yōu)勢特點(diǎn)：

1）經(jīng)過理論論證，實(shí)踐檢驗(yàn)，長邊導(dǎo)線具有很強(qiáng)的實(shí)用性，尤其是運(yùn)用于特長隧道且貫通精度要求高的沉管隧道，快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行貫通測量，對于隧道的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益都至關(guān)重要，提高了測量精度與效率，是一種可推廣應(yīng)用的布網(wǎng)方法。

2）面對現(xiàn)代水下、地下、地上等長距離線形工程測量精度要求不斷提高的趨勢，超長隧道高精度貫通測控技術(shù)可以從整體上保障水下、地下、地上工程的施工精度，推動(dòng)了我國超長隧道精密工程測量的發(fā)展及工程應(yīng)用。