公路隧道貫通測(cè)量及誤差估算分析的關(guān)鍵技術(shù)研究

支小平,曹 建

（中交一公局集團(tuán)有限公司,北京 100020）

0 引言

在隧道施工中，我們會(huì)根據(jù)隧道長(zhǎng)度、地形地貌、圍巖等級(jí)等因素，采用兩個(gè)或者多個(gè)工作面進(jìn)行開挖施工，最后在某一個(gè)斷面位置進(jìn)行貫通。因此，隧道貫通測(cè)量控制網(wǎng)方案的設(shè)計(jì)比選以及誤差估算是不可缺少的。實(shí)施誤差估算的目的是在保證精度前提下降低成本，防止資源浪費(fèi)，建立合理的洞內(nèi)、洞外控制網(wǎng)，保證隧道施工順利貫通。

1 隧道洞外控制測(cè)量

1.1 洞外平面控制測(cè)量

1.1.1 同步環(huán)各坐標(biāo)分量

式中，n——邊數(shù)；σ——基線中誤差（mm）；W——全長(zhǎng)閉合差；a——固定誤差（mm）；b——測(cè)量所產(chǎn)生的比例誤差（ppm）；d——相鄰控制點(diǎn)位間的距離（km）。

1.1.2 異步環(huán)各坐標(biāo)

式中，n——異步環(huán)的邊數(shù)；σ——基線中誤差（mm），由相應(yīng)等級(jí)中的規(guī)定而定；W——異步環(huán)的全長(zhǎng)閉合差。

1.2 洞外高程控制測(cè)量

洞外高程控制測(cè)量一般使用電子水準(zhǔn)以采用二等水準(zhǔn)測(cè)量方法，從隧道一端到另一端進(jìn)行往返測(cè)閉合。

2 隧道洞內(nèi)控制測(cè)量

2.1 洞內(nèi)平面控制測(cè)量

洞內(nèi)平面控制網(wǎng)有很多布設(shè)形式，不同的形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體選擇視情況而定，在實(shí)踐施工過程中，采用主副導(dǎo)線形式居多。洞內(nèi)控制導(dǎo)線需要經(jīng)常不間斷地測(cè)量，定期復(fù)測(cè)，當(dāng)有平行導(dǎo)坑或分離式雙線隧道時(shí)，通過橫洞進(jìn)行聯(lián)測(cè)核驗(yàn)。

2.2 洞內(nèi)高程控制測(cè)量

隧道內(nèi)高程控制網(wǎng)是洞內(nèi)構(gòu)造物高程放樣的基準(zhǔn)，按照測(cè)量相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，每隔一定距離要埋設(shè)一對(duì)高程控制點(diǎn)，以便相互校核[1]。高程控制點(diǎn)可以單獨(dú)埋設(shè)也可以同平面控制點(diǎn)設(shè)置一起，具體根據(jù)實(shí)地情況而定。高程控制按照相應(yīng)的規(guī)范等級(jí)，將控制點(diǎn)構(gòu)成閉合環(huán)。

3 貫通誤差估算

由于洞內(nèi)觀測(cè)條件和自然環(huán)境的影響，觀測(cè)視線較差，所以洞內(nèi)控制測(cè)量的精度也會(huì)差很多，誤差不容易控制。根據(jù)相關(guān)測(cè)量規(guī)范，橫向中誤差估算分析方法如下。

3.1 誤差估算

其中：myβ、myl——橫向中誤差（mm），由分別測(cè)角、測(cè)距引起；myβ——閉合差測(cè)角中誤差（″）；Rx——導(dǎo)線點(diǎn)投影到貫通面的垂距（m）；——邊長(zhǎng)的相對(duì)中誤差；dy——控制網(wǎng)中導(dǎo)線邊在貫通面上所產(chǎn)生的投影（m）。

3.2 高程中誤差

式中，mΔ——每1 km水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差（mm）；l——路線長(zhǎng)度（km）。

4 工程實(shí)例

吉水縣醪橋至青原區(qū)草坪橋段改建工程大東山1號(hào)隧道，全長(zhǎng)462 m。地貌類型屬剝蝕低丘陵地貌。山脊大致北東至南西向，地形起伏變化大。隧道范圍相對(duì)高差約60 m，地質(zhì)圍巖情況較差，Ⅴ級(jí)圍巖居多，對(duì)貫通精度要求較高。貫通測(cè)量技術(shù)方案比選及貫通誤差分析，對(duì)指導(dǎo)施工尤其重要。

4.1 洞外控制網(wǎng)

4.1.1 洞外控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

該工程項(xiàng)目根據(jù)所處位置的地形、地貌以及地質(zhì)圍巖條件，洞外控制網(wǎng)采用單導(dǎo)線形式布設(shè)，具體如圖1所示?？刂凭W(wǎng)坐標(biāo)系是以隧道中心線為X軸正方向（按里程增加方向），通過洞外控制點(diǎn)JM16作為坐標(biāo)系起始點(diǎn)建立的?？刂泣c(diǎn)JM18、JM17、JM16、JM20-2、K2和JM20貫通面方向上的垂足，分別為 JM18＇、JM17＇、JM16＇、JM20-2＇、K2＇和JM20＇，根據(jù)測(cè)量采集數(shù)據(jù)計(jì)算出各控制點(diǎn)的垂距Rx和各導(dǎo)線邊在隧道貫通面上的投影長(zhǎng)為dy。

圖1 隧道洞外平面控制網(wǎng)布設(shè)

4.1.2 隧道外平面控制網(wǎng)等級(jí)判定

該隧道長(zhǎng)度為462 m，根據(jù)施工圖紙及工程測(cè)量規(guī)范中要求，其洞外導(dǎo)線可設(shè)為四等，導(dǎo)線測(cè)量角度中誤差可為mβ=±2.5''，邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為=1/35 000。

4.1.3 隧道外控制網(wǎng)產(chǎn)生誤差對(duì)貫通影響

洞外導(dǎo)線誤差對(duì)貫通影響的估算如表1所示。

表1 洞外導(dǎo)線誤差對(duì)貫通影響的估算

（1）控制網(wǎng)角度測(cè)量誤差對(duì)隧道貫通的估算。

（2）控制網(wǎng)邊長(zhǎng)測(cè)量對(duì)隧道貫通的估算。

（3）貫通誤差估算。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，洞外控制點(diǎn)位的測(cè)量中誤差對(duì)整個(gè)隧道的貫通影響估算值是20.4 mm，其小于25 mm，洞外控制網(wǎng)設(shè)計(jì)可行。

4.2 洞內(nèi)控制測(cè)量

4.2.1 洞內(nèi)平面控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)量誤差理論推導(dǎo)，在工程施工控制網(wǎng)中，導(dǎo)線橫向誤差隨導(dǎo)線增加而形成不斷累積，導(dǎo)線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其誤差增加速度越快。結(jié)合該項(xiàng)目特點(diǎn)我們選用主、副導(dǎo)線法，對(duì)洞內(nèi)線路主導(dǎo)線進(jìn)行貫通誤差估算，副導(dǎo)線主要用于復(fù)核。

如圖2所示，測(cè)量并計(jì)算出洞內(nèi)各導(dǎo)線點(diǎn)K1910+897、K1911+050、K1911+200和K1911+350的垂距Rx和各個(gè)導(dǎo)線段在隧道貫通面上方向上的投影長(zhǎng)度dy。

4.2.2 確定控制網(wǎng)參數(shù)等級(jí)

該隧道長(zhǎng)度小于0.5 km，根據(jù)施工圖紙及工程測(cè)量規(guī)范中要求，其洞外導(dǎo)線可設(shè)為一級(jí)，按照一級(jí)導(dǎo)線測(cè)角中誤差采用mβ=±5，控制網(wǎng)各個(gè)邊長(zhǎng)的中誤差可采用ml/l=1/15 000。

4.2.3 洞內(nèi)貫通誤差估算

洞內(nèi)和洞外控制影響隧道貫通誤差。對(duì)于隧道工程的平面控制網(wǎng)，洞外的觀測(cè)環(huán)境要比洞內(nèi)更有優(yōu)勢(shì)，因此洞外控制測(cè)量對(duì)數(shù)據(jù)精度的要求要比洞內(nèi)要高[2]。在實(shí)際施工過程中，我們把洞外控制測(cè)量引起的誤差作為影響隧道橫向貫通的一個(gè)獨(dú)立因素，同時(shí)也把洞內(nèi)控制網(wǎng)導(dǎo)線所引起的測(cè)量誤差作為另一個(gè)單獨(dú)因素，通常按照同等影響原則估算相應(yīng)的橫向貫通誤差，其結(jié)果見表2。

表2 洞內(nèi)導(dǎo)線誤差對(duì)貫通影響的估算

（1）隧道內(nèi)控制網(wǎng)角度測(cè)量誤差對(duì)洞內(nèi)貫通的影響估算。

（2）隧道內(nèi)控制網(wǎng)邊長(zhǎng)測(cè)量對(duì)洞內(nèi)貫通的影響估算。

（3）隧道內(nèi)控制網(wǎng)對(duì)洞內(nèi)貫通的總影響估算。

按照上述計(jì)算結(jié)果，洞內(nèi)控制點(diǎn)測(cè)量中誤差對(duì)隧道貫通面影響估算值是23.4 mm，其允許值是45 mm，因而，洞內(nèi)導(dǎo)線布設(shè)方案可行。

4.3 控制測(cè)量對(duì)隧道貫通的綜合影響估算

由以上貫通誤差的計(jì)算結(jié)果可以得出，按照上述相應(yīng)控制網(wǎng)形及精度，計(jì)算貫通中誤差均符合允許中誤差要求，根據(jù)以上可表明按照此方案設(shè)置的控制網(wǎng)滿足該隧道橫向貫通精度要求。

4.4 高程（縱向）貫通誤差估算

洞外高程控制測(cè)量采用天寶電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行二等水準(zhǔn)測(cè)量，每1 km偶然中誤差MΔ=1 mm，則洞外高程貫通中誤差為=1.5 mm＜25 mm（式中，l——洞外水準(zhǔn)線路長(zhǎng)度）。

洞內(nèi)水準(zhǔn)控制網(wǎng)按二等要求進(jìn)行測(cè)量，每1 km高程測(cè)量偶然中誤差為MΔ=1 mm/km，則隧道由高程引起的貫通中誤差：=1.1 mm＜25 mm（式中，l——洞內(nèi)水準(zhǔn)線路長(zhǎng)度）。

4.5 貫通誤差調(diào)整

隧道不同斷面開挖貫通后，應(yīng)先在貫通面測(cè)得實(shí)際貫通誤差，通過計(jì)算對(duì)比，在隧道襯砌未施工地段（調(diào)線地段）進(jìn)行中線調(diào)整。調(diào)整范圍對(duì)已完成襯砌段無影響時(shí)，可將調(diào)整范圍適當(dāng)延伸到已襯砌段內(nèi)，其襯砌未施工段的測(cè)量放樣數(shù)據(jù)，應(yīng)采用調(diào)整后的中線和高程值，保證其貫通順接，各個(gè)參數(shù)復(fù)核規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

4.5.1 平面誤差調(diào)整

隧道貫通后，將襯砌未施工段兩側(cè)中線位置數(shù)據(jù)采集并連線構(gòu)成調(diào)線段。調(diào)線與設(shè)計(jì)中線會(huì)分別產(chǎn)生a1和b1的夾角。按照規(guī)范要求，如果夾角小于5″時(shí)，可將A、B連線視為直線。如果夾角小于25″而大于5″，應(yīng)按連線頂點(diǎn)內(nèi)移誤差數(shù)值確定調(diào)線段線路中線及相應(yīng)襯砌位置，在滿足設(shè)計(jì)要求情況下可相應(yīng)順延。如果夾角大于25″，應(yīng)按照規(guī)范要求加設(shè)相應(yīng)半徑的圓曲線。

4.5.2 高程誤差調(diào)整

隧道貫通后，對(duì)于縱向高程貫通誤差的調(diào)整是通過兩端不同高程控制網(wǎng)而測(cè)得，取不同控制網(wǎng)測(cè)取數(shù)據(jù)的平均值作為該點(diǎn)位置的最或然值，然后根據(jù)該最或然值構(gòu)成相應(yīng)水準(zhǔn)路線，計(jì)算出閉合差，最后在襯砌未施工段按照線路長(zhǎng)度比例進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，其襯砌未施工段的高程應(yīng)按照所調(diào)整高程調(diào)整。

5 結(jié)語

該文結(jié)合公路隧道貫通測(cè)量相關(guān)內(nèi)容，對(duì)隧道洞內(nèi)、洞外貫通誤差測(cè)量與估算分析的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，并以大東山1號(hào)隧道為例，通過洞外控制網(wǎng)設(shè)計(jì)，過程中結(jié)合洞內(nèi)控制測(cè)量，分析計(jì)算了隧道洞內(nèi)、外平面控制的測(cè)量誤差及高程貫通誤差對(duì)其貫通的綜合影響，通過最終的貫通誤差調(diào)整，解決了該隧道貫通測(cè)量及誤差估算的關(guān)鍵技術(shù)難題，使隧道實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)和高精度貫通，同時(shí)為類似隧道貫通提供參考和借鑒。