長大隧道平面控制測量網(wǎng)形改進與研究

潘冬生

（中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 400065）

隧道施工測量的主要任務是保證將開挖的隧道按規(guī)定的精度要求完成貫通。隧道施工測量放樣所需的方向和距離都是根據(jù)隧道平面測量控制網(wǎng)和設計圖紙設計的建筑物計算出來的，因而在隧道施工放樣之前需要建立具有規(guī)定精度的施工測量控制網(wǎng)。然而傳統(tǒng)的測量控制網(wǎng)均存在不同程度的局限性，所以本文以夢筆山隧道工程為例，研究分析新型的虛擬全導線網(wǎng)控制測量技術。

1 工程概況

項目路線起于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣卓克基鎮(zhèn)G317 線與S217 線平交口，沿原S217 線向南沿納足溝布設，至夢筆山山腳馬爾康森工局苗圃園，展線升坡，終點為夢筆山隧道。地處高海拔地區(qū)，氣壓和含氧量低，自然條件惡劣。

夢筆山隧道為單洞對向交通特長隧道，進口段設置人行平行導坑。主洞長3 350 m，人行平行導坑長765 m。我標段負責進口段，全長1 535 m，坡度為單向上坡，最大埋深440 m。夢筆山隧道屬于高原軟巖隧道，地質(zhì)條件差，均為V 級圍巖。以變質(zhì)砂巖、板巖互層、夾千枚巖及脈狀石英巖為主。隧道洞身開挖后，巖體暴露出現(xiàn)崩解，強度降低，遇水軟化似彈簧土，泥化呈淤泥狀。洞口海拔3 710 m，高原缺氧情況明顯。

2 隧道洞內(nèi)常用導線網(wǎng)布設方式

隧道地處封閉環(huán)境，空間狹長，地質(zhì)復雜，位置特殊。洞外控制網(wǎng)一般利用GPS 進行靜態(tài)測量；洞內(nèi)由于場地狹長，無法接受衛(wèi)星信號，只能采用導線測量。在長大隧道中為了增加測量控制網(wǎng)的多余觀測、檢核條件和保證測量精度，一般都采用閉合導線網(wǎng)的方式。目前主要的洞內(nèi)導線網(wǎng)有導線環(huán)、交叉導線網(wǎng)和全導線網(wǎng)，具體形式如圖1—圖3 所示。

圖1 導線環(huán)示意圖

圖2 交叉導線網(wǎng)示意圖

圖3 全導線網(wǎng)示意圖

由圖1—圖3 可知，全導線網(wǎng)的每個控制點均有4個觀測方向，其網(wǎng)形穩(wěn)定性好、精度高，能有效控制測量誤差的積累，適用于長大隧道和精度要求較高的隧道。其缺點為工作量大，費時費工，測量時容易受現(xiàn)場施工的干擾。導線環(huán)和交叉導線網(wǎng)的網(wǎng)形強度、工作量與全導線網(wǎng)相比，相對較差，但可以通過增減導線環(huán)的數(shù)量來調(diào)節(jié)網(wǎng)形的檢核條件，使用相對靈活[1]。適用于中長隧道的洞內(nèi)控制測量。交叉導線網(wǎng)由主副導線組成，可以通過增加主副導線間的交叉線來減少兩側的導線邊，使其達到削弱旁折光對導線測量的影響，因此交叉導線網(wǎng)的效果會比導線環(huán)更好一些[2]。

綜合考慮，以上三者均存在工作量大、費時費工、易受現(xiàn)場施工干擾的缺點。如果能將三者互相融合，形成一種新型的虛擬全導線網(wǎng)，這樣即可以發(fā)揮全導線網(wǎng)的優(yōu)勢，又可以減少工作量，保障現(xiàn)場施工，提高工作效率。下面以夢筆山隧道為例對虛擬全導線網(wǎng)控制測量技術進行仔細研究。

3 虛擬全導線網(wǎng)測量技術方案分析

虛擬全導線網(wǎng)是由一條真實的主導線和一條虛擬的副導線結合而成的虛擬全導線網(wǎng)。其具有布設簡單、外業(yè)測量快捷、網(wǎng)形穩(wěn)定和測量控制精度高等優(yōu)點?？梢杂行Ы鉀Q隧道控制測量與施工工序、測量效率、測量成本之間存在已久的矛盾。

沿隧道中線布設一條觀測條件最好的真實主導線（A1→A2→...→An），控制點間距為300 m 左右。然后在內(nèi)業(yè)虛構一條與之相對應的虛擬副導線（XA1→XA2→...→XAn），并按照全導線網(wǎng)的規(guī)則構建一個虛擬全導線網(wǎng)。然后將虛擬全導線網(wǎng)進行外業(yè)測量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，從而得到超越導線環(huán)和交叉導線網(wǎng)的新型虛擬全導線網(wǎng)。

顯而易見，虛擬全導線網(wǎng)實際只有一條觀測條件最好的主導線，布設與簡單的支導線無異。工作量很小，測量時對隧道施工工序幾乎沒有干擾，可以大大提高隧道施工的進度。

4 虛擬全導線網(wǎng)的構建

如圖4 所示，夢筆山隧道進口端洞外布設有3 個（ZT17，ZT19，ZT20）GPS 控制點（設計院靜態(tài)測量），沿著隧道掘進方向在最有利位置布設了一條實際的主導線（A1，A2，A3，A4，A5……An），在內(nèi)業(yè)虛構一條虛擬副導線（XA1，XA2，XA3，XA4，XA5……XAn）。實際的主導線與虛構的副導線按規(guī)范要求構成一個虛擬全導線網(wǎng)。

圖4 虛擬全導線網(wǎng)示意圖

5 虛擬全導線網(wǎng)的外業(yè)測量流程

首先根據(jù)測量規(guī)范選取測量外業(yè)相關技術指標，清理點位和測量視線上的障礙物，通風排除洞內(nèi)浮塵，開啟照明燈光，測量洞內(nèi)溫度及氣壓等。按照圖4 構建的虛擬全導線網(wǎng)進行水平角、邊長的數(shù)據(jù)測量。下面以圖4 中A2 和XA2 一對測站點為例說明具體的測量步驟及方法，其余測站依此類推。

將全站儀架設在A2 測站上對中整平，分別在A1和A3 兩點架設反射棱鏡對中整平。以A1 為起始方向，盤左照準A1 進行讀數(shù)、順時針旋轉到A3 照準讀數(shù)；倒鏡盤右照準A3 讀數(shù)，盤右逆時針轉到A1 照準讀數(shù)。以這樣的測量順序完成一測回，記錄水平角和邊長數(shù)據(jù)。按照同樣的方法完成A2 測站的其余測回工作。這樣就得到了∠A1-A2-A3 水平夾角，及DA2，A1；DA2，A3的水平距離。

XA2 測站與A2 測站雖然為同一控制點，但也要將其作為獨立測站重新架設儀器完成數(shù)據(jù)觀測。起始觀測方向選為A3，盤左照準A3 讀數(shù)，盤左微動儀器照準XA3 進行讀數(shù)，然后順時針旋轉到XA1 照準讀數(shù)；倒鏡盤右照準XA1 讀數(shù)，盤右逆時針轉到XA3 照準讀數(shù)，微動儀器照準A3 讀數(shù)，并記錄水平角和邊長數(shù)據(jù)。按照同樣的方法完成XA2 測站的其余測回工作。這樣就得到了∠A3-XA2-XA1 和∠A3-XA2-XA3 水平夾角及DXA2，A3；DXA2，XA1；DXA2，XA3的水平距離。

其本測站外業(yè)測量數(shù)據(jù)的檢核條件為∠A1-A2-A3+∠A3-XA2-XA1=360°（左角+右角=360°）、∠A3-XA2-XA3=0°。然而由于測量誤差存在偶然性，所以實際測量的結果中XAn 處于An 周圍的隨機位置。測量結果與實際值之間必然是有差值的，這充分體現(xiàn)了偶然誤差的不可避免性，符合事物的辯證統(tǒng)一關系。如圖5 所示。

圖5 虛擬全導線網(wǎng)示意圖

6 虛擬全導線網(wǎng)外業(yè)測量數(shù)據(jù)處理和平差

每測站觀測完成后進行本測站平差，合格后進行下一測站的觀測。導線環(huán)閉合差檢驗，消除粗差。然后進行加、乘常數(shù)改正，溫度氣壓改正，高斯投影改正和高程投影改正等。確保觀測數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求后再進行平差計算。并將測量邊長值歸算到隧道統(tǒng)一高程面上。計算原理、技術指標、等均與傳統(tǒng)全導線網(wǎng)相同。這樣虛擬全導線網(wǎng)的測量成果具備了傳統(tǒng)全導線網(wǎng)的所有特征。

每個測站觀測水平角的角度分別為An 的左角和右角，這樣還額外增加了∠A3-XA2-XA3=0、左角+右角=360°2 個檢核條件。平差后An 和XAn 的2 個坐標值還可以取加權平均值使用，這樣就可以抵消因測量設備因素引起的測量誤差，從而進一步提高了測量控制網(wǎng)的精度和穩(wěn)定性。

7 虛擬導線在夢筆山隧道洞內(nèi)平面控制測量中的應用

7.1 虛擬導線測量主要技術要求

全站儀觀測的主要技術要求見表1。

表1 全站儀觀測的主要技術要求

7.2 數(shù)據(jù)平差分析

洞內(nèi)平面控制網(wǎng)采用虛擬導線環(huán)布網(wǎng)，環(huán)邊數(shù)為6 條，使用1″全站儀進行測量，測回數(shù)為8 測回，均滿足規(guī)范要求。

7.2.1 往返測距離較差分析

距離較差滿足三等限差要求，平均測距中誤差為0.86 mm，滿足規(guī)范要求，往返測距離較差統(tǒng)計統(tǒng)計結果見表2。

表2 往返測距離較差統(tǒng)計結果

7.2.2 虛擬環(huán)閉合差分析

虛擬環(huán)（SD1-ZD1-CY1-DY1-CY2-ZD2）閉合差計算結果見表3，角度閉合差滿足規(guī)范規(guī)定。

表3 虛擬環(huán)閉合差計算結果

7.2.3 最弱邊及其相對精度分析

以洞外GPS控制點SD、ZT17-1為平差起算點進行計算，最弱邊相對中誤差為1/201 729，小于1/52 000，滿足規(guī)范要求，精度可靠，最弱邊及其相對精度見表4。

表4 最弱邊及其相對精度

7.2.4 平差結果對比分析

平差結果對比見表5。

表5 平差結果對比表

與上期全導線網(wǎng)測量成果對比，點位基本穩(wěn)定。測量控制點成果精度可靠，能用于施工測量。

8 結束語

虛擬全導線網(wǎng)由一實一虛的成對控制點組成，實際就是同一個點位。然而由于測量誤差的不可避免性，使其一分為二，不再重合。這樣即能互相檢核，又能將其加權平均合二為一。在傳統(tǒng)的交叉雙導線基礎上又一次提高了控制網(wǎng)的精度和穩(wěn)定性。由此可見，虛擬全導線網(wǎng)的測量成果等同，甚至超越了傳統(tǒng)全導線網(wǎng)的精度，表現(xiàn)出了其存在的優(yōu)越性，將在今后的長大隧道洞內(nèi)控制測量中發(fā)揮重要作用。