長大隧道橫向貫通誤差測量控制方法淺析

摘要：通過在隧道進(jìn)洞口與出洞口布設(shè)3個(gè)定向點(diǎn)，從進(jìn)洞口向洞內(nèi)成對(duì)布設(shè)控制點(diǎn)，形成交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)形的隧道平面控制測量網(wǎng)。利用數(shù)學(xué)公式估算導(dǎo)線控制測量誤差引起的橫向貫通誤差，為長大隧道施工提供理論依據(jù)。為提高長大隧道的橫向貫通精度，減少橫向貫通誤差的影響，通過在長大隧洞內(nèi)測量網(wǎng)中增加一定數(shù)量的陀螺方位角，來改善導(dǎo)線控制網(wǎng)的網(wǎng)形強(qiáng)度，有效控制隧道洞內(nèi)貫通誤差，保證隧道準(zhǔn)確貫通。

關(guān)鍵詞：長大隧道；交叉導(dǎo)線網(wǎng)；橫向貫通誤差；陀螺方位角

0" "引言

鐵路上通常把單座隧道兩端洞門之間長度在5000m以上者稱之為長大隧道。在進(jìn)行隧洞外與洞內(nèi)的平面控制測量時(shí)，由于受限于設(shè)備與技術(shù)條件，導(dǎo)致我國長大鐵路隧道控制測量過程中橫向貫通誤差較難控制。

隧道洞內(nèi)施工現(xiàn)場的環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，長大隧道受通風(fēng)條件限制，洞內(nèi)空間分布的粉、煙塵、水汽及部分測段間溫差變化差異較大，此類因素對(duì)精密測角、測距和精密水準(zhǔn)觀測質(zhì)量的影響甚大。此外，由于長大地鐵隧道貫通距離較長，導(dǎo)線測量的測站數(shù)量多無法保障預(yù)期測量精度等。

如何合理地提高長大隧道的測量控制精度，減小隧道橫向及高程貫通誤差，保障洞口內(nèi)外的準(zhǔn)確接線，同時(shí)有效減少施工環(huán)境對(duì)精度及作業(yè)效率的影響，一直是隧道測量工作者努力探尋的目標(biāo)。針對(duì)上述長大地鐵隧道工程控制測量中所面臨的一系列問題，本文結(jié)合我國長大隧道的實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)橫向貫通誤差測量控制方法進(jìn)行相應(yīng)研究。

1" "隧道控制測量網(wǎng)布設(shè)形式

1.1" "隧道洞口投點(diǎn)

在我國鐵路隧道洞內(nèi)施工過程中，由于洞內(nèi)空間與視野有限，為確保隧道貫通的順利進(jìn)行，需要在隧道洞口投點(diǎn)，將控制測量網(wǎng)引伸至洞內(nèi)[1]。

一般來說，我國地鐵隧道都是從一端開挖，單向掘進(jìn)。但由于隧道洞內(nèi)施工環(huán)境較為特殊，所以本文采用導(dǎo)線網(wǎng)的方法進(jìn)行洞內(nèi)平面控制測量。在布設(shè)導(dǎo)線網(wǎng)時(shí)，需要在隧道出洞口線路中線上布設(shè)一個(gè)定向點(diǎn)C1，并在隧道進(jìn)洞口測站點(diǎn)區(qū)域分別布設(shè)2個(gè)定向點(diǎn)J1、J2，長大隧道洞口投點(diǎn)示意如圖1如示[2]。

1.2" "洞內(nèi)控制測量布網(wǎng)形式

1.2.1" "網(wǎng)形選取

目前，我國地鐵隧道內(nèi)平面控制測量網(wǎng)的常用布網(wǎng)形式主要包括支導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線和交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)等[3]。綜合考慮長大鐵路隧道的實(shí)際特點(diǎn)，本文采用交叉雙導(dǎo)線的網(wǎng)形。

該網(wǎng)形相對(duì)于傳統(tǒng)的支導(dǎo)線更加復(fù)雜，每一條導(dǎo)線的控制點(diǎn)均成對(duì)布設(shè)于隧道洞內(nèi)，且各個(gè)控制點(diǎn)處的測站可以同時(shí)觀測4個(gè)水平方向的邊長。

1.2.2" "布網(wǎng)要點(diǎn)

通過進(jìn)洞口與出洞口設(shè)置的3個(gè)定向點(diǎn)，從進(jìn)洞口向洞內(nèi)成對(duì)布設(shè)控制點(diǎn)，形成交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)的測量網(wǎng)。長大隧道平面控制測量網(wǎng)的網(wǎng)形如圖2所示。

從圖2可以看出，交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)形具有較多的閉合環(huán)結(jié)構(gòu)。結(jié)合長大隧道的實(shí)際貫通施工需求，在該交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)形的基礎(chǔ)上，于洞內(nèi)分別布設(shè)了主、副導(dǎo)線[4]，確保每一個(gè)導(dǎo)線的環(huán)邊數(shù)在4個(gè)以下。

主導(dǎo)線的布設(shè)采用長度在10cm以上的GPS控制點(diǎn)轉(zhuǎn)孔注植筋膠作為導(dǎo)線樁。副導(dǎo)線的布設(shè)采用強(qiáng)制對(duì)中盤焊接在管片螺栓處。

主、副導(dǎo)線控制點(diǎn)橫向距離盡量放遠(yuǎn)，以增大導(dǎo)線角度，避免極小角影響測量精度。控制點(diǎn)在里程方向距離需視隧道實(shí)際情況調(diào)整，在滿足通視的前提下，距離盡量長，相鄰導(dǎo)線邊距離比例不宜超過1：3。

2" "橫向貫通誤差精度估算

長大隧道貫通施工是一項(xiàng)復(fù)雜且系統(tǒng)的工程，由于受技術(shù)水平、測量儀器、現(xiàn)場施工環(huán)境等因素的影響，在采用平面控制網(wǎng)進(jìn)行隧道洞內(nèi)的控制測量時(shí)，無法避免產(chǎn)生橫向貫通誤差。一旦誤差超過限值就會(huì)影響隧道施工的順利進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)長大隧道橫向貫通誤差測量控制，關(guān)鍵在于平面控制測量網(wǎng)的測量精度引起的橫向貫通誤差的估算[5]。

2.1" "橫向貫通誤差限值

橫向貫通誤差就是指隧道開挖過程中進(jìn)洞口與出洞口的施工中線在貫通平面出現(xiàn)的偏差。參考我國《新建鐵路工程測量規(guī)范》可知，隧道橫向貫通誤差限值如表1所示。

在對(duì)長大隧道橫向貫通誤差精度進(jìn)行估算時(shí)，如果精度符合設(shè)計(jì)要求，則可以合理設(shè)計(jì)隧道平面控制測量方案，為隧道順利施工提供理論依據(jù)。如果精度不符合設(shè)計(jì)要求，則需要制定提高洞內(nèi)控制測量精度的方案。

2.2" "橫向貫通誤差估算

長大隧道洞內(nèi)平面控制導(dǎo)線網(wǎng)誤差引起的橫向貫通誤差C，其計(jì)算公式為：

（1）

式（1）中：C1表示平面控制測量網(wǎng)的測邊邊長的相對(duì)中誤差；C2表示平面控制測量網(wǎng)中導(dǎo)線測量測角的誤差；α表示隧道橫向貫通面的方位角；H表示各個(gè)控制點(diǎn)與隧道橫向貫通面之間的垂直距離；D表示各邊在橫向貫通面上的投影長度；L表示隧道長度。

平面控制測量網(wǎng)的測邊邊長的相對(duì)中誤差C1，采用式（2）進(jìn)行計(jì)算。

（2）

式（2）中：C1表示測量儀器自身的測量精度；C2表示因目標(biāo)偏差誤差導(dǎo)致的測量誤差；C3表示因測量儀器誤差導(dǎo)致的測量誤差；C4表示因測角誤差導(dǎo)致的測量誤差；C5表示因外界因素導(dǎo)致的測量誤差。

結(jié)合長大隧道實(shí)際貫通面位置與平面控制測量網(wǎng)的位置，采用豎井測量的方法，獲取隧道洞內(nèi)各個(gè)平面控制點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而得到各個(gè)控制點(diǎn)與隧道橫向貫通面之間的垂直距離H，以及各邊在橫向貫通面上的投影長度D。將上述數(shù)據(jù)代入式（1）中，即可求出長大隧道洞內(nèi)平面控制導(dǎo)線網(wǎng)誤差引起的預(yù)期橫向貫通誤差C。

2.3" "實(shí)例分析

某城際鐵路起訖里程DK35+771～DK41+915，全長6144m。在該隧道的橫向貫通施工過程中，已知實(shí)測的平面控制網(wǎng)中導(dǎo)線測角的誤差C2=±1.00′，出洞口投點(diǎn)C1到橫向貫通面的距離為360m，進(jìn)洞口投點(diǎn)J1與J2到橫向貫通面的距離分別為6140m、6000m。將工程有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1），得到橫向貫通誤差C洞內(nèi)=±87.15mm，小于表1所示隧道橫向貫通誤差限值100mm。

在實(shí)際施工中，考慮到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)誤差、接收洞門安裝誤差等影響因素，貫通誤差較難控制在限值之內(nèi)。為此在盾構(gòu)隧道正式施工之前，需要給出相應(yīng)提升洞內(nèi)控制測量精度的方案，確保隧道開挖軸線滿足設(shè)計(jì)貫通精度要求。

3" "洞內(nèi)控制測量精度的提升方案

3.1" "陀螺全站儀的作用

針對(duì)長大隧道貫通測量精度要求較高的工程，傳統(tǒng)的平面控制測量技術(shù)已經(jīng)無法滿足施工需求。為提升長大隧道貫通中洞內(nèi)控制測量的精度，本文采用在常規(guī)平面控制測量網(wǎng)中引入高精度的陀螺全站儀[6]。

簡單來說就是在隧道洞內(nèi)導(dǎo)線中加入定量的陀螺方位角。利用陀螺儀來增加平面控制測量網(wǎng)的網(wǎng)形強(qiáng)度，從而避免測量網(wǎng)中因測角誤差引發(fā)的橫向貫通誤差不斷累積，保障橫向貫通精度滿足設(shè)計(jì)要求。

一般來說，在利用平面控制測量網(wǎng)測量長大隧道洞內(nèi)橫向貫通中軸線位置時(shí)，由于平面控制測量網(wǎng)主要是在隧道洞內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)線坐標(biāo)與方位角的傳遞，如果隧道兩端洞口之間的開挖距離過長，就會(huì)因測角誤差帶來較大的橫向貫通誤差。如果通過具有獨(dú)立定向功能的陀螺全站儀，來修正平面控制測量網(wǎng)的方位角誤差，就可以大大降低隧道的橫向貫通誤差。

3.2" "陀螺全站儀的使用流程

利用陀螺全站儀提高洞內(nèi)控制測量精度的具體流程如下：

首先，在長大隧道兩端開挖洞口的投點(diǎn)已知邊上測量陀螺方位角。經(jīng)過多次的測量即可獲取一個(gè)陀螺全站儀的常數(shù)γ。其計(jì)算公式為：

γ=δ1-δ2" " " " " " " " "（3）

式（3）中：δ1表示隧道平面測量控制網(wǎng)已知邊的真方位角；δ2表示已知邊的測量陀螺方位角。

其次，在隧道洞內(nèi)選定平面控制測量網(wǎng)的導(dǎo)線，以同樣的方式多次測量導(dǎo)線測量邊的陀螺方位角。將γ代入式（4）中，即可得到隧道洞內(nèi)測量網(wǎng)待測導(dǎo)線邊的方位角λ，其計(jì)算公式為：

λ=δ3+γ-β" " " " " " " " " （4）

式（4）中：δ3表示平面控制測量網(wǎng)待測導(dǎo)線邊的陀螺方位角；β表示平面控制測量網(wǎng)待測導(dǎo)線邊測站點(diǎn)的子午線收斂角。

與此同時(shí)，再次對(duì)長大隧道兩端開挖洞口的投點(diǎn)進(jìn)行陀螺方位角的測定。這樣不僅可以確定陀螺全站儀的儀器常數(shù)，而且可以保障儀器穩(wěn)定運(yùn)行。

最后，基于以上數(shù)據(jù)在隧道洞內(nèi)平面控制測量網(wǎng)的導(dǎo)線上增設(shè)陀螺全站儀。

3.3" "合理布設(shè)陀螺全站儀

根據(jù)我國《地鐵工程測量規(guī)范》可知，地鐵隧道開挖過程中，對(duì)于超過1500m隧道，需每800m采用一個(gè)陀螺方位角在5″級(jí)之上的陀螺全站儀進(jìn)行定向邊加測。通常加測的陀螺方位數(shù)量越多，對(duì)隧道橫向貫通誤差精度的增益越明顯。同時(shí)布設(shè)陀螺全站儀的方位不同，對(duì)貫通誤差精度的增益也不一致。

在實(shí)際測量過程中，需要結(jié)合工程的實(shí)際情況，合理設(shè)定陀螺全站儀的數(shù)量與位置。如果陀螺全站儀的布設(shè)數(shù)量過多，不僅不會(huì)提高橫向貫通精度，還會(huì)增加工程造價(jià)。針對(duì)兩端開挖洞口之間的距離較長的長大隧道，需要在洞內(nèi)布設(shè)3個(gè)左右的陀螺全站儀，且各陀螺方位角要沿著平面控制測量網(wǎng)中導(dǎo)線均勻布設(shè)。

綜上所述，通過對(duì)平面控制測量網(wǎng)加測陀螺方位角，即可有效提升長大隧道洞內(nèi)橫向貫通的測量精度。

4" "結(jié)束語

隨著我國地鐵線網(wǎng)的擴(kuò)展與隧道工程規(guī)模的擴(kuò)大，人們對(duì)長大隧道橫向貫通精度提出了更高的要求。本文針對(duì)長大隧道的平面控制測量網(wǎng)采用交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)形式布設(shè)，并對(duì)隧道橫向貫通誤差進(jìn)行估算。結(jié)合實(shí)際施工要求，從而采取行之有效的陀螺全站儀來提高洞內(nèi)控制測量精度，促使隧道橫向貫通控制測量精度滿足盾構(gòu)施工的規(guī)范要求。

雖然本文已經(jīng)取得一定研究成果，但由于時(shí)間有限，目前僅針對(duì)隧道平面控制網(wǎng)的測量精度進(jìn)行了探討。在我國城市化進(jìn)度不斷加快的今天，鐵路隧道施工效率對(duì)城市交通業(yè)的影響越來越突出，如何提升長大隧道洞內(nèi)控制測量效率，將成為未來研究的重要方向。

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