高鐵長大隧道洞內(nèi)施工平面控制測量方法研究

鄧云鵬DENG Yun-peng

（四川川交路橋有限責(zé)任公司，德陽 618300）

0 引言

近年來，基于測量儀器、數(shù)據(jù)平差處理軟件的快速發(fā)展，為隧道工程洞外施工建設(shè)提供了極大幫助。且基于測量方案內(nèi)容指導(dǎo)，測量工作的準(zhǔn)確程度能夠與洞外平面測量需求吻合。但在隧道洞內(nèi)施工階段，照明因素會較大程度地影響高程控制測量的精準(zhǔn)程度。因洞內(nèi)的高程變化不明顯，只需采用精準(zhǔn)度較高的電子水準(zhǔn)儀，就能夠合理控制測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。然而隧道工程洞內(nèi)空間狹窄且長，內(nèi)部空氣質(zhì)量較差，很容易受多項(xiàng)施工工序影響而增加內(nèi)空間平面控制測量的控制難度。為此，結(jié)合實(shí)際工程案例探討長大隧道洞內(nèi)施工平面控制測量具體方法，以促進(jìn)此類工程順利施工。

1 高鐵長大隧道洞內(nèi)施工平面控制測量方法——以東華山隧道為例

1.1 項(xiàng)目概況

東華山隧道工程的起訖里程為DK145+754～D1K152+700，全長6946m，中心里程為D1K149+277。在隧道DK145+754～DK148+262.2595 段左線位于半徑R=4500m的左偏曲線上，而DK145+754～DK148+262.2587 段右線位于半徑R=4504.6m 左偏曲線之上。隧道的進(jìn)口里程為DK145+754，出口里程為D1K152+700，而進(jìn)口軌面高程是401.0910m，出口軌面高程是371.6006m。

1.2 測量方法

1.2.1 選擇網(wǎng)型

精密的導(dǎo)線測量是隧道工程洞內(nèi)平面控制的主要方法，在長期施工實(shí)踐過程中，如果洞內(nèi)單向掘進(jìn)里程不超過3km，則應(yīng)選取閉合導(dǎo)線測量方法。結(jié)合東華山隧道項(xiàng)目情況，導(dǎo)線布設(shè)形式則應(yīng)選擇多邊形閉合環(huán)形式。長隧道盡量選擇交叉雙導(dǎo)線形式布設(shè)，使網(wǎng)內(nèi)部檢核條件改善并增強(qiáng)其可靠性能[1]。開展此隧道施工期間，襯砌養(yǎng)護(hù)臺車、鉆爆臺車、防水板臺車與襯砌臺車等均停于與開挖作業(yè)面相近的位置，直接影響測量的通視性。于中心水溝兩側(cè)布點(diǎn)位置形成閉合環(huán)式導(dǎo)線，能夠?qū)ψ鴺?biāo)傳遞產(chǎn)生積極影響。如果此段選擇交叉雙導(dǎo)線，通視寬度在2-3m 之間，會使各閉合環(huán)內(nèi)存在不超過1°的角（2 個）。測量小角的精準(zhǔn)度難以得到保障，更容易出現(xiàn)環(huán)的閉合差超限的情況[2]。

結(jié)合東華山隧道情況分析，將交叉雙導(dǎo)線布設(shè)在隧道洞口向內(nèi)4km 的范圍，導(dǎo)線環(huán)的布設(shè)數(shù)量為16 個，且邊長均控制在250m。在進(jìn)入隧道洞內(nèi)4km 后，應(yīng)以閉合導(dǎo)線為主要參考向前延伸，直至仰拱端頭的位置。在估算貫通誤差后明確此測量方案的應(yīng)用，能夠使數(shù)據(jù)精準(zhǔn)程度處于規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)[3]。此隧道項(xiàng)目的導(dǎo)線測量等級根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定為二等，具體規(guī)范技術(shù)要求應(yīng)滿足表1-表3 所示要求。

表1 導(dǎo)線測量技術(shù)要求（1"儀器）

表2 邊長測量技術(shù)要求

交叉雙導(dǎo)線的布設(shè)如圖1 所示。

圖1 交叉雙導(dǎo)線布設(shè)圖示

1.2.2 埋設(shè)控制點(diǎn)

控制點(diǎn)設(shè)置的過程中，要使用電鉆打孔，并選擇在隧道兩側(cè)的電纜槽部位進(jìn)行固定，通常測量標(biāo)志的材料應(yīng)是不銹鋼，保證距離隧道側(cè)壁1.5m 的位置。需要注意的是，控制點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)成對進(jìn)行，在一段里程中，控制點(diǎn)四周均應(yīng)保持10m 距離，進(jìn)而在導(dǎo)線測量期間參考距離完成（圖2）。

圖2 控制點(diǎn)埋設(shè)位置圖示

此外，要綜合考慮隧道工程內(nèi)部環(huán)境等因素，洞內(nèi)控制測量導(dǎo)線的長度最佳長度是250m。同時，要盡可能保證邊長接近，以免測量照準(zhǔn)狀態(tài)下調(diào)焦操作出現(xiàn)較大的視覺誤差。通常選擇隧頂正中的部位布設(shè)通風(fēng)管，若布設(shè)位置是兩側(cè)，則會對測量過程的通視感產(chǎn)生影響，也會影響監(jiān)測襯砌沉降的效果[4]。以電纜槽水溝側(cè)壁頂端的位置為主完成控制點(diǎn)的埋設(shè)，能夠完全規(guī)避填充面的行車道，為避免測量準(zhǔn)確度受到影響，應(yīng)合理采取保護(hù)措施。洞內(nèi)測量使用全站自動照準(zhǔn)的過程中，在激光相位的基礎(chǔ)上完成計(jì)算，但計(jì)算結(jié)果很容易受影響，甚至還會有旁折光效應(yīng)的發(fā)生。即便是采用人工觀測的手段，仍會在旁折光的作用下使視線受到影響。為此，在實(shí)際測量的過程中，測量的視線和構(gòu)筑物旁離應(yīng)不低于0.2m，在解決上述問題的同時亦可使角度測量結(jié)果更準(zhǔn)確。測量隧道側(cè)壁時，其直線段測量視線、控制點(diǎn)均需與側(cè)壁保持合理距離，而曲線段則不同，需要保證控制點(diǎn)距離側(cè)壁小于控制點(diǎn)[5]。如圖3 所示，東華山隧道施工建設(shè)期間，在測量視線與側(cè)壁距離為0.2m 時，確定控制點(diǎn)與側(cè)壁最小距離的公式如下：

圖3 測線與隧道側(cè)壁距離計(jì)算圖示

（圓曲線的半徑用R 表示；導(dǎo)線邊長則通過S 表示）。參考以上公式，最小距離計(jì)算所得為0.98m。

對隧道工程洞內(nèi)進(jìn)行測量期間，由于內(nèi)部環(huán)境的水蒸氣、煙塵等因素始終存在，使得測角檢測結(jié)果容易受到旁折光影響，難以得出相應(yīng)的測量規(guī)律。但需要注意的是，控制點(diǎn)與側(cè)壁距離越遠(yuǎn)，越不容易受到旁折光的影響，越能夠保證測角的精確性[6]。在東華山隧道高鐵長大隧道工程項(xiàng)目中，圓曲線段的控制點(diǎn)布設(shè)位置選擇于電纜槽水溝與隧中一側(cè)相近的側(cè)壁頂端。導(dǎo)線測量階段，測量儀器中心應(yīng)當(dāng)距離隧道側(cè)壁1.5m 遠(yuǎn)，測量視線和側(cè)壁最小的距離為0.7m，規(guī)范距離是0.2m，能夠使旁折光所引起的測角誤差減小。

1.2.3 測量儀器的選用

為滿足東華山隧道洞內(nèi)施工平面控制測量的技術(shù)要求，選擇全站儀時將1"級以上測量機(jī)器人作為首選，同時選擇自動照準(zhǔn)智能全站儀[7]。上述選用的儀器設(shè)備均具有自動照準(zhǔn)的功能，同時兼具搜索的自動化特點(diǎn)，在照準(zhǔn)棱鏡的基礎(chǔ)上測量角度，有效減小了人工測量方式引起的誤差。

1.2.4 外業(yè)施測

在開展外業(yè)測量的過程中，要求嚴(yán)格遵循二等導(dǎo)線技術(shù)進(jìn)行。但交叉雙導(dǎo)線測站的數(shù)量多，需在測量之前根據(jù)點(diǎn)位圖對轉(zhuǎn)站的順序提前編制，以免出現(xiàn)漏測或是少測的問題[8]。另外，測量前要系統(tǒng)檢查并矯正棱鏡與儀器基座等部位。值得注意的是，隧道洞內(nèi)與洞外始終存在溫差，所以要求在測量之前將儀器靜置，且時間超過20min，確保其適應(yīng)洞內(nèi)的溫度，以免鏡頭與棱鏡出現(xiàn)水露。校正儀器和基座過程中，很難保證1mm 調(diào)校的效果。所以在儀器和棱鏡對中期間，要從多個方向進(jìn)行檢查，以確保各方向偏差基本一致，盡可能減小對中誤差。每觀測完成一站，均需在現(xiàn)場對測回間等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，一旦出現(xiàn)與規(guī)范要求不符的情況要重新測量。而閉合環(huán)測量完成后，應(yīng)選擇可編程的計(jì)算器對其與規(guī)范要求的契合程度進(jìn)行計(jì)算，如果存在超限的情況同樣需重新測量。因隧道洞內(nèi)的施工工序相對復(fù)雜，直接影響了內(nèi)部空氣質(zhì)量，甚至?xí)绊懹^測條件。在這種情況下，測量控制網(wǎng)的過程中盡量停工，確保一次性完成觀測[9]。結(jié)合長期實(shí)踐了解到，一次性觀測的精準(zhǔn)度更高。且控制網(wǎng)的精準(zhǔn)度越高，隧道工程質(zhì)量也越高，所以停工測量具有一定可行性。

1.3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

第一，檢查修正。采集閉合環(huán)數(shù)據(jù)以后，即可檢查并修整相關(guān)數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^對平差軟件的使用對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，同時參考誤差標(biāo)準(zhǔn)，一旦出現(xiàn)不符合的情況，應(yīng)當(dāng)確定控制點(diǎn)具體編號，在重新測量后獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。在處理數(shù)據(jù)過程中，一般需借助軟件實(shí)現(xiàn)清除粗差的目的，降低檢測的容錯率。對隧道工程洞內(nèi)邊長測量結(jié)果修訂時，要確定基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線差異，并以高程比為依據(jù)矯正數(shù)據(jù)信息，使測量結(jié)果更準(zhǔn)確。第二，精密平差。精密平差是數(shù)據(jù)處理的重點(diǎn)，為閉合測量精準(zhǔn)度的提升提供了極大幫助。計(jì)算前要合理選擇平差軟件，常用軟件包括南方平差易與科達(dá)普施。上述測量軟件在準(zhǔn)確計(jì)算單閉合環(huán)精準(zhǔn)度的同時做出客觀評定，進(jìn)而達(dá)到整網(wǎng)平差的目的[10]。前者能夠計(jì)算出閉合環(huán)的閉合差，并以“通過”、“好”、“很好”、“非常好”等表達(dá)形式顯示單環(huán)精準(zhǔn)度。此外，針對與限差要求吻合但精準(zhǔn)度不高的單閉合環(huán)要開展外業(yè)補(bǔ)測作業(yè)，保證單個閉合環(huán)精準(zhǔn)度評價均滿足“非常好”，使整網(wǎng)精準(zhǔn)度提升。結(jié)合東華山隧道項(xiàng)目實(shí)際情況，利用南方平差易軟件針對控制網(wǎng)實(shí)施整網(wǎng)平差，選用科達(dá)普施軟件對比檢驗(yàn)平差結(jié)果。若計(jì)算期間出現(xiàn)較多數(shù)據(jù)迭代情況而收斂不明顯，軟件會自動暫停計(jì)算，并重新測量較差精準(zhǔn)度數(shù)據(jù)，在合格的情況下才會開展后續(xù)平差的計(jì)算，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)計(jì)算的科學(xué)性。第三，測量成果。以上任務(wù)完成后即可開展數(shù)據(jù)整理工作，以對錯項(xiàng)和漏項(xiàng)內(nèi)容展開重點(diǎn)檢查。一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，應(yīng)及時重新測量，以獲取可靠性更強(qiáng)的結(jié)果。而在整理期間，重點(diǎn)集中于控制網(wǎng)等級、控制點(diǎn)數(shù)量、待測數(shù)據(jù)數(shù)量、控制測量標(biāo)準(zhǔn)等等，在完成數(shù)據(jù)記錄與備份后，即可用于制定施工方案中，進(jìn)而增強(qiáng)測量準(zhǔn)確性。第四，貫通效果分析。東華山隧道工程在控制網(wǎng)布測方案制定完成后，選擇使用具有較高性能的測量機(jī)器人，并對隧道洞內(nèi)與洞外細(xì)部工作環(huán)節(jié)重點(diǎn)把控，并實(shí)現(xiàn)了貫通目標(biāo)。根據(jù)貫通測量結(jié)果，其橫向的誤差是3mm，而縱向誤差是2mm，比規(guī)范的限差要求小。

2 優(yōu)化隧道洞內(nèi)施工平面控制測量措施

2.1 使用新型測量方法 開展平面控制測量工作期間，合理采用新型測量方法能夠使測量速度加快，同樣可保證數(shù)據(jù)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。在測繪技術(shù)體系趨于完善的情況下，可選擇的測量方法也逐漸增多，以GPS、RTK、GNSS 等最常使用。在測量方法實(shí)際運(yùn)用期間，依托大數(shù)據(jù)與信息技術(shù)優(yōu)勢整理相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以構(gòu)建新型的測量應(yīng)用機(jī)制。需在各體系內(nèi)詳細(xì)標(biāo)記不同方法應(yīng)用要點(diǎn)與步驟，并于測量前期系統(tǒng)采集基礎(chǔ)資料，以分析結(jié)果為依據(jù)篩選相應(yīng)的測量手段，使所選測量方法適用性更強(qiáng)。

2.2 科學(xué)管控測量誤差 測量實(shí)踐中，科學(xué)管控測量產(chǎn)生的誤差，能夠使實(shí)際采集的數(shù)據(jù)信息更加實(shí)用，在方案內(nèi)容改進(jìn)方面作用突出。所以，實(shí)際測量期間有必要及時調(diào)試測量儀器，使其精準(zhǔn)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，組織測量工作人員參與專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)和教育，盡可能避免人為因素引起的誤差而出現(xiàn)測量結(jié)果準(zhǔn)確度偏低的情況發(fā)生。而且在測量期間加大監(jiān)督力度，亦可使測量容錯率有所降低[11]。另外，應(yīng)綜合考慮隧道工程洞內(nèi)的環(huán)境，選取各個控制點(diǎn)測回次數(shù)增加的方式。尤其是除了正反鏡，保證控制點(diǎn)測回次數(shù)為2-3 次。獲取多個測量數(shù)據(jù)后計(jì)算平均數(shù)值，能夠有效降低數(shù)據(jù)的誤差。

2.3 測量設(shè)備調(diào)試保養(yǎng) 測量使用的儀器應(yīng)定期接受調(diào)試并采取養(yǎng)護(hù)措施，使運(yùn)行狀態(tài)更穩(wěn)定，保證獲取的數(shù)據(jù)更實(shí)用。在實(shí)際測量過程中，因設(shè)置的控制點(diǎn)數(shù)量多，所以要采集大量數(shù)據(jù)。應(yīng)在外業(yè)測量時對各控制點(diǎn)序號進(jìn)行編制，按照順序完成數(shù)據(jù)信息的采集作業(yè)。在測量前，要對設(shè)備精準(zhǔn)性進(jìn)行校正，以保證所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。完成測量工作后要合理保養(yǎng)測量儀器，在清除附著物后恢復(fù)初始狀態(tài)，使測量儀器實(shí)用性得到提升。

2.4 控制點(diǎn)保護(hù) 在合理保護(hù)控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利于實(shí)現(xiàn)測量成本節(jié)省的目標(biāo)，為后續(xù)測量操作的開展提供幫助。在選擇標(biāo)志方面，需在質(zhì)量達(dá)標(biāo)的同時具備耐久性能，使用砂漿在鉆孔部位固定標(biāo)志[12]。在復(fù)測之前，要嚴(yán)格檢查控制點(diǎn)的偏移狀況，如果偏移量較大，應(yīng)對控制點(diǎn)進(jìn)行更換，以免影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2.5 增強(qiáng)工作者專業(yè)水平 測量工作者綜合能力的提升可減少人為失誤的不良影響，使測量環(huán)境更穩(wěn)定。測量作業(yè)開展前，針對參與項(xiàng)目測量工作人員展開系統(tǒng)培訓(xùn)，對測量工序與細(xì)節(jié)進(jìn)行梳理，確保其測量知識體系得以完善，謹(jǐn)遵體系要求操作。此外，合理分配測量工作人員責(zé)任，如果出現(xiàn)高容錯率的問題，需在重新測量的基礎(chǔ)上追責(zé)相應(yīng)負(fù)責(zé)人，使測量工作人員提高重視度，促進(jìn)測量環(huán)境的優(yōu)化。

3 結(jié)束語

綜上所述，測量在隧道工程項(xiàng)目建設(shè)施工中的作用不容小覷，若經(jīng)測量未獲取有價值的數(shù)據(jù)信息，將對隧道建設(shè)產(chǎn)生較大影響。研究選擇東華山隧道項(xiàng)目，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況選擇洞內(nèi)的施工平面測量方案，結(jié)合數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析，網(wǎng)型的選擇、控制點(diǎn)埋設(shè)、測量儀器、外業(yè)施測等均為洞內(nèi)施工平面測量工作的順利開展提供了幫助，且通過針對性的數(shù)據(jù)處理方法，綜合測量結(jié)果得知洞內(nèi)橫向的誤差是3mm，縱向誤差是2mm，比規(guī)范的限差要求小，證實(shí)此測量方案具有一定可行性。通過采取相關(guān)優(yōu)化措施，能夠使隧道洞內(nèi)平面控制測量獲取的數(shù)據(jù)信息更準(zhǔn)確，且施工方案內(nèi)容的可操作性更強(qiáng)，為隧道工程項(xiàng)目的施工建設(shè)提供必要保障。