姚文強(qiáng)

(上海市測(cè)繪院，上海 200129)

1 引言

為滿足城市發(fā)展的需要，越來越多的長距離隧道被列入規(guī)劃。長距離隧道由于其工程工期長、距離長，隧道貫通測(cè)量精度很難保證，因此在長距離隧道貫通測(cè)量中必須十分注重各項(xiàng)指標(biāo)的控制，并采用新技術(shù)進(jìn)行貫通測(cè)量成果的驗(yàn)證，以保障隧道的精確貫通。

圖1 長江隧道工程和青草沙原水過江管軸線位置示意圖

上海長江隧道和青草沙原水過江管隧道均位于上海市浦東新區(qū)，是連接上海浦東和長興島的隧道項(xiàng)目:上海長江隧道工程是上?！靼哺咚俟返囊徊糠?，隧道盾構(gòu)段 7.47 km，上、下行兩條隧道采用兩臺(tái)Φ15430盾構(gòu)機(jī)單向一次性掘進(jìn)，是目前世界上直徑最大的隧道項(xiàng)目，項(xiàng)目建成后將極大地帶動(dòng)上海以及長興島和崇明島經(jīng)濟(jì)的發(fā)展;青草沙原水過江管隧道是將上海青草沙水庫優(yōu)質(zhì)原水送往上海陸域地區(qū)的主動(dòng)脈工程，工程在長江兩岸建設(shè) 30 m×30 m，深 35.3 m的工作豎井，隧道采用兩臺(tái)Φ5840盾構(gòu)機(jī)，從浦東側(cè)豎井井下向長興島方向單向一次性掘進(jìn)，盾構(gòu)段長度 7.29 km。隧道工程建成后，上海市80%的飲用水都將改為青草沙優(yōu)質(zhì)原水，大大提升居民用水水質(zhì)。

2 影響長距離隧道貫通測(cè)量的主要因素

長距離隧道貫通精度主要受到地面控制網(wǎng)引起的誤差m1、聯(lián)系測(cè)量引起的誤差m2、導(dǎo)線測(cè)量引起的誤差m3、貫通處洞門中心測(cè)量引起的誤差m4以及隧道施工因素影響。在制定貫通精度指標(biāo)時(shí)，一般預(yù)留貫通允許誤差的一半給施工影響。因此實(shí)際針對(duì)貫通允許的測(cè)量誤差制訂方案時(shí)只需考慮前4項(xiàng)誤差影響。

其中地面控制網(wǎng)測(cè)量采用國家二等平面控制網(wǎng)布設(shè)，相鄰GPS點(diǎn)邊長精度達(dá)到 1/100 000經(jīng)過分析其對(duì)隧道貫通誤差影響m1應(yīng)當(dāng)小于±1 cm:

聯(lián)系測(cè)量是將地面控制網(wǎng)的方位和坐標(biāo)傳遞到井下的過程，由其傳遞的起始方位角精度直接影響貫通導(dǎo)線精度，根據(jù)公式:

其中:mα為起始方位角精度;S為隧道長度。

在長距離隧道中(以隧道長度 7.5 km為例)，若吊鋼絲聯(lián)系三角形法進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量精度mα=±3″，聯(lián)系測(cè)量對(duì)于貫通誤差的影響m2達(dá)到了±11 cm。

地下導(dǎo)線測(cè)量過程中，地下導(dǎo)線按照GB/T15314－94《精密工程測(cè)量規(guī)范》二級(jí)測(cè)角、三級(jí)測(cè)邊控制技術(shù)要求施測(cè)。為有效控制觀測(cè)精度，除按照上述規(guī)范進(jìn)行施測(cè)外，針對(duì)狹長導(dǎo)線控制點(diǎn)，將觀測(cè)總測(cè)回以奇數(shù)測(cè)回和偶數(shù)測(cè)回分別觀測(cè)導(dǎo)線前進(jìn)方向的左角和右角，左、右角之和應(yīng)等于360°，其誤差值不應(yīng)大于2倍的測(cè)角中誤差，根據(jù)公式:

其中:μ為測(cè)邊單位權(quán)中誤差;n為導(dǎo)線邊數(shù);S為地下支導(dǎo)線長度。

采用 TC2003、TCA2003 全站儀，取 μ=±2 mm;mβ=±0.7″;S取 7.5 km;取 n=15 則貫通導(dǎo)線測(cè)量對(duì)貫通誤差的影響m3為±60.2 mm。

洞門中心坐標(biāo)測(cè)量是大型隧道的一個(gè)難點(diǎn)，以長江隧道項(xiàng)目Φ16000大型洞門為例，直徑太大，測(cè)量難度較大，同時(shí)大型洞門在制作安裝過程存在一定的變形，中心坐標(biāo)更加難以確定。按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行估計(jì)，中心坐標(biāo)精度m4可以達(dá)到±2 cm。

將以上4項(xiàng)誤差項(xiàng)綜合考慮，貫通誤差應(yīng)當(dāng)在±12.7 cm。

以上4項(xiàng)影響誤差估算都是在理想情況下，實(shí)際操作過程中由于聯(lián)系測(cè)量時(shí)受到外界影響誤差較大、導(dǎo)線非等邊直伸導(dǎo)線等因素，實(shí)際貫通誤差會(huì)更大。由于在長江隧道和青草沙原水過江管隧道項(xiàng)目中允許的測(cè)量偏差均為 15 cm。因此采用常規(guī)測(cè)量方法很難保證滿足精度要求。

3 提高精度的關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)用

3.1 大深度豎井聯(lián)系測(cè)量技術(shù)

在青草沙原水過江管隧道中，涉及尺寸為 30 m×30 m，深 35.3 m的工作豎井，這樣大尺寸的豎井聯(lián)系測(cè)量的實(shí)施以及精度情況在規(guī)范上沒有參考，因此在該項(xiàng)目中筆者采用傳統(tǒng)吊鋼絲聯(lián)系三角形法(圖2)和目前世界上精度最高的投點(diǎn)儀WILD ZL(圖3)配合特制棱鏡采用聯(lián)系三角形法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并通過高精度陀螺經(jīng)緯儀驗(yàn)證測(cè)量精度。通過多次測(cè)量，發(fā)現(xiàn)采用特制鋼絲和加固鋼絲支架后吊鋼絲聯(lián)系三角形法數(shù)據(jù)穩(wěn)定，定向值互差較小，方位角均值與投點(diǎn)儀聯(lián)系三角形法多次測(cè)量結(jié)果、陀螺經(jīng)緯儀成果較差較小，如表1所示。

圖2 吊鋼絲法聯(lián)系三角形測(cè)量示意圖

圖3 WILD ZL投點(diǎn)儀和特制棱鏡

青草沙隧道東線隧道定向數(shù)據(jù)表 表1

通過多種方法驗(yàn)證和大量數(shù)據(jù)分析得出，本次聯(lián)系測(cè)量地下起始邊方位角精度接近±2″。

3.2 大型洞門精確測(cè)量技術(shù)

隧道貫通處洞門中心坐標(biāo)是隧道貫通時(shí)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的目標(biāo)，其精度直接關(guān)系到貫通質(zhì)量，以長江隧道Φ16000大型洞門為例(圖4)，成型圓環(huán)由弧形預(yù)制鋼片拼裝而成，外側(cè)由加厚的混凝土井壁作為支撐，環(huán)內(nèi)留有一層薄混凝土井壁，等貫通時(shí)盾構(gòu)機(jī)從圓環(huán)中破壁并入洞。常規(guī)測(cè)量方法無法準(zhǔn)確的測(cè)量洞門中心三維坐標(biāo)以及洞門的變形情況。

因此在測(cè)量過程中假設(shè)圓形鋼環(huán)變形為橢圓，利用全站儀的免棱鏡功能實(shí)測(cè)洞門圓環(huán)的內(nèi)側(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。先用各點(diǎn)坐標(biāo)擬合出洞門所在的平面，將各點(diǎn)三維坐標(biāo)投影到洞門平面上，利用平面坐標(biāo)擬合出橢圓參數(shù)和中心坐標(biāo)，再返算成標(biāo)準(zhǔn)的空間三維坐標(biāo)。

平面橢圓可以表示為:

長江隧道東線洞門擬合成果表 表2

3.3 高精度陀螺經(jīng)緯儀技術(shù)

在長距離跨江隧道中，由于地下導(dǎo)線均采用支導(dǎo)線方式，起始方位角精度對(duì)貫通測(cè)量精度的影響極大，尤其在青草沙原水過江管項(xiàng)目中，地下貫通導(dǎo)線起始方位角主要采用吊鋼絲聯(lián)系三角形測(cè)量法，其方位傳遞精度有限，且本項(xiàng)目工作井尺寸和深度均較大，吊鋼絲聯(lián)系測(cè)量精度受到風(fēng)力、光照、震動(dòng)等因素的影響。為保證地下貫通導(dǎo)線精度，筆者選用目前國內(nèi)精度最高的陀螺經(jīng)緯儀GYROMAT－2000(圖5)進(jìn)行吊鋼絲聯(lián)系三角形定向成果檢驗(yàn)和地下導(dǎo)線方位角測(cè)量。由于陀螺儀測(cè)定的方位角不受貫通導(dǎo)線測(cè)量精度的影響，能有效避免導(dǎo)線測(cè)角誤差的累積，因此對(duì)地下貫通導(dǎo)線測(cè)定陀螺方位角可以有效提高導(dǎo)線精度。GYROMAT－2000型高精度自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀標(biāo)稱的最高尋北精度為±3.2″，實(shí)際方位角定向精度受到目標(biāo)瞄準(zhǔn)精度(GYROMAT－2000型采用Leica T1800型電子經(jīng)緯儀，測(cè)角精度為±1″)，由于陀螺方位角屬于大地坐標(biāo)系，而工程采用的是上海城市坐標(biāo)系統(tǒng)，故在實(shí)際運(yùn)用時(shí)需要測(cè)定儀器常數(shù)和計(jì)算子午收斂角，將大地坐標(biāo)系中的陀螺方位角轉(zhuǎn)換為城市坐標(biāo)系中的坐標(biāo)方位角。

以青草沙長江原水過江管工程地下貫通導(dǎo)線為例，導(dǎo)線計(jì)算過程中將實(shí)測(cè)距離進(jìn)行投影面改正并歸化至 0 m高程面。在導(dǎo)線第13條邊上加測(cè)陀螺方位角。按下式定權(quán)后進(jìn)行平差。

圖5 GYROMAT－2000型陀螺經(jīng)緯儀

mαA為起始邊定向角精度;mαB為陀螺方位角精度;mβ為導(dǎo)線測(cè)角精度。

經(jīng)過嚴(yán)密平差，計(jì)算出導(dǎo)線最前點(diǎn)O2坐標(biāo)，并在后期通過垂直頂升管將地面控制網(wǎng)坐標(biāo)傳遞至地下后測(cè)量O2坐標(biāo)進(jìn)行比較，如表3所示。

青草沙原水過江管地下貫通導(dǎo)線平差結(jié)果與地面控制網(wǎng)結(jié)果比較表 表3

將成果偏差歸化到軸線方向顯示，地下貫通導(dǎo)線端點(diǎn)橫向偏差為+79 mm，縱向偏差為+9 mm。通過在青草沙原水過江管項(xiàng)目中采用高精度陀螺經(jīng)緯儀對(duì)地下貫通導(dǎo)線進(jìn)行檢測(cè)，有效地保證了地下貫通導(dǎo)線的精度，保障了隧道的精確貫通。

在長江隧道項(xiàng)目中，采用高精度陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行地下貫通導(dǎo)線方位角測(cè)量并加入地下貫通導(dǎo)線平差，同樣對(duì)地下貫通導(dǎo)線起到了很好的糾偏效果，保證了長江隧道項(xiàng)目的精確貫通。

4 結(jié)論

通過在長距離隧道一次性掘進(jìn)貫通測(cè)量中綜合運(yùn)用大深度聯(lián)系測(cè)量技術(shù)、洞門檢測(cè)技術(shù)以及高精度陀螺經(jīng)緯儀，嚴(yán)格按照規(guī)范和方案設(shè)計(jì)做好地面控制網(wǎng)測(cè)量和地下導(dǎo)線測(cè)量，可以有效提高地下貫通測(cè)量精度，通過筆者在上海長江隧道工程和青草沙原水過江管隧道工程對(duì)上述技術(shù)方法充分運(yùn)用，兩大項(xiàng)目地下貫通導(dǎo)線均獲得了較高的貫通精度，上海長江隧道工程于2008年9月雙線精確貫通、青草沙原水過江管隧道于2010年1月雙線線精確貫通，開創(chuàng)了國內(nèi)長距離跨江隧道單向一次性貫通測(cè)量的先例。

［1］姚文強(qiáng)等．上海長江隧道工程貫通測(cè)量方案［R］．上海市測(cè)繪院，2006．

［2］ 姚文強(qiáng)等．長江原水過江管工程測(cè)量方案［R］．上海市測(cè)繪院，2008．

［3］GB 50308－2008．地下鐵道、輕軌交通工程測(cè)量規(guī)范［S］．

［4］GB/T 15314－94．精密工程測(cè)量規(guī)范［S］．

［5］ 孔祥元，梅是義．控制測(cè)量學(xué)(上冊(cè))［M］．武漢:武漢大學(xué)出版社，2002．