姚文強(qiáng)

(上海市測繪院，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，隧道貫通測量精度很難保證，因此在長距離隧道貫通測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)系測量引起的誤差m2、導(dǎo)線測量引起的誤差m3、貫通處洞門中心測量引起的誤差m4以及隧道施工因素影響。在制定貫通精度指標(biāo)時，一般預(yù)留貫通允許誤差的一半給施工影響。因此實(shí)際針對貫通允許的測量誤差制訂方案時只需考慮前4項(xiàng)誤差影響。

其中地面控制網(wǎng)測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)過分析其對隧道貫通誤差影響m1應(yīng)當(dāng)小于±1 cm:

聯(lián)系測量是將地面控制網(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)系測量精度mα=±3″，聯(lián)系測量對于貫通誤差的影響m2達(dá)到了±11 cm。

地下導(dǎo)線測量過程中，地下導(dǎo)線按照GB/T15314－94《精密工程測量規(guī)范》二級測角、三級測邊控制技術(shù)要求施測。為有效控制觀測精度，除按照上述規(guī)范進(jìn)行施測外，針對狹長導(dǎo)線控制點(diǎn)，將觀測總測回以奇數(shù)測回和偶數(shù)測回分別觀測導(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倍的測角中誤差，根據(jù)公式:

其中:μ為測邊單位權(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)線測量對貫通誤差的影響m3為±60.2 mm。

洞門中心坐標(biāo)測量是大型隧道的一個難點(diǎn)，以長江隧道項(xiàng)目Φ16000大型洞門為例，直徑太大，測量難度較大，同時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，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)系測量時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)目中允許的測量偏差均為 15 cm。因此采用常規(guī)測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)證測量精度。通過多次測量，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)系測量地下起始邊方位角精度接近±2″。

3.2 大型洞門精確測量技術(shù)

隧道貫通處洞門中心坐標(biāo)是隧道貫通時盾構(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，等貫通時盾構(gòu)機(jī)從圓環(huán)中破壁并入洞。常規(guī)測量方法無法準(zhǔn)確的測量洞門中心三維坐標(biāo)以及洞門的變形情況。

因此在測量過程中假設(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，起始方位角精度對貫通測量精度的影響極大，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)系測量精度受到風(fēng)力、光照、震動等因素的影響。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)線方位角測量。由于陀螺儀測定的方位角不受貫通導(dǎo)線測量精度的影響，能有效避免導(dǎo)線測角誤差的累積，因此對地下貫通導(dǎo)線測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)用時需要測定儀器常數(shù)和計算子午收斂角，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)線計算過程中將實(shí)測距離進(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)線測角精度。

經(jīng)過嚴(yán)密平差，計算出導(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)緯儀對地下貫通導(dǎo)線進(jìn)行檢測，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)線方位角測量并加入地下貫通導(dǎo)線平差，同樣對地下貫通導(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)貫通測量中綜合運(yùn)用大深度聯(lián)系測量技術(shù)、洞門檢測技術(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)計做好地面控制網(wǎng)測量和地下導(dǎo)線測量，可以有效提高地下貫通測量精度，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量的先例。

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

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

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

［4］GB/T 15314－94．精密工程測量規(guī)范［S］．

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