牛春霞

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401121)

0 引言

陜西省境內(nèi)黃延、靖安、小康、安毛等多條高速公路隧道設(shè)計(jì)采用的是旋轉(zhuǎn)隧道。旋轉(zhuǎn)隧道區(qū)別于一般隧道的主要特點(diǎn)是:隧道內(nèi)路面的橫坡或超高，是由隧道整體繞隧道高程設(shè)計(jì)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)而成，也就是隧道斷面上的任一點(diǎn)隨著橫坡的變化也發(fā)生改變，但其位置相對(duì)于旋轉(zhuǎn)點(diǎn)不變。隧道內(nèi)的橫坡在直線段、曲線段是不一樣的，且曲線段一般存在一定的超高，但在緩和曲線段由超高存在而影響隧道路面橫坡是漸變的、不確定的，變化的隧道斷面給施工測量放樣也增加了一定的難度。

高速公路隧道施工測量的內(nèi)容和方法多種多樣，相關(guān)領(lǐng)域?qū)λ淼赖氖┕y量大都基于通用的高速公路隧道設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［1－3］針對(duì)隧道的方向貫通誤差進(jìn)行了洞內(nèi)控制測量的設(shè)計(jì)論述;文獻(xiàn)［4－7］針對(duì)隧道的圍巖、施工工序和工藝等不同情況，采用新型免棱鏡全站儀技術(shù)就隧道的施工測量放樣進(jìn)行了綜述，側(cè)重強(qiáng)調(diào)了無棱鏡測量的效率和優(yōu)越性;文獻(xiàn)［8－9］對(duì)隧道的方向貫通誤差有相關(guān)規(guī)定。但針對(duì)旋轉(zhuǎn)中的動(dòng)態(tài)高速公路隧道如何實(shí)現(xiàn)隧道貫通面上方向和斷面周邊的精確銜接未有詳細(xì)表述，對(duì)隧道洞內(nèi)測量影響貫通的因素未進(jìn)行分析，對(duì)動(dòng)態(tài)隧道的施工放樣和超欠挖控制也未涉及;并且隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)在隧道施工測量大都采用免棱鏡激光測量技術(shù)，機(jī)載隧道斷面軟件或配合多功能計(jì)算器編程，來精確快速放樣掌子面，但對(duì)測量過程中利用免棱鏡激光技術(shù)放樣點(diǎn)位的誤差未評(píng)估。

本文以西部開發(fā)省際通道陜西境內(nèi)小河至安康高速公路譚壩四號(hào)隧道的施工測量為例，分析洞內(nèi)控制測量設(shè)計(jì)和影響測量精度的主要因素，詳述旋轉(zhuǎn)隧道施工測量放樣的原理方法，并對(duì)使用免棱鏡測量隧道掌子面周邊點(diǎn)位誤差進(jìn)行精度估算。

1 旋轉(zhuǎn)隧道施工測量特點(diǎn)

小河至安康高速公路譚壩四號(hào)旋轉(zhuǎn)隧道的施工測量特點(diǎn)來源于隧道結(jié)構(gòu)圖的獨(dú)特設(shè)計(jì)(見圖1)，主要體現(xiàn)在隧道內(nèi)掌子面周邊點(diǎn)和路面橫坡的測量定位。一般的高速公路隧道，隧道掌子面周邊點(diǎn)位置僅與設(shè)計(jì)的平曲線和高程有關(guān)，路面橫坡在仰拱或墊層施工時(shí)形成;而高速公路旋轉(zhuǎn)隧道，隧道掌子面周邊點(diǎn)位置不僅與設(shè)計(jì)的平曲線和高程有關(guān)、而且還與隧道路面的橫坡有關(guān)，路面橫坡由隧道整體旋轉(zhuǎn)形成。

圖1 譚壩四號(hào)隧道設(shè)計(jì)斷面圖Fig.1 Cross-section of Tanba No.4 tunnel

2 旋轉(zhuǎn)隧道施工測量

2.1 施工測量內(nèi)容

隨著GPS技術(shù)的普及，一般的長大隧道都采用了GPS獨(dú)立控制網(wǎng)測量技術(shù)，所以洞外控制測量的精度都比較高，洞外控制測量的誤差對(duì)隧道貫通誤差的影響也就比較小，影響隧道貫通誤差最大的因素主要是隧道的洞內(nèi)控制測量。而對(duì)于旋轉(zhuǎn)隧道，由于隧道內(nèi)橫坡或超高的形成，是依靠隧道整體繞高程設(shè)計(jì)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)而成，由此隧道周邊線的位置相對(duì)于不旋轉(zhuǎn)時(shí)必定產(chǎn)生一定量的位移，尤其是在既有橫坡又有超高設(shè)置的緩和曲線漸變段。所以旋轉(zhuǎn)隧道的施工測量除洞內(nèi)控制測量外，主要是保證掌子面周邊線精度的施工放樣測量。

2.2 旋轉(zhuǎn)隧道洞內(nèi)控制測量

2.2.1 洞內(nèi)控制測量設(shè)計(jì)

小河至安康高速公路譚壩四號(hào)隧道長度為3.7 km，根據(jù)《公路勘測細(xì)則》中對(duì)長度3～6 km隧道貫通誤差的要求，貫通面上貫通誤差影響值的分配為:總的橫向中誤差為100 mm、高程中誤差為35 mm;其中洞內(nèi)部分影響貫通精度的橫向中誤差為80 mm、高程中誤差為25 mm。

根據(jù)以往大量長大隧道洞內(nèi)控制測量的經(jīng)驗(yàn)，曲線隧道受半徑、斷面寬度和洞內(nèi)施工環(huán)境限制的特點(diǎn)，譚壩四號(hào)隧道洞內(nèi)導(dǎo)線沿隧道中線布設(shè)為直伸型主副導(dǎo)線，洞內(nèi)導(dǎo)線平均邊長達(dá)到200～300 m，考慮洞口導(dǎo)線邊長，則洞內(nèi)導(dǎo)線測量等級(jí)、測角中誤差與橫向貫通中誤差的關(guān)系可由隧道橫向貫通中誤差、導(dǎo)線法測角中誤差二者之間的關(guān)系來判定導(dǎo)線的測量精度等級(jí)，其關(guān)系式為

式中:m為隧道橫向貫通中誤差，mm;mβ為導(dǎo)線測角中誤差，″;sk為兩開挖洞口間長度，mm;ρ為常數(shù)206 265″;n為完整隧道導(dǎo)線網(wǎng)單邊路線的導(dǎo)線邊數(shù)。

由上述公式求得:測角中誤差mβ=3.72″，即導(dǎo)線控制網(wǎng)測量等級(jí)應(yīng)滿足四等導(dǎo)線測量精度指標(biāo)。然后按照導(dǎo)線測量四等精度的要求進(jìn)行洞內(nèi)控制測量。

2.2.2 洞內(nèi)測量誤差因素分析

從誤差的估算和洞內(nèi)控制測量設(shè)計(jì)分析，影響隧道橫向貫通誤差的主要來源是導(dǎo)線的測角和測邊誤差，影響洞內(nèi)測角、測邊精度的因素主要有:1)使用的全站儀的測角測邊精度，棱鏡基座的對(duì)中誤差;2)觀測條件，主要指照明、旁折光、空氣波動(dòng)等氣象因素; 3)洞內(nèi)導(dǎo)線測量中的邊角精度匹配性，要使設(shè)計(jì)的導(dǎo)線邊長與設(shè)計(jì)的測角精度相適應(yīng)。

2.3 掌子面周邊線測量

2.3.1 旋轉(zhuǎn)隧道幾何模型

從隧道設(shè)計(jì)斷面圖可知，路面橫坡i%的方向決定隧道繞高程設(shè)計(jì)點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)的方向，無論以順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，隧道都會(huì)產(chǎn)生一定量的位移(見圖2)。以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為例，設(shè)定橫坡為－i，隧道繞O點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度α，根據(jù)橫坡i=0時(shí)，線路設(shè)計(jì)線與隧道中心線、設(shè)計(jì)高程點(diǎn)的位置關(guān)系，以及隧道中心點(diǎn)至路面的距離，從圖中可以計(jì)算出隧道旋轉(zhuǎn)前后各點(diǎn)的幾何關(guān)系。

圖2 隧道旋轉(zhuǎn)幾何模型Fig.2 Geometric model of spiral tunnel

2.3.2 周邊點(diǎn)位測量原理

由于隧道的整體旋轉(zhuǎn)造成的隧道斷面的轉(zhuǎn)動(dòng)增加了掌子面施工測量放樣的難度，因而采用常規(guī)的掌子面放樣方法已很難控制到掌子面周邊成形和隧道的超欠挖，徠卡、索佳等全站儀開發(fā)的機(jī)載隧道斷面軟件中也沒有考慮旋轉(zhuǎn)隧道的斷面放樣程序設(shè)計(jì)。隨著全站儀的不斷更新，在隧道掌子面的施工測量放樣中，采用極坐標(biāo)法、使用小棱鏡或具備免棱鏡功能的“R”型全站儀(如徠卡的TCR、索佳的SetR型儀器等)，再配以多功能計(jì)算器編程，這樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)隧道放樣和超欠挖控制就變得較為方便。在進(jìn)行施工放樣前，首先要推算該里程段由橫坡引起旋轉(zhuǎn)，隧道斷面圓心相對(duì)于線路設(shè)計(jì)線的偏移量。

2.3.3 圓心偏移量的計(jì)算

以隧道繞O點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為例，旋轉(zhuǎn)前:線路設(shè)計(jì)線分別至隧道中心線、高程旋轉(zhuǎn)點(diǎn)O的距離a和c及斷面圓心O1至路面的距離b為設(shè)計(jì)已知，根據(jù)該里程斷面的設(shè)計(jì)路面橫坡i%可推出旋轉(zhuǎn)后斷面圓心O1'的偏移量。設(shè)旋轉(zhuǎn)后斷面圓心O1'豎直方向的位移為y、水平方向的位移為x，橫坡i%引起的旋轉(zhuǎn)角為α=tan－1i，則得出:

小河至安康高速公路譚壩四號(hào)隧道設(shè)計(jì)中:線路設(shè)計(jì)線分別至隧道中心線距離a=5.375 m、至高程旋轉(zhuǎn)點(diǎn)距離c=0.75 m，斷面圓心O1至路面距離b= 1.75 m，洞口10 m里程范圍段路面橫坡為－3%。由上述公式可知旋轉(zhuǎn)后斷面圓心發(fā)生的偏移量水平x= 0.050 4 m，豎直y=0.139 5 m。則旋轉(zhuǎn)后斷面圓心分別與線路設(shè)計(jì)線、高程設(shè)計(jì)線的關(guān)系也即可求出。由旋轉(zhuǎn)后斷面圓心發(fā)生的偏移量可以看出，旋轉(zhuǎn)引起斷面輪廓線的位移相對(duì)較大，嚴(yán)重影響到隧道的超欠挖控制。

圖3 旋轉(zhuǎn)后參數(shù)計(jì)算示意圖Fig.3 Parameter calculation

2.3.4 極坐標(biāo)法放樣及超欠挖控制

圖3為一旋轉(zhuǎn)后的隧道斷面示意圖，在隧道內(nèi)任一點(diǎn)支鏡，測出掌子面上任一點(diǎn)P的坐標(biāo)，根據(jù)線路設(shè)計(jì)要素判斷P點(diǎn)與線路設(shè)計(jì)線的關(guān)系，計(jì)算出P點(diǎn)的里程、距線路設(shè)計(jì)線的偏值和相對(duì)于高程設(shè)計(jì)線的高差，由旋轉(zhuǎn)后斷面圓心與線路設(shè)計(jì)線、高程設(shè)計(jì)線的關(guān)系，可計(jì)算出P點(diǎn)至圓心O1'的距離R'，則R'與斷面設(shè)計(jì)半徑R的差值ΔR的“正、負(fù)”即表示P點(diǎn)的超欠，依次類推，就可精確定出ΔR=0時(shí)斷面的周邊輪廓線。設(shè)轉(zhuǎn)化后P點(diǎn)相對(duì)于O1'點(diǎn)的平距、高差分別為S和H，即:

2.3.5 放樣點(diǎn)位精度估算

引起P點(diǎn)點(diǎn)位誤差的主要來源是全站儀對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行的角度、距離觀測和掌子面畫點(diǎn)測量員的粗差。以譚壩四號(hào)隧道內(nèi)日常使用的徠卡TCR402型全站儀為例，除去畫點(diǎn)測量員的人為粗差，該儀器測角精度為2″，距離測量采用隧道內(nèi)放樣用的RL距離測量中標(biāo)準(zhǔn)測量模式，其測距精度為3 mm+2×10－6，設(shè)全站儀至測點(diǎn)P的距離為100 m，則由儀器引起的點(diǎn)位誤差.2 mm。實(shí)際上在測程≤100 m的情況下，點(diǎn)位誤差主要來源于全站儀的測距精度。徠卡TCR402全站儀在IR(米棱鏡)距離測量中最大測距精度為標(biāo)準(zhǔn)模式2 mm+2×10－6，最小為快速模式5 mm+2×10－6;在RL距離測量中最大測距精度為標(biāo)準(zhǔn)模式3 mm+2×10－6，最小為跟蹤模式5 mm+2× 10－6，但要注意在RL距離測量中，激光光斑大小在50 m處已變?yōu)?0 mm×20 mm，測程再遠(yuǎn)就達(dá)不到精確控制周邊輪廓線的目的。

3 結(jié)論與體會(huì)

小河至安康高速公路譚壩四號(hào)隧道分別由兩家不同的施工單位進(jìn)行施工，2007年6月12日隧道勝利貫通。經(jīng)貫通測量，貫通面上貫通誤差均小于規(guī)范要求，并且隧道貫通面周邊線銜接對(duì)等無錯(cuò)臺(tái)。從該旋轉(zhuǎn)隧道施工測量的過程和結(jié)果分析來看，為提高現(xiàn)在和以后施工的長大旋轉(zhuǎn)隧道的貫通精度、掌子面的精確放樣和超欠挖控制水平，建議從以下方面加以考慮。

1)旋轉(zhuǎn)隧道施工測量放樣前，一定要領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)圖的含義，搞清楚斷面結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，特別是在緩和曲線段，有超高又有橫坡，要根據(jù)圖紙的設(shè)計(jì)加以綜合考慮。

2)在現(xiàn)場實(shí)際測量放樣中，選擇具有“R”功能的全站儀。使用前，要對(duì)儀器的各項(xiàng)精度指標(biāo)、使用條件了解清楚，根據(jù)所要控制達(dá)到的精度，選擇合適的測量和測程模式。若采用RL距離測量模式，要保持掌子面的通風(fēng)，注意測點(diǎn)水、汽、光的折射和測點(diǎn)所處位置巖體對(duì)激光的漫反射。

3)由于目前開發(fā)的機(jī)載隧道斷面軟件均沒有考慮旋轉(zhuǎn)因素，因此在現(xiàn)場施工放樣中要借助能編程的計(jì)算器，這樣才能提高放樣速度。

4)由于隧道發(fā)生旋轉(zhuǎn)的里程段位于曲線段，這要求開挖人員也要理解隧道旋轉(zhuǎn)的方向和隧道周邊線的偏移方向，以便調(diào)整風(fēng)鉆角度，有效地控制好旋轉(zhuǎn)隧道的成形和超欠挖。

5)洞內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)線施工測量時(shí)，嚴(yán)格按照測量有關(guān)規(guī)定施測，注意避開施工干擾、煙塵排放和車輛運(yùn)輸，保證通風(fēng)、照明，使覘標(biāo)目標(biāo)清晰、明亮。

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