王紹鋒

(中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)有限公司， 北京　100018)

無(wú)定向?qū)Ь€在水利隧洞盾構(gòu)法施工測(cè)量中的應(yīng)用

王紹鋒

(中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)有限公司， 北京100018)

【摘要】以南水北調(diào)工程北京市配套南干渠工程盾構(gòu)段的始發(fā)井的聯(lián)系測(cè)量、隧洞內(nèi)控制測(cè)量為實(shí)例，采用無(wú)定向?qū)Ь€測(cè)量方法對(duì)盾構(gòu)始發(fā)井進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量和隧洞內(nèi)控制點(diǎn)測(cè)量，通過與其他測(cè)量方法進(jìn)行比較分析，得出了一些有益的結(jié)論供廣大同行參考。

【關(guān)鍵詞】無(wú)定向?qū)Ь€； 盾構(gòu)施工； 聯(lián)系測(cè)量； 洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量

目前南水北調(diào)干線工程已經(jīng)接近尾聲，為了使南水北調(diào)來水得以充分、穩(wěn)定、有效的利用，北京市進(jìn)行了市內(nèi)調(diào)蓄工程、輸水工程、新建改建水廠等一系列市內(nèi)配套工程建設(shè)。南干渠工程是北京市南水北調(diào)配套工程總體規(guī)劃中的一項(xiàng)，是南水北調(diào)引水進(jìn)京后北京市內(nèi)主要配套工程之一。南干渠工程位于北京市南部，全長(zhǎng)27.26km，其中下游段全部采用盾構(gòu)法施工。

在進(jìn)行水利盾構(gòu)的施工測(cè)量時(shí)，要求主要控制好兩個(gè)方面：?通過始發(fā)豎井提供工作面進(jìn)行施工控制測(cè)量，始發(fā)井聯(lián)系測(cè)量(平面)的目的就是將地面控制網(wǎng)的坐標(biāo)和方位按要求精度準(zhǔn)確地傳遞給地下盾構(gòu)施工控制導(dǎo)線(或施工導(dǎo)線)，為施工提供控制依據(jù)；?在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中隧洞內(nèi)控制點(diǎn)的布設(shè)與復(fù)核。筆者根據(jù)南水北調(diào)配套北京市南干渠工程第十標(biāo)段，應(yīng)用無(wú)定向?qū)Ь€測(cè)量方法，對(duì)盾構(gòu)施工過程中的聯(lián)系測(cè)量、隧洞內(nèi)導(dǎo)線控制測(cè)量進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)介紹，并與其他方法進(jìn)行分析比較，為今后的地下盾構(gòu)隧洞施工建設(shè)提供一些參考經(jīng)驗(yàn)。

1工程特點(diǎn)

南水北調(diào)配套北京市南干渠工程第十標(biāo)段，起點(diǎn)里程14+369.040，終點(diǎn)里程18+574.040，全線長(zhǎng)4205m，其中4條曲線，曲線長(zhǎng)度占全線長(zhǎng)度38%。該段輸水管線施工采用盾構(gòu)法，其中主要包括輸水隧洞工程，1座盾構(gòu)始發(fā)兼接收井、5座排氣閥井、1座排空井。該工程施工測(cè)量的主要難點(diǎn)是：施工區(qū)間長(zhǎng)、7次穿越結(jié)構(gòu)物、曲線所占比例高(見圖1)。結(jié)合該工程的特點(diǎn)難點(diǎn)，應(yīng)用無(wú)定向?qū)Ь€測(cè)量方法對(duì)盾構(gòu)施工進(jìn)行控制測(cè)量，取得了良好的效果。

圖1　南干渠十標(biāo)平面布置及控制點(diǎn)位置

2無(wú)定向?qū)Ь€的特點(diǎn)及計(jì)算方法

2.1無(wú)定向?qū)Ь€的概念

無(wú)定向?qū)Ь€是沒有方向檢核的導(dǎo)線，即為從一條已知邊出發(fā)而閉合到一個(gè)已知點(diǎn)，但有時(shí)在導(dǎo)線的一端只有一個(gè)已知點(diǎn)，沒有定向點(diǎn)，另一端也可能是一個(gè)點(diǎn)。該類導(dǎo)線就不能用常規(guī)的計(jì)算方法來推算坐標(biāo)，因?yàn)槠鹚銜r(shí)沒有定向點(diǎn)，所以稱為無(wú)定向?qū)Ь€。

2.2無(wú)定向?qū)Ь€的計(jì)算方法

A點(diǎn)和B點(diǎn)為已知的高級(jí)控制點(diǎn)，A-B的方位為角T，通過A、B坐標(biāo)反算邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，Pi(i=1～n)A點(diǎn)和B點(diǎn)是無(wú)定向?qū)Ь€控制點(diǎn)，βi(i=1～n) 為無(wú)定向?qū)Ь€中間點(diǎn)實(shí)際測(cè)量左角，Si(i=1～(n+1))為實(shí)際測(cè)量邊長(zhǎng)。下圖2為無(wú)定向單導(dǎo)線示意圖。

圖2　無(wú)定向?qū)Ь€示意圖

方法一： 計(jì)算時(shí)，先假定起始邊A-P1的方位角為α，依觀測(cè)值Si和βi，推導(dǎo)求出B的假定坐標(biāo)，由A點(diǎn)的坐標(biāo)和B點(diǎn)的假定坐標(biāo)，計(jì)算得到閉合邊A-B的假定邊長(zhǎng)和假定方位角 L′和T′。根據(jù)閉合邊 A-B的真、假邊長(zhǎng)和真、假定方位角，可以計(jì)算邊長(zhǎng)比R和方位角較差值ΔT′，其中R=L/L′，ΔT=T-T′。然后按R及ΔT改正導(dǎo)線各邊的邊長(zhǎng)和方位角，用改正后的方位角及邊長(zhǎng)計(jì)算各邊的坐標(biāo)增量，最后推算各點(diǎn)的坐標(biāo)。

通過回歸分析，分別構(gòu)建遙感因子Rrsnir/Rrsred與懸浮泥沙濃度之間的各反演模型(對(duì)數(shù)、指數(shù)、線性及冪函數(shù)模型)，并解算出模型決定系數(shù)(R2)與懸浮泥沙濃度模型擬合值與實(shí)測(cè)值之間的平均相對(duì)誤差(MRE，Mean Relative Error)，用于評(píng)價(jià)模型反演精度，并最終選取指數(shù)模型作為椒江口水體懸浮泥沙濃度反演的模型(見表3)，模型公式為：

方法二： 依觀測(cè)值Si和βi推導(dǎo)求出各導(dǎo)線邊在A-P1方向的投影長(zhǎng)度總和S，并按γ=arccos(S/L)計(jì)算連接角的近似值。根據(jù)γ、Si和βi可以計(jì)算各導(dǎo)線點(diǎn)近似坐標(biāo)。可以組成閉合邊方程式按照條件平差法進(jìn)行平差，依照平差后的Si和βi計(jì)算精確的連接角值γ。也可以根據(jù)已知點(diǎn)B相對(duì)于A的坐標(biāo)增量，以及沿Pi測(cè)點(diǎn)路線求得的坐標(biāo)增量和閉合關(guān)系調(diào)整計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，然后再計(jì)算精確的連接角值γ。

無(wú)論哪種方法，都是依邊長(zhǎng)閉合作為無(wú)定向?qū)Ь€計(jì)算的唯一檢驗(yàn)?，F(xiàn)在常用的平差軟件大都具有無(wú)定向?qū)Ь€平差功能。

2.3無(wú)定向?qū)Ь€特點(diǎn)

單條無(wú)定向?qū)Ь€因相對(duì)多余觀測(cè)數(shù)太少，尤其是缺少導(dǎo)線的橫向控制，對(duì)角度觀測(cè)缺少檢核，無(wú)定向?qū)Ь€較之兩端有起始方位角的導(dǎo)線點(diǎn)位誤差會(huì)有所增大，且增大的主要為橫向誤差。由于沒有方向檢核，精度比附合導(dǎo)線要低，閉合到一個(gè)已知點(diǎn)上只有一個(gè)坐標(biāo)檢核條件，但比支導(dǎo)線精度要高。

3無(wú)定向?qū)Ь€的應(yīng)用

3.1應(yīng)用無(wú)定向?qū)Ь€進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量

3.1.1控制點(diǎn)概況

該工程進(jìn)場(chǎng)時(shí)設(shè)計(jì)單位交給十標(biāo)段施工單位6個(gè)D級(jí)GPS控制點(diǎn)，其中NG09、NG10點(diǎn)為南干渠第九標(biāo)段控制點(diǎn)，NG11、NG12點(diǎn)為標(biāo)段范圍內(nèi)控制點(diǎn)，NG13、NG14為南干渠第十一標(biāo)段控制點(diǎn)。首先對(duì)三組控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)結(jié)果見表1。

表1　GPS原始控制點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果

測(cè)量過程按照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》D等要求，采用點(diǎn)連式觀測(cè)方法進(jìn)行。每三個(gè)點(diǎn)共同觀測(cè)時(shí)間均不小于45min，有效觀測(cè)衛(wèi)星個(gè)數(shù)均大于5顆，衛(wèi)星觀測(cè)截止角大于15°。采用LGO平差軟件進(jìn)行計(jì)算，坐標(biāo)成果見表2。

表2　南干渠十標(biāo)平面控制加密點(diǎn)坐標(biāo)

續(xù)表

以上成果滿足D等GPS控制要求。

3.1.2無(wú)定向?qū)Ь€聯(lián)系測(cè)量

將地上控制測(cè)量引測(cè)到始發(fā)井下以及盾構(gòu)始發(fā)控制點(diǎn)，首先用吊鋼絲的方式將地面控制傳遞至井下，通過地上測(cè)量可計(jì)算出鋼絲的實(shí)際坐標(biāo)，同時(shí)將井下兩根鋼絲貼上放射片，將其中的一根鋼絲作為無(wú)定向?qū)Ь€的起點(diǎn)，將另外一根鋼絲作為無(wú)定向?qū)Ь€的終點(diǎn)，然后采用無(wú)定向?qū)Ь€測(cè)量方法進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)控制點(diǎn)的測(cè)量。測(cè)量順序見圖3。

圖3　盾構(gòu)始發(fā)井應(yīng)用無(wú)定向?qū)Ь€聯(lián)系測(cè)量

觀測(cè)過程分為井上和井下兩個(gè)組同時(shí)進(jìn)行：

兩個(gè)觀測(cè)組分別采用1s全站儀進(jìn)行觀測(cè)，雖然觀測(cè)條件滿足不了四等導(dǎo)線要求，但是按照高于四等導(dǎo)線要求進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)角測(cè)回?cái)?shù)為6個(gè)，測(cè)距為往返各3次。通過測(cè)繪平差易對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算。

3.2無(wú)定向?qū)Ь€在隧洞內(nèi)控制測(cè)量中的應(yīng)用

前文提過，盾構(gòu)施工過程中要7次穿越結(jié)構(gòu)物，這樣既增加了難度也提供導(dǎo)線附和的條件。在盾構(gòu)穿過之后，管片變形監(jiān)測(cè)已經(jīng)穩(wěn)定，在該結(jié)構(gòu)物位置懸吊鋼絲作為無(wú)定向?qū)Ь€的終點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核洞內(nèi)導(dǎo)線控制點(diǎn)。見圖4：

圖4　應(yīng)用無(wú)定向?qū)Ь€復(fù)核隧洞內(nèi)控制點(diǎn)

觀測(cè)過程分兩步進(jìn)行：?在盾構(gòu)穿越排氣井后，管片監(jiān)測(cè)已經(jīng)穩(wěn)定，先完成由A-18至Zn點(diǎn)的測(cè)量工作，也可直接利用原聯(lián)系測(cè)量成果直接按支導(dǎo)線測(cè)量至Zn點(diǎn)；?分成兩個(gè)觀測(cè)組——地面組與洞內(nèi)組同時(shí)進(jìn)行，地面組由A-16測(cè)量至D-3點(diǎn)，洞內(nèi)組由Zn點(diǎn)測(cè)至懸吊鋼絲(D-3′點(diǎn))，測(cè)量過程按四等導(dǎo)線要求進(jìn)行觀測(cè)。這樣就形成了由D-1點(diǎn)至D-3點(diǎn)的無(wú)定向?qū)Ь€測(cè)量過程，通過平差易軟件對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算，得到Z3、Z4的無(wú)定向?qū)Ь€數(shù)據(jù)。原Z3、Z4點(diǎn)數(shù)據(jù)為支導(dǎo)線觀測(cè)成果，其精度等級(jí)低于無(wú)定向?qū)Ь€精度，所以將Z3、Z4點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)調(diào)整為此次無(wú)定向?qū)Ь€測(cè)量成果。以此成果為基準(zhǔn)，繼續(xù)向掘進(jìn)方向控制盾構(gòu)的導(dǎo)向系統(tǒng)。

利用無(wú)定向?qū)Ь€測(cè)量方法，該項(xiàng)目在7次穿越排氣井過程中，共完成5次洞內(nèi)控制導(dǎo)線復(fù)核過程，取得了很好的效果，穿越偏差見表3。

表3　盾構(gòu)穿越偏差統(tǒng)計(jì)

通過統(tǒng)計(jì)偏差值分析，盾構(gòu)導(dǎo)向控制沒有出現(xiàn)累計(jì)誤差，偏差值均小于20mm，大大小于設(shè)計(jì)允許偏差標(biāo)準(zhǔn)。這說明采用該方法完全可以滿足超長(zhǎng)盾構(gòu)區(qū)間的控制要求。

4結(jié)論與建議

無(wú)定向?qū)Ь€在盾構(gòu)始發(fā)井聯(lián)系測(cè)量、水利盾構(gòu)穿過排氣井對(duì)隧洞內(nèi)控制點(diǎn)復(fù)核測(cè)量和區(qū)間貫通聯(lián)測(cè)等方面，都能夠很好地滿足測(cè)量精度要求，是盾構(gòu)施工測(cè)量的有效補(bǔ)充，有著較好的推廣價(jià)值。

在無(wú)定向?qū)Ь€測(cè)量過程中需要提高測(cè)角精度、增加布點(diǎn)間距、增加結(jié)點(diǎn)組成閉合環(huán)或?qū)Ь€網(wǎng)等條件來提高無(wú)定向?qū)Ь€可靠性和精度；如果使用高精度全站儀對(duì)無(wú)定向?qū)Ь€進(jìn)行觀測(cè)，則主要防止觀測(cè)過程中粗差和錯(cuò)誤的產(chǎn)生。

盾構(gòu)精密導(dǎo)線控制在困難條件下，可應(yīng)用無(wú)定向?qū)Ь€進(jìn)行觀測(cè)。但是建議在精密導(dǎo)線控制測(cè)量過程中，應(yīng)用不同方式平差比較，以分析附合導(dǎo)線起始方位對(duì)成果的影響，為后期的導(dǎo)線復(fù)測(cè)提供參考。

單條無(wú)定向?qū)Ь€最弱點(diǎn)的點(diǎn)位誤差比典型的導(dǎo)線增大約 65%。在 2 個(gè)起始點(diǎn)之間布設(shè) 2 個(gè)閉合環(huán)的無(wú)定向?qū)Ь€最弱點(diǎn)的點(diǎn)位誤差比有定向?qū)Ь€增大約20%。隨著高級(jí)控制點(diǎn)之間無(wú)定向?qū)Ь€網(wǎng)閉合環(huán)數(shù)的增加，使無(wú)定向?qū)Ь€網(wǎng)與有定向?qū)Ь€網(wǎng)的精度差別越來越小，在 3 個(gè)起始點(diǎn)之間布設(shè)具有 3 個(gè)閉合環(huán)或以上的有無(wú)定向?qū)Ь€網(wǎng)，幾乎已無(wú)差別。

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[4]GB/T 18314—2001全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范[S].

中圖分類號(hào)：TV554

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-4774(2015)02-0019-05

Application of Non-directional Wire in Water Conservancy Tunnel
Shield Method Construction Measurement

WANG Shao-feng

(ChinaRailway16thBureauGroupCo.,Ltd.,Beijing100018,China)

Abstract：Connection survey and tunnel internal control survey of starting well in Beijing supporting south canal project shield section in South-to-North water diversion project are adopted as examples. Non-directional wire measurement method is adopted for connection survey and tunnel internal control survey of starting well. Some beneficial conclusions are obtained for peers as reference by comparative analysis with other survey methods.

Keywords：non-directional wire; shield construction; connection survey; wire measurement in tunnel