賈曉堂

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006)

隨著測(cè)繪技術(shù)的迅速發(fā)展，隧洞洞外控制測(cè)量已經(jīng)從傳統(tǒng)的導(dǎo)線、三角網(wǎng)測(cè)量模式發(fā)展到基于GNSS、電子水準(zhǔn)等高精度測(cè)量模式為主的階段，使得洞外控制點(diǎn)數(shù)量大大減少，洞外控制測(cè)量誤差引起的洞內(nèi)橫向和縱向貫通誤差也大大減小。

1 工程概況

某輸水隧洞全長(zhǎng)100km，工程主體采用以TBM為主、鉆爆法為輔的聯(lián)合施工方法，單向貫通長(zhǎng)度最長(zhǎng)為15km。隧洞施工中能否在貫通面上精確貫通，隧洞洞內(nèi)控制測(cè)量起著決定性作用。在水利工程測(cè)量中，針對(duì)100km輸水隧洞進(jìn)行洞內(nèi)控制測(cè)量的方案研究和設(shè)計(jì)實(shí)踐并不多見。在本工程中，通過建立了特長(zhǎng)輸水隧洞洞內(nèi)施工控制網(wǎng)，使得隧洞精確貫通，實(shí)踐證明，這項(xiàng)測(cè)量工作切實(shí)可行且精度可靠。

2 洞內(nèi)控制測(cè)量方案

2.1 工作內(nèi)容

輸水隧洞洞內(nèi)控制測(cè)量技術(shù)的研究包括五個(gè)部分，分別為控制網(wǎng)布設(shè)、選點(diǎn)埋石、儀器設(shè)備選擇、數(shù)據(jù)采集和平差計(jì)算。搜集國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)隧洞工程的相關(guān)資料，在保證隧洞高精度貫通的前提下，制定一套技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)合理而且最適合、最穩(wěn)妥的控制測(cè)量方案。

2.1.1 控制網(wǎng)布設(shè)

輸水隧洞洞內(nèi)控制測(cè)量常用的布網(wǎng)方案包括支導(dǎo)線、雙導(dǎo)線網(wǎng)、虛擬導(dǎo)線網(wǎng)、導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)和自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)等。根據(jù)工程特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇應(yīng)用。

2.1.2 選點(diǎn)埋石

控制點(diǎn)點(diǎn)位的選擇主要考慮三個(gè)方面，即距洞壁的最佳距離、不影響施工、便于觀測(cè)。標(biāo)石可分為地面標(biāo)、觀測(cè)墩、洞壁強(qiáng)制對(duì)中裝置等，在保證控制點(diǎn)穩(wěn)固并能夠長(zhǎng)期保存的前提下進(jìn)行標(biāo)石埋設(shè)和建造。

2.1.3 儀器設(shè)備選擇

為了確保隧洞精確貫通，選擇的儀器設(shè)備有：①Leica TCA2003全站儀，標(biāo)稱精度：測(cè)距±(1+1×d)mm，測(cè)角0.5″；②Leica TS30全站儀，標(biāo)稱精度：測(cè)距±(0.6+1×d)mm，測(cè)角0.5″。

2.1.4 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集方法包括方向觀測(cè)法、分組方向觀測(cè)法、全組合測(cè)角法和多測(cè)回測(cè)角法等。

2.1.5 平差計(jì)算

平差計(jì)算方法有很多種，例如：經(jīng)典測(cè)量平差方法、序貫平差方法、秩虧自由網(wǎng)平差方法和附加系統(tǒng)參數(shù)的平差方法，通過平差結(jié)果的對(duì)比分析選擇最優(yōu)的平差計(jì)算方法。

2.2 控制網(wǎng)布設(shè)

輸水隧洞洞內(nèi)控制測(cè)量因受隧洞形狀和空間的限制，洞內(nèi)控制網(wǎng)一般采用直伸導(dǎo)線布網(wǎng)方式。但為了克服傳統(tǒng)支導(dǎo)線的缺點(diǎn)，提高導(dǎo)線最弱點(diǎn)精度，目前國(guó)內(nèi)外洞內(nèi)導(dǎo)線主要以旁點(diǎn)導(dǎo)線、多邊形閉合導(dǎo)線和交叉導(dǎo)線為主，這些布網(wǎng)方式都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但都可提高洞內(nèi)導(dǎo)線的精度與可靠性。

2.2.1 方案對(duì)比

方案1：布設(shè)導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)，如圖1所示。導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)是一種比較傳統(tǒng)的布網(wǎng)形式，在隧洞控制測(cè)量中被廣泛應(yīng)用，布設(shè)簡(jiǎn)單，有一定的多余觀測(cè)量，控制網(wǎng)的精度均勻，通過較高等級(jí)的施測(cè)精度，可以保證隧洞貫通。但該觀測(cè)方法相對(duì)固定，儀器必須架設(shè)在控制點(diǎn)上，洞內(nèi)空間狹窄，觀測(cè)視線易被遮擋。

圖1 導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)示意圖

方案2：布設(shè)虛擬導(dǎo)線網(wǎng)，如圖2所示。虛擬導(dǎo)線網(wǎng)布設(shè)簡(jiǎn)單、靈活，測(cè)量工作量小，在國(guó)內(nèi)完成的短距離隧洞工程有許多成功的案例。但對(duì)于長(zhǎng)隧洞，該方案的多余觀測(cè)量少，檢核條件少，控制網(wǎng)精度低，對(duì)中誤差偏大，不利于隧洞正確貫通。

圖2 虛擬導(dǎo)線網(wǎng)示意圖

方案3：布設(shè)自由設(shè)站邊角交會(huì)網(wǎng)，如圖3所示。自由設(shè)站邊角交會(huì)網(wǎng)近年來被高鐵隧洞工程廣泛使用，是較先進(jìn)的布網(wǎng)方案?？刂凭W(wǎng)圖形強(qiáng)度高，檢核條件多，控制網(wǎng)的精度高且均勻。困難地區(qū)也可用其代替三等高程控制網(wǎng)。本方案觀測(cè)量較多，對(duì)觀測(cè)條件要求較高，缺點(diǎn)是外業(yè)工作量較大。

圖3 自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)示意圖

方案4：導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)與自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)融合方案，如圖4所示。結(jié)合本工程實(shí)際特點(diǎn)，為獲得更加優(yōu)化的方案設(shè)計(jì)，將方案1與方案3融合使用，揚(yáng)長(zhǎng)避短，在主支洞交叉位置、擴(kuò)大洞室位置等重點(diǎn)洞段布設(shè)自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)，一般洞段布設(shè)導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)，這樣既保證了控制網(wǎng)的精度不降低，又在一定程度上壓縮了外業(yè)工作量。經(jīng)過論證和實(shí)踐，將導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)與自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)融合使用，建立如圖4所示的布網(wǎng)方式。

圖4 導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)與自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)融合示意圖

方案4具有如下優(yōu)點(diǎn)：控制網(wǎng)圖形強(qiáng)度較高，多余觀測(cè)量多，控制網(wǎng)的精度高且均勻，可保證隧洞的正確貫通。在洞內(nèi)積水段，可布設(shè)自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)，免去了水準(zhǔn)測(cè)量工作，提高了外業(yè)測(cè)量效率?？刂凭W(wǎng)建立后，不會(huì)因?yàn)槎磧?nèi)施工以及車輛運(yùn)行導(dǎo)致個(gè)別控制點(diǎn)破壞而對(duì)整個(gè)控制網(wǎng)產(chǎn)生影響。根據(jù)洞內(nèi)條件，可靈活實(shí)施數(shù)據(jù)采集，即保證了測(cè)量進(jìn)度，又不影響施工。本方案相對(duì)于其他方案前期投入工作量大，但隨著控制網(wǎng)建立后，后期工作量會(huì)逐步減少，在保證了施工精度的同時(shí)，提高了整個(gè)工程的進(jìn)度，在一定程度上縮短了工期，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

所以導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)與自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)融合方案為本隧洞洞內(nèi)施工控制網(wǎng)布設(shè)的首選方案。

2.2.2 等級(jí)的確定

SL 197—2013《水利水電施工測(cè)量規(guī)范》中關(guān)于隧洞開挖極限貫通誤差、貫通中誤差的分配值見表1、表2。

表1 水工隧洞開挖貫通誤差

表2 貫通中誤差分配值

本工程隧洞最大開挖長(zhǎng)度達(dá)到15km，已超出SL 197—2013中相向開挖最大長(zhǎng)度8km的限制。根據(jù)水工設(shè)計(jì)的要求，參考SL 378—2007《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》擬定出8km至20km隧洞的貫通極限誤差，見表3。

表3 貫通測(cè)量容許極限誤差值

控制網(wǎng)等級(jí)應(yīng)根據(jù)控制網(wǎng)的精度對(duì)貫通誤差的影響值來確定。隧洞貫通誤差包括橫向、縱向和豎向3個(gè)方向的誤差。一般而言，縱向限差要求容易達(dá)到，豎向誤差影響隧洞的坡度，應(yīng)用精密水準(zhǔn)測(cè)量的方法，也容易達(dá)到所需要求。隧洞貫通最關(guān)鍵的是解決橫向貫通誤差問題。

洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量誤差對(duì)橫向貫通誤差影響值My，可以通過下式計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

隧洞單向掘進(jìn)按最大長(zhǎng)度15km進(jìn)行精度估算，支洞導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)取300m，主洞內(nèi)導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)取600m，邊長(zhǎng)相對(duì)精度為1/100000，測(cè)量組數(shù)按一組計(jì)算。測(cè)距誤差引起的貫通誤差精度影響值myL=±0.0105m，排除掉測(cè)距誤差影響值后，分配至測(cè)角誤差引起的貫通精度影響值myβ=±0.1997m。

由上述影響值可得：洞內(nèi)角度測(cè)量中誤差達(dá)到myβ=±1.78″，規(guī)范規(guī)定三等精度為±1.8″，滿足貫通精度要求。通過上述分析，可按三等導(dǎo)線精度布設(shè)洞內(nèi)施工控制網(wǎng)。

2.3 選點(diǎn)埋石

2.3.1 選點(diǎn)

選好點(diǎn)位是提高控制網(wǎng)觀測(cè)精度、保證成果可靠性、使觀測(cè)工作能夠順利進(jìn)行的重要環(huán)節(jié)。洞內(nèi)選點(diǎn)時(shí)充分考慮了以下事項(xiàng)：點(diǎn)位盡量設(shè)置在施工范圍以外；點(diǎn)位的基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)固，易于保存，并有利于安全作業(yè)；點(diǎn)位選在便于安置儀器設(shè)備的地方；點(diǎn)位距地面及洞壁的距離最佳。

受隧洞洞徑和施工的限制，隧洞洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)均沿隧洞洞壁直伸布設(shè)，導(dǎo)致各導(dǎo)線點(diǎn)緊靠隧洞側(cè)壁。當(dāng)在靠近隧洞側(cè)壁的導(dǎo)線點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，水平方向觀測(cè)值受旁折光的影響顯著，且旁折光對(duì)水平方向觀測(cè)的影響是系統(tǒng)性的，該誤差具有累積性。經(jīng)過對(duì)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的匯總分析后，確定點(diǎn)位距離地面及洞壁40cm以上，旁折光對(duì)測(cè)量精度的影響可以忽略不計(jì)。因此，點(diǎn)位均選在距地面100～120cm之間，距洞壁40cm以上位置。

2.3.2 埋石

標(biāo)石可分為不同的類型，如地面標(biāo)、觀測(cè)墩、洞壁強(qiáng)制對(duì)中裝置等，在保證其穩(wěn)固和能夠長(zhǎng)期保存的前提下進(jìn)行標(biāo)石埋設(shè)。根據(jù)輸水隧洞的現(xiàn)場(chǎng)條件，采用懸掛洞壁帶有強(qiáng)制對(duì)中裝置的觀測(cè)墩，或者現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土標(biāo)石，其上安裝強(qiáng)制對(duì)中基盤。

2.4 儀器設(shè)備

儀器設(shè)備的選擇對(duì)控制網(wǎng)的精度起著至關(guān)重要的作用。本工程采用Leica TS30全站儀，同時(shí)配備空盒氣壓表3個(gè)，溫度計(jì)3個(gè)。

Leica TS30全站儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：儀器標(biāo)稱精度高；自動(dòng)化程度高；可以自動(dòng)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行搜索，照準(zhǔn)目標(biāo)，對(duì)中觀測(cè)，減少人為照準(zhǔn)誤差；對(duì)洞內(nèi)的光線強(qiáng)弱沒有要求，可以在黑暗環(huán)境下進(jìn)行工作；工作效率高，相對(duì)于其他設(shè)備，工作效率提高50%以上。

2.5 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集方法主要有四種，即方向觀測(cè)法、分組方向觀測(cè)法、全組合測(cè)角法和多測(cè)回測(cè)角法。根據(jù)上述控制網(wǎng)的布網(wǎng)方案以及控制網(wǎng)施測(cè)的等級(jí)，采用多測(cè)回測(cè)角法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集最為適宜。該方法比較靈活，可根據(jù)洞內(nèi)條件選擇測(cè)回?cái)?shù)及觀測(cè)目標(biāo)，所有目標(biāo)可同時(shí)觀測(cè)，數(shù)據(jù)集中，數(shù)據(jù)關(guān)系清晰。作業(yè)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定溫度、氣壓，并輸入到儀器內(nèi)，儀器自動(dòng)進(jìn)行氣象改正。外業(yè)觀測(cè)過程中要待儀器溫度與外界氣溫一致、成象清晰、目標(biāo)穩(wěn)定的情況下開始觀測(cè)，如受外界因素(如震動(dòng))的影響，儀器的補(bǔ)償器無法正常工作或超出補(bǔ)償器的補(bǔ)償范圍時(shí)，停止觀測(cè)。儀器與反射棱鏡應(yīng)按出廠要求配套使用，未經(jīng)驗(yàn)證，不得與其他型號(hào)的相應(yīng)設(shè)備互換使用。

表4 部分隧洞導(dǎo)線環(huán)導(dǎo)線測(cè)量精度評(píng)定表

3 測(cè)量數(shù)據(jù)平差及精度計(jì)算

3.1 平差計(jì)算

因隧洞洞內(nèi)控制網(wǎng)布設(shè)成導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)與自由設(shè)站邊角交會(huì)網(wǎng)融合的形式，導(dǎo)致觀測(cè)量和觀測(cè)值種類增加。根據(jù)隧洞洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)呈帶狀分布的特殊性，若按常規(guī)的洞內(nèi)控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方式，對(duì)隧洞洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將無法正確反映洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)的實(shí)際精度，影響隧洞的正確貫通，甚至對(duì)隧洞施工造成影響。因此，應(yīng)對(duì)融合導(dǎo)線網(wǎng)平差進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最適合本工程隧洞洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的平差方法。

為了符合隧洞洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)方向觀測(cè)的實(shí)際情況，利用各測(cè)站的方向觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過測(cè)站平差計(jì)算出各測(cè)站內(nèi)每一個(gè)方向觀測(cè)值的權(quán)，以此來形成間接平差中方向觀測(cè)值的權(quán)陣，而距離觀測(cè)值的權(quán)值保持不變。然后，再分別應(yīng)用常規(guī)約束平差算法和赫爾莫特約束平差算法對(duì)隧洞洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后采用控制網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理通用平差軟件包COSA_CODAPS V6.0進(jìn)行整體平差。結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的整體平差方法與常規(guī)平差方法相比，得到的控制網(wǎng)成果精度提高了20%。另外，在平差前需將外業(yè)測(cè)得的斜距經(jīng)過加、乘常數(shù)改正后的平距按下式歸算到洞線平均高程面上，邊長(zhǎng)歸算到工程面后進(jìn)行導(dǎo)線整體平差。

(4)

式中，D—測(cè)距邊水平距離,m；D0—?dú)w算到洞線平均高程面上的測(cè)距邊長(zhǎng)度,m；Hp—本隧洞洞線平均高程面；Hm—測(cè)距邊兩端點(diǎn)的平均海拔高程,m；RA—本區(qū)域法截線平均曲率半徑。

3.2 精度評(píng)定

最終的精度評(píng)定結(jié)果見表4，洞內(nèi)控制網(wǎng)成果中最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為10.8mm，測(cè)角中誤差最大值為1.6″，導(dǎo)線全長(zhǎng)閉合差最大值為1/9.7萬，均高于設(shè)計(jì)精度要求，充分證明了洞內(nèi)控制測(cè)量方案科學(xué)合理、精度可靠，滿足工程需要。

4 結(jié)語

特長(zhǎng)輸水隧洞洞內(nèi)控制測(cè)量在指導(dǎo)隧洞施工以及隧洞精確貫通方面起著舉足輕重的作用。該輸水隧洞的精確貫通也充分證明了本方案設(shè)計(jì)科學(xué)合理，有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

在實(shí)際應(yīng)用中，本方案不適宜在長(zhǎng)度較短、洞徑較小的隧洞施工中應(yīng)用。伴隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入逐年加大，無論是在水利水電行業(yè)，還是在交通、煤炭、高鐵等行業(yè)，隧洞工程會(huì)越來越多，隧洞的長(zhǎng)度越來越長(zhǎng)，測(cè)量難度也會(huì)越來越大，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)實(shí)施能夠?yàn)橐院蟮奶亻L(zhǎng)隧洞洞內(nèi)施工控制網(wǎng)測(cè)量提供一定的理論依據(jù)。