韓黨軍 沈延峰

(中鐵一局集團第四工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

在鐵路建設(shè)過程中，一般把單座隧道兩端洞門之間長度大于5 000 m以上的稱為長大隧道。此類隧道的準(zhǔn)確掘進(jìn)、貫通誤差以及建成后的線形和輪廓與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是否相符,是隧道施工技術(shù)中最起碼的要求，其中貫通誤差是衡量隧道正確施工和控制測量精度的重要指標(biāo)，對隧道的中線和高程控制有著舉足輕重的影響。而在隧道施工過程中，影響貫通誤差的因素主要有洞外控制測量精度等級、洞內(nèi)控制測量精度等級、隧道長度。本文根據(jù)長大隧道控制測量的建網(wǎng)理論，以大柱山長大隧道工程為例，詳細(xì)分析了隧道洞外平面控制網(wǎng)和洞內(nèi)導(dǎo)線控制網(wǎng)的設(shè)計過程，并估算其對貫通誤差的影響，以期為此類隧道施工控制最優(yōu)方案的選擇和順利貫通提供技術(shù)保障。

1 施工隧道工程概況

1.1 總體概況

大柱山隧道是新建鐵路大理至瑞麗大保段站前工程的第三標(biāo)段的難點工程，位于云南省保山市境內(nèi)，起始里程DK104+100，終點里程DK135+600，隧道全長14.5 km，屬于長大隧道，輔助正洞施工的平行導(dǎo)洞與隧道正洞基本平行，間距30 m，并沿里程方向每隔500 m與正洞設(shè)有橫通道，正洞與平導(dǎo)均由進(jìn)口與出口相向掘進(jìn)，中間無斜井及豎井，隧道控制測量難度大，技術(shù)要求高，是長大隧道控制網(wǎng)設(shè)計的典型案例和突出代表。

1.2 施工隧道控制網(wǎng)的布設(shè)情況

1.2.1隧道洞外控制網(wǎng)布設(shè)情況

根據(jù)設(shè)計交樁資料及地形情況，大柱山隧道正洞進(jìn)口布設(shè)3個GPS控制點D278，D279，ZD1；平導(dǎo)進(jìn)口布設(shè)4個GPS控制點：PD1，PD2，PD4，PDW-1；正洞出口與平導(dǎo)出口布設(shè)共用4個GPS控制點D313-A,D313-E,CHD,CHD1,布設(shè)示意圖如圖1所示。

1.2.2隧道洞內(nèi)控制網(wǎng)布設(shè)情況

大柱山隧道洞內(nèi)控制網(wǎng)按照傳統(tǒng)的導(dǎo)線網(wǎng)形式布設(shè)，正洞進(jìn)口和平導(dǎo)進(jìn)口端的導(dǎo)線點分別由洞外GPS控制點引測，正洞出口和平導(dǎo)出口由共用洞外GPS控制點引測，洞內(nèi)導(dǎo)線點布設(shè)成4條邊閉合的導(dǎo)線環(huán)，導(dǎo)線點的邊長間距通過方案設(shè)計進(jìn)行確定，布設(shè)示意圖如圖1所示。

2 長大隧道控制測量的基本要求

布設(shè)長大隧道控制測量時，除了滿足應(yīng)有統(tǒng)一的坐標(biāo)基準(zhǔn)、先整體后局部等一些基本原則外，隧道洞外控制網(wǎng)和隧道洞內(nèi)控制網(wǎng)還應(yīng)滿足下述相關(guān)要求。

2.1 隧道洞外控制網(wǎng)的布設(shè)要求

目前隧道洞外控制網(wǎng)已基本采用GPS進(jìn)行控制測量，控制點布設(shè)時主要應(yīng)滿足以下幾點要求：

1)應(yīng)布設(shè)在土質(zhì)堅硬、視野開闊、不易破壞的地方進(jìn)行；2)應(yīng)沿兩洞口連線方向布設(shè)成多邊形組合圖形，構(gòu)成閉合檢核條件；3)每個洞口應(yīng)至少布設(shè)3個平面控制點；4)用于向洞內(nèi)傳遞方向的洞外聯(lián)系邊的邊距不宜小于300 m；5)各控制點之間應(yīng)盡可能的保證能夠相互通視，以便于向隧道洞內(nèi)引測導(dǎo)線。

2.2 隧道洞內(nèi)控制網(wǎng)的布設(shè)要求

從實際的施工過程來看，對于長大隧道洞內(nèi)控制網(wǎng)的設(shè)計應(yīng)多采用傳統(tǒng)的導(dǎo)線網(wǎng)形式，而且導(dǎo)線點布設(shè)時應(yīng)滿足下述幾點要求：

1)布設(shè)應(yīng)在處于施工干擾小、穩(wěn)固可靠、便于設(shè)站的地方；2)點間視線應(yīng)離旁洞內(nèi)設(shè)施0.2 m以上；3)導(dǎo)線網(wǎng)應(yīng)布設(shè)成多邊形閉合環(huán)，每個環(huán)由4條～6條邊構(gòu)成，尤其是長大隧道的布設(shè)應(yīng)成交叉雙導(dǎo)線，以增加內(nèi)部檢核條件，如圖2所示；4)每個導(dǎo)線邊長應(yīng)根據(jù)實際測量設(shè)計確定。

3 施工隧道控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計

對于長大隧道而言，進(jìn)行控制測量的基本原理和方法均大同小異，但各個隧道的施工環(huán)境和影響因素又不盡相同，實施的具體方法和手段也存在差異。在隧道縱向橫向、方向和高程貫通誤差中，以目前的測量方法來說，橫向貫通誤差對隧道建筑限界及各建筑物的使用功能影響最大，因此，本文均主要以橫向貫通誤差作為衡量隧道控制測量精度是否滿足隧道施工要求的重要指標(biāo)，并分別分析計算洞外GPS控制網(wǎng)和洞內(nèi)導(dǎo)線控制網(wǎng)對隧道橫向貫通誤差影響的大小，優(yōu)化設(shè)計隧道控制網(wǎng)。

3.1 隧道洞外GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計

隧道洞外控制網(wǎng)采用GPS進(jìn)行測量，其洞外橫向貫通誤差主要根據(jù)GPS測量的洞口聯(lián)系邊測量精度及其定位點坐標(biāo)精度計算求得，其計算公式如式(1)所示：

(1)

其中，mJ,mC分別為進(jìn)、出口GPS控制點的Y坐標(biāo)誤差；LJ,LC分別為進(jìn)、出口GPS控制點至貫通點的長度；mαJ,mαC分別為進(jìn)、出口GPS聯(lián)系邊的方位中誤差；θ,φ分別為進(jìn)、出口控制點至貫通點連線與貫通點線路切線的夾角。

大柱山隧道根據(jù)隧道各施工的洞口地形條件確定的進(jìn)洞聯(lián)系邊分別為：正洞進(jìn)口ZD1-D278；平導(dǎo)進(jìn)口PD1-PD4、正洞出口與平導(dǎo)出口CHD-D313-A，控制網(wǎng)布測時利用GPS按照靜態(tài)模式對洞口進(jìn)洞聯(lián)系邊以及其他洞外控制點進(jìn)行了聯(lián)測，以及其他洞外控制點進(jìn)行了聯(lián)測，對所采集的原始數(shù)據(jù)分析處理后，計算得到的大柱山隧道正洞和平導(dǎo)的貫通誤差如表1所示。

表1 隧道洞外控制網(wǎng)貫通誤差表

由表1可知：隧道洞外所選GPS控制點對貫通誤差的影響均小于規(guī)范中65 mm的要求，說明洞外GPS控制點位置合理，能夠滿足規(guī)范中貫通誤差的要求，其坐標(biāo)成果，可以作為隧道洞內(nèi)控制測量的起算數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，隧道洞外GPS外業(yè)測量時，應(yīng)注意滿足最少觀測衛(wèi)星數(shù)、采樣間隔、觀測模式、衛(wèi)星高度截止角、觀測時段長、時段數(shù)等要求，并盡量減少由多路徑效應(yīng)的影響；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時，必須在檢核已知點間的兼容性，方可通過檢查重復(fù)基線較差、異步環(huán)閉合差，進(jìn)一步進(jìn)行三維約束平差、二維約束平差后，進(jìn)行精度統(tǒng)計，確定各項成果。

3.2 隧道洞內(nèi)導(dǎo)線控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計

由于隧道洞內(nèi)控制網(wǎng)采用導(dǎo)線網(wǎng)進(jìn)行測量，導(dǎo)線邊間距過長或過短，都會影響導(dǎo)線測量的精度，如何設(shè)計好隧道洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)及其導(dǎo)線點間的邊長，對于保證隧道準(zhǔn)確貫通至關(guān)重要，而隧道洞內(nèi)橫向貫通誤差主要受測角誤差和測邊誤差影響，其對貫通誤差的影響可按照式(2)～式(4)進(jìn)行計算：

(2)

(3)

(4)

大柱山隧道洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，借鑒以往施工隧道的經(jīng)驗，計算導(dǎo)線邊間距為300 m和500 m的情況下，隧道正洞和平導(dǎo)的橫向貫通誤差，以及導(dǎo)線邊間距為300 m，隧道正洞和平導(dǎo)的導(dǎo)線網(wǎng)通過設(shè)計橫通道聯(lián)測的情況下，隧道正洞和平導(dǎo)的橫向貫通誤差，并進(jìn)行相互比較，以期確定出導(dǎo)線網(wǎng)測量的最佳邊長間距，計算結(jié)果如表2所示。

表2 隧道洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)貫通誤差分析表

由以上比較可以看出：若在大柱山隧道內(nèi)布設(shè)300 m導(dǎo)線邊的雙支導(dǎo)線，隧道正洞的橫向貫通誤差將超過規(guī)范要求的105 mm；若在布設(shè)500 m導(dǎo)線邊的情況下，隧道的橫向貫通誤差基本能滿足要求；但在布設(shè)300 m導(dǎo)線邊的交叉雙導(dǎo)線情況下，通過橫通道聯(lián)測正洞導(dǎo)線網(wǎng)與平導(dǎo)導(dǎo)線網(wǎng)間的安全距離后，能夠有效降低隧道橫向的貫通誤差，且在聯(lián)測距離和角度后，橫向貫通誤差相對于只聯(lián)測距離后的誤差降低較小，因此，對于只從進(jìn)口與出口兩端掘進(jìn)的大柱山隧道，在布設(shè)洞內(nèi)導(dǎo)線點時，間距應(yīng)以500 m為宜，在邊坡點、平曲線半徑影響的區(qū)域，可以適當(dāng)縮短導(dǎo)線點間距，但不得低于300 m。

另外，長大隧道受通風(fēng)條件的限制，洞內(nèi)空間分布的粉塵、煙霧、水汽、巖熱、溫差等因素，對精密測角、測距質(zhì)量的影響極大，如大柱山隧道施工過程中，正洞安裝射流風(fēng)機通風(fēng)，正洞與平導(dǎo)的溫差多達(dá)7 ℃～8 ℃，形成的氣流對精密測角影響極大，而隧道洞內(nèi)溫度也不斷變化，最高達(dá)35 ℃，導(dǎo)線邊距離測量時，也不容忽視，對于此類影響應(yīng)采取有效的手段最大化的加以消除或者削弱，可采取以下措施：1)測量前，應(yīng)提前進(jìn)行停工，并加強隧道通風(fēng)，盡可能做到隧道內(nèi)觀測視線良好，少煙、少塵等情況，使觀測目標(biāo)成像清晰；2)改善照明環(huán)境，防止測量視線上有強光源等、造成旁折光影響；3)在測量過程中，由于通風(fēng)設(shè)備造成的氣流影響測角時，應(yīng)關(guān)閉通風(fēng)設(shè)備；4)測量時，應(yīng)盡量進(jìn)行連續(xù)測量，防止因為各次環(huán)境因素差異，造成測量結(jié)果差異。在隧道洞口進(jìn)行洞內(nèi)外聯(lián)測時：1)應(yīng)選在夜間或陰天、氣溫穩(wěn)定的情況下，進(jìn)行測量；2)隧道洞口置鏡點，宜在每次測量時，重新架設(shè)儀器，采集兩組觀測數(shù)據(jù)。

4 長大隧道控制網(wǎng)復(fù)測與調(diào)控

在隧道控制網(wǎng)首次建網(wǎng)完成后，還應(yīng)根據(jù)隧道施工情況，定期進(jìn)行控制網(wǎng)的復(fù)測，并不斷發(fā)現(xiàn)過程中存在的問題，優(yōu)化方案，以期達(dá)到更好的效果。

1)隧道每開挖到一定長度后，要按照方案設(shè)計及時增設(shè)導(dǎo)線控制點，增設(shè)指導(dǎo)開挖的臨時控制點時，應(yīng)檢核已知點間的相互關(guān)系；

2)應(yīng)確保需使用的各儀器處于完好狀態(tài)，并在檢定有效期內(nèi)，測量時要做到儀器和外界環(huán)境適應(yīng)后，準(zhǔn)確記錄和設(shè)置儀器氣象數(shù)據(jù)，方可開始測量；

3)應(yīng)按照原設(shè)計控制網(wǎng)等級的相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行同等級的復(fù)測；

4)應(yīng)充分避免測量過程中的系統(tǒng)誤差的影響，如對點器的對中誤差；

5)在隧道開挖到一定長度后，還應(yīng)增加陀螺儀測量進(jìn)行方位角的校正，防止累積誤差過大；

6)數(shù)據(jù)處理時，應(yīng)正確設(shè)置好中央子午線，投影面高程等信息，進(jìn)行距離改化后，方可進(jìn)行平差計算；

7)對于丟失、有位移的控制點應(yīng)采用同等內(nèi)插的方法及時新設(shè)或更新；

8)應(yīng)認(rèn)真分析每次復(fù)測完成后的成果資料，統(tǒng)計各項誤差與往期進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)異常情況查明原因、調(diào)整優(yōu)化方案；

9)隧道貫通時，應(yīng)聯(lián)測貫通面兩端的導(dǎo)線點，并進(jìn)行精度評定，合限時方可進(jìn)行貫通誤差的分配，平差處理后的新坐標(biāo)成果作為未襯砌段隧道的施工依據(jù)。

5 結(jié)語

對于長大隧道而言，在確保其準(zhǔn)確、安全、高效貫通的同時，必須在前期進(jìn)行準(zhǔn)確的隧道控制網(wǎng)方案設(shè)計且估算貫通誤差，隨后在施工過程中應(yīng)根據(jù)實際情況不斷按照已經(jīng)實施的測量結(jié)果計算實際誤差，估算貫通誤差與計算的實際誤差進(jìn)行比較，有異常情況時調(diào)整、優(yōu)化方案，從而確保在實際隧道施工控制過程中，既不會因盲目而提高或降低隧道控制測量的精度，又能保證隧道建筑物如期安全的進(jìn)行施工。