高 索

(中鐵十七局集團第二工程有限公司 陜西西安 710043)

1 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)飛速發(fā)展，特別是工程設(shè)計和施工技術(shù)的不斷進步，長大隧道修建工程越來越多。為保證隧道按規(guī)定的精度正確貫通，很多單位均采用新儀器、新技術(shù)和新方法進行隧道控制測量，但隧道洞內(nèi)觀測條件復(fù)雜、影響因素多，仍有部分長大隧道貫通精度超限，貫通偏差過大，導(dǎo)致侵入建筑限界造成工程處理或廢棄，出現(xiàn)不必要的工程損失。本文針對隧道洞內(nèi)施工導(dǎo)線測量方法和網(wǎng)型進行深入研究，通過多條隧道雙導(dǎo)線網(wǎng)、交叉雙導(dǎo)線以及自由測站邊角交會等方法得出的實測數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)合多條隧道實際的測量方法及貫通情況，提出了最佳的洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)型及測量方法，可以應(yīng)運于鐵路、公路、市政、水利工程等長大隧道洞內(nèi)施工控制測量。

2 洞內(nèi)導(dǎo)線測量方法

2.1 常規(guī)導(dǎo)線測量方法

常規(guī)隧道洞內(nèi)控制導(dǎo)線測量方法一般采用人工照準(zhǔn)觀測記錄，布設(shè)成多邊形閉合環(huán)，每個導(dǎo)線環(huán)由4～6條邊構(gòu)成，見圖1。長隧道宜布設(shè)成交叉雙導(dǎo)線環(huán)，交叉雙導(dǎo)線的點位宜前、后錯位布設(shè)[1]，見圖2。

圖1 多邊形閉合環(huán)導(dǎo)線示意

圖2 交叉雙導(dǎo)線環(huán)示意

由于測量速度慢、人工干預(yù)多、隧道洞內(nèi)觀測條件差、影響因素多，導(dǎo)致測量精度低。常規(guī)測量方法在長大隧道導(dǎo)線測量中已很少應(yīng)用。

2.2 導(dǎo)線測量新方法

隨著測量機器人的普及，長大隧道大多采用測量機器人自動采集數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件進行嚴(yán)密平差，測量速度快、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量高[2]。主要網(wǎng)型采用雙導(dǎo)線網(wǎng)，見圖3。也可以交錯剔除靠近隧道壁的一條邊形成兩種交叉雙導(dǎo)線，相當(dāng)于與雙導(dǎo)線網(wǎng)同條件下實測的兩條交叉雙導(dǎo)線。

圖3 雙導(dǎo)線網(wǎng)示意

近年來，隨著鐵路軌道控制網(wǎng)CPⅢ測量技術(shù)的日趨成熟，自由測站邊角交會方法的CPⅢ布網(wǎng)方式也應(yīng)用在隧道導(dǎo)線測量中[3-6]，點對間距一般為200～300 m，布網(wǎng)方式見圖4。相關(guān)文獻(xiàn)及規(guī)范中均敘述了隧道貫通后CPⅡ加密采用自由測站邊角交會的方法施測，但在隧道施工過程中很少提及或缺乏實際工程驗證。本文主要針對該方法與雙導(dǎo)線法進行試驗驗證及精度進行研究，論證隧道施工導(dǎo)線測量的最優(yōu)方法。

圖4 自由測站邊角交會導(dǎo)線網(wǎng)示意

3 驗證比較分析

3.1 交叉雙導(dǎo)線與雙導(dǎo)線網(wǎng)比較分析

選擇3段洞外GNSS控制網(wǎng)精度好且已貫通隧道CPⅡ雙導(dǎo)線網(wǎng)測量成果，以兩端約束閉合良好的成果為基準(zhǔn)進行比較分析。完整的雙導(dǎo)線網(wǎng)左右間隔剔除一條直線邊形成交叉雙導(dǎo)線，可以生成左起和右起(簡寫ZQ和YQ)兩種交叉雙導(dǎo)線，見圖5。

圖5 兩種交叉雙導(dǎo)線示意

雙導(dǎo)線網(wǎng)(簡寫SD)和兩種交叉雙導(dǎo)線(簡寫ZQ和YQ)均以導(dǎo)線一端相同起算點進行約束平差，導(dǎo)出成果表進行分析比較，列出最遠(yuǎn)端相同最弱點位的不同網(wǎng)型間的成果坐標(biāo)較差，見表1。

表1 不同網(wǎng)型最弱點位坐標(biāo)較差

通過比較，很明顯看出各種導(dǎo)線最弱點偏差隨隧道長度增大而變大，且左起和右起導(dǎo)線相同點位的偏差較大，為兩偏差之和；而左起和右起導(dǎo)線平均偏差很小，說明兩項平均坐標(biāo)值接近雙導(dǎo)線網(wǎng)的實測坐標(biāo)。若采取交叉雙導(dǎo)線測量網(wǎng)型，左起或右起導(dǎo)線偏差一大一小，很難選擇成果，也無法判斷哪個成果精度更高。故在各項限差合格的情況下，證明雙導(dǎo)線網(wǎng)精度比較可靠。

3.2 自由測站邊角交會導(dǎo)線網(wǎng)與雙導(dǎo)線網(wǎng)對比分析

(1)坐標(biāo)及橫向貫通偏差比較

選取相當(dāng)長度的雙導(dǎo)線網(wǎng)及自由測站邊角交會導(dǎo)線網(wǎng)(簡寫ZYCZ)實測數(shù)據(jù)進行橫向貫通偏差比較分析[7-8]。

選取的3條隧道相向開挖長度分別在L＜4 km、4≤L＜7 km和7≤L＜10 km三個區(qū)間范圍內(nèi)，按鐵路工程規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，洞內(nèi)貫通中誤差分別為40 mm、50 mm和65 mm，貫通限差為2倍的中誤差。

雙導(dǎo)線網(wǎng)及自由測站邊角交會導(dǎo)線網(wǎng)(長隧道采用相同段落CPⅢ實測數(shù)據(jù)代替)分別以進、出口端穩(wěn)定的控制點作為起算點進行約束，取中部貫通點基本相同里程進行坐標(biāo)比較和橫向貫通偏差比較，見表2。

表2 雙導(dǎo)線網(wǎng)和自由測站邊角交會導(dǎo)線網(wǎng)比較

從表2可以看出，自由測站邊角交會導(dǎo)線網(wǎng)隨著隧道增長，坐標(biāo)較差和橫向貫通偏差也越大，自由測站邊角交會的橫向偏差約為雙導(dǎo)線的2倍，終點端存在比較嚴(yán)重的擺動現(xiàn)象，導(dǎo)致橫向貫通誤差超過隧道凈空富余量，侵入隧道建筑限界。兩端極端綜合影響，可能導(dǎo)致隧道橫向貫通誤差超限，會造成線路中線調(diào)整，在隧道掘進過程中不宜采用。

(2)點位精度

統(tǒng)計3條隧道雙導(dǎo)線網(wǎng)及自由測站邊角交會導(dǎo)線網(wǎng)分別按一端約束和兩端約束平差后的點位精度最大值，見表3。

從表3可以看出，自由測站邊角交會導(dǎo)線網(wǎng)一端約束最大點位精度偏大，雙導(dǎo)線網(wǎng)精度稍小一些；兩端約束最大點位精度在中部，比較小，所以兩種網(wǎng)型用在兩端約束洞內(nèi)CPⅡ?qū)Ь€測量中可行。說明一端約束引起的橫向貫通誤差大，隧道施工掘進階段的洞內(nèi)控制導(dǎo)線不宜采用自由測站邊角交會方式，而貫通后軌道控制網(wǎng)CPⅡ加密導(dǎo)線可以采用自由測站邊角交會方式。

表3 最大點位精度

3.3 工程實例

滬昆、西成、寶蘭、太焦、大張客專，廣大、蒙華、浦梅鐵路，引漢濟渭、四平水利引水洞及西安機場線(西安機場線盾構(gòu)區(qū)間單向掘進2.9 km，加上車站長度，單向控制超過3 km，故按長大隧道算。雖然區(qū)間曲線半徑小，平均邊長只有120 m左右，但出洞貫通偏差僅為8 mm)等多條長大隧道洞內(nèi)施工控制均采用自動觀測軟件按雙導(dǎo)線網(wǎng)進行施測，目前所有隧道均已準(zhǔn)確貫通，貫通精度優(yōu)良。列舉幾條代表性隧道的貫通情況，見表4。隧道貫通偏差均按段落貫通長度考慮，未采用整個隧道長度考慮限差。

表4 貫通情況統(tǒng)計

從表4可以看出，所有隧道橫向貫通誤差均滿足規(guī)范要求，測量方法合理。

近年來，公司承建所有長度超過3 km的隧道，均采用雙導(dǎo)線網(wǎng)的方式進行數(shù)據(jù)采集。只要洞外控制網(wǎng)精度好、洞口布網(wǎng)合理，采取強制對中等必要的加強手段，導(dǎo)線測量精度滿足規(guī)范要求，貫通偏差都比較小。

由此證明雙導(dǎo)線網(wǎng)測量精度滿足長大隧道貫通精度要求，施工過程中定期復(fù)測檢核也是保證數(shù)據(jù)可靠性的基本條件。

4 控制網(wǎng)網(wǎng)型分析

4.1 自由測站邊角交會導(dǎo)線網(wǎng)

(1)從數(shù)據(jù)驗證中可以看出自由測站邊角交會導(dǎo)線測量貫通精度基本達(dá)到或超過了洞內(nèi)貫通中誤差，存在較嚴(yán)重的擺尾現(xiàn)象。造成較大擺尾原因分析如下:

①自由測站網(wǎng)中任意相鄰2個CPⅡ控制點和2個CZ測站點間均沒有直接聯(lián)系邊，組成的閉合環(huán)均是2個測站點和2個控制點間組成的四邊形，見圖6。所有四邊形閉合環(huán)均缺少兩個直接測量的較大角度的對角，而且傳遞均為銳角，直接點連接傳遞，方向不易控制，為不穩(wěn)定的四邊形，容易扭曲。

圖6 自由測站邊角交會閉合環(huán)示意

②雖然自由測站邊角交會導(dǎo)線多余觀測數(shù)較多，CPⅡ控制點布設(shè)在二襯上，棱鏡采用CPⅢ標(biāo)志強制對中，安裝誤差小，但視距相差較大，最長視距約為最短視距的3倍，點對間角度和距離測量精度不均勻，且無往返測復(fù)核，同一站左右點對偏差基本一致，易出現(xiàn)偏差。

③通過對多組實際數(shù)據(jù)的分析，說明自由測站邊角交會若采用單向一端約束，最弱點位坐標(biāo)較差和最弱點精度偏大，造成擺尾現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

(2)自由測站邊角交會導(dǎo)線網(wǎng)檢核條件少，平差軟件無閉合環(huán)和往返測統(tǒng)計。采用常用的中鐵二、四院數(shù)據(jù)處理軟件進行平差計算，均沒有閉合環(huán)、附和導(dǎo)線、往返測精度統(tǒng)計，只顯示第三邊，不利于內(nèi)業(yè)檢核。

(3)若采用隧道兩端約束，則中部最弱點精度比較小，可用于隧道貫通后的CPⅡ加密測量，但已知約束點不能過長，否則中部偏移會比較大。

(4)曲線地段特別是小半徑曲線，不利于布網(wǎng)，曲線內(nèi)側(cè)視線離構(gòu)筑物過近。

(5)自由測站在隧道掘進過程中，由于觀測空氣質(zhì)量差、視距過長會導(dǎo)致觀測精度差或不讀數(shù)，加之施工設(shè)備材料的遮擋，自由測站不宜采用，容易造成貫通誤差超限，不利于隧道準(zhǔn)確貫通。

4.2 雙導(dǎo)線網(wǎng)

(1)洞內(nèi)導(dǎo)線貫通誤差均按單導(dǎo)線進行預(yù)計，采用雙導(dǎo)線網(wǎng)精度是單導(dǎo)線精度的倍，而且增加了閉合條件，精度會更高。

(2)雙導(dǎo)線網(wǎng)中距離有往返測驗證，每個控制點一般出現(xiàn)在多個閉合環(huán)中，能及時檢核是否滿足限差要求，超限即可進行補測。

(3)隧道掘進時布設(shè)的雙導(dǎo)線網(wǎng)點一般設(shè)置在仰拱上，埋設(shè)位置要穩(wěn)定，利于保護；導(dǎo)線點成對布設(shè)，縱向間距200～300 m，前后距離均勻，點對橫向間距至少1 m以上，視線偏離構(gòu)筑物至少0.3 m以上，減少折光差的影響[9-10]。若導(dǎo)線邊太短可以采用強制對中標(biāo)志，在二襯上埋設(shè)強制對中支架或在仰拱上埋設(shè)強制對中觀測墩。

(4)雙導(dǎo)線網(wǎng)測量對觀測條件要求比較高，測量前應(yīng)停工通風(fēng)，減少干擾和洞內(nèi)煙塵影響。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)分析論證了雙導(dǎo)線和自由測站邊角交會導(dǎo)線網(wǎng)的精度和優(yōu)缺點，證明雙導(dǎo)線網(wǎng)是當(dāng)前長大隧道導(dǎo)線測量的最優(yōu)方法。自由測站邊角交會導(dǎo)線網(wǎng)用在隧道貫通后的CPⅡ測量上有一定的優(yōu)勢，可以在水溝電纜槽沒有成型即可在二襯上布設(shè)洞內(nèi)CPⅡ加密網(wǎng)，節(jié)省隧道建設(shè)工期[11]。但在隧道施工掘進過程中不應(yīng)采用自由測站方式。今后長大隧道施工過程中應(yīng)采用雙導(dǎo)線網(wǎng)，埋設(shè)強制對中標(biāo)志及陀螺定向檢核修正方位角[12-13]等方法，確保長大隧道準(zhǔn)確貫通。