譙生有 安義兵 白芝勇

(1.中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司,陜西寶雞 721006; 2.寶雞文理學(xué)院,陜西寶雞 721013;3.寶雞地環(huán)科技有限公司,陜西寶雞 721013)

高速鐵路及普通鐵路長(zhǎng)大隧道無砟軌道施工前,需在隧道全面貫通后統(tǒng)一布設(shè)隧道內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng),作為軌道控制網(wǎng)CPⅢ的測(cè)量依據(jù)[1-2]。巨邦強(qiáng)等提出,特長(zhǎng)隧道全面貫后再施作無砟軌道對(duì)工期極其不利,在具備條件的段落,可先期鋪設(shè)無砟軌道;王建成等認(rèn)為,采用自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)與交叉導(dǎo)線混合構(gòu)網(wǎng)可提高分段測(cè)量隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)精度。以上研究說明,隧道未全面貫通前分段測(cè)設(shè)隧道內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)具有可行性,但對(duì)其施工風(fēng)險(xiǎn)、段落劃分、網(wǎng)形優(yōu)化及平差原則等關(guān)鍵技術(shù)研究有待完善。

在實(shí)際施工中,長(zhǎng)大隧道圍巖地質(zhì)復(fù)雜,若某個(gè)施工面地質(zhì)條件較差,開挖面貫通時(shí)間往往滯后于施工組織設(shè)計(jì),若等所有貫通面全部貫通后再施測(cè)隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng),將造成工期嚴(yán)重滯后,給工程建設(shè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。

在鐵路長(zhǎng)大隧道施工中,多采用“長(zhǎng)隧短打”施工方案,部分施工面滯后設(shè)計(jì)工期的情況較為常見,基于工期壓力和施工成本控制,采取分段施測(cè)洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)的工程案例愈來愈多,如西格二線新關(guān)角隧道,甘青高鐵達(dá)坂山、陳家山、照壁山隧道及玉墨鐵路安定隧道等,在隧道全面貫通前,采取分段施測(cè)洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)方案,可節(jié)約無砟軌道施工工期,經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。因此,研究鐵路長(zhǎng)大隧道在全面貫通前分段施測(cè)隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)技術(shù)非常必要。

1 施測(cè)隧道洞內(nèi)CPⅡ平面控制網(wǎng)

隧道無砟軌道施工前,需布設(shè)洞內(nèi)CPⅡ平面控制網(wǎng),然后在洞內(nèi)CPⅡ平面控制網(wǎng)基礎(chǔ)上,施測(cè)CPⅢ平面控制網(wǎng),作為無砟軌道施工精調(diào)、軌道精調(diào)的測(cè)量基準(zhǔn)。因此,洞內(nèi)CPⅡ平面控制網(wǎng)測(cè)量是隧道無砟軌道施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié),隧道洞內(nèi)如不具備CPⅡ平面控制網(wǎng)測(cè)量條件,則隧道內(nèi)無砟軌道施工將無法開展。

1.1 貫通后施測(cè)隧道內(nèi)CPⅡ平面控制網(wǎng)

隧道各開挖面全面貫通后,隧道線下工程基本結(jié)束,施工干擾小、通風(fēng)條件好,具有良好的觀測(cè)條件。貫通誤差可根據(jù)全隧貫通情況統(tǒng)一調(diào)整,隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)可整體布設(shè)、整體平差,誤差分布均勻,相對(duì)精度較好,有利于為CPⅢ測(cè)量提供高精度起算基準(zhǔn),因此,宜在隧道全面貫通后施測(cè)隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)。

隧道全面貫通后施測(cè)洞內(nèi)CPⅡ平面控制網(wǎng)應(yīng)具備以下基本條件。

(1)隧道二襯、水溝電纜槽施工完畢,具備洞內(nèi)CPⅡ自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)、交叉導(dǎo)線網(wǎng)、或自由測(cè)站邊角交會(huì)與交叉導(dǎo)線混合網(wǎng)控制點(diǎn)布設(shè)條件。

(2)洞內(nèi)保留有不少于1個(gè)/km完整穩(wěn)定的施工控制點(diǎn)。便于洞內(nèi)CPⅡ平面控制網(wǎng)與施工控制網(wǎng)聯(lián)測(cè),調(diào)整洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)平差方案,避免出現(xiàn)洞內(nèi)CPⅡ平面控制網(wǎng)與施工控制網(wǎng)“兩張皮”現(xiàn)象[5]。

(3)具備良好的觀測(cè)條件。洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)精度受隧道旁遮光、洞內(nèi)水氣、煙塵、大型機(jī)械行走擾動(dòng)、觀測(cè)視線障礙物等因素影響,不易測(cè)設(shè)閉合。因此,必須創(chuàng)造良好的觀測(cè)條件,才能保證洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)順利測(cè)設(shè)。

1.2 貫通前分段施測(cè)隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)

對(duì)于中短隧道或者非關(guān)鍵工期的長(zhǎng)大隧道,可在隧道各開挖面全面貫通后再施測(cè)洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng),此時(shí)測(cè)量條件最好,測(cè)量風(fēng)險(xiǎn)最低,但對(duì)于地質(zhì)情況復(fù)雜或關(guān)鍵工期不能保證的長(zhǎng)大隧道,須根據(jù)節(jié)點(diǎn)工期和隧道開挖面實(shí)際貫通情況,制定分段測(cè)設(shè)洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)專項(xiàng)方案,在隧道未全面貫通前,分段施工無砟軌道,可降低隧道內(nèi)無砟軌道施工的工期風(fēng)險(xiǎn)。

隧道未全面貫通前分段施測(cè)洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)應(yīng)具備以下基本條件。

(1)隧道開挖完成至少80%以上,僅有部分工作面不能按期貫通,如圖1所示。

圖1 隧道貫通情況示意

(2)未貫通段地質(zhì)復(fù)雜,工期滯后,影響全線關(guān)鍵工期。

(3)部分貫通面已通過隧道進(jìn)口、出口、平導(dǎo)、橫洞、斜井、豎井或橫通道等輔助導(dǎo)坑(洞)開挖貫通,已貫通段分段施工無砟軌道能夠顯著縮短工期。

(4)具備控制點(diǎn)埋設(shè)、控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)和觀測(cè)條件。

2 分段施測(cè)隧道內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)的測(cè)量風(fēng)險(xiǎn)

2.1 施測(cè)條件較差

由于隧道未全面貫通,隧道內(nèi)部分開挖面施工尚未結(jié)束,受開挖、出渣、支護(hù)、鋪底、二襯、水溝電纜槽等施工影響,通風(fēng)排煙效果較差,對(duì)測(cè)量目標(biāo)的照準(zhǔn)精度影響大,交通車輛行走頻繁,隧道內(nèi)施工干擾大,容易造成觀測(cè)中斷或無法觀測(cè),觀測(cè)精度受施工影響較大。

2.2 不同階段施測(cè)的分段之間搭接誤差過大

洞內(nèi)CPⅡ網(wǎng)根據(jù)施工進(jìn)度分階段施測(cè),各分段相對(duì)獨(dú)立,后期測(cè)設(shè)的CPⅡ網(wǎng)與先期測(cè)設(shè)的CPⅡ網(wǎng)之間的搭接誤差可能導(dǎo)致平差精度指標(biāo)難以合格。因此,必須提高各分段CPⅡ網(wǎng)的測(cè)設(shè)精度,減小各分段之間的銜接誤差,確保各分段測(cè)量成果均能滿足精度要求。

2.3 對(duì)軌道平面線形平順性的影響

分段測(cè)設(shè)時(shí),宜根據(jù)施工進(jìn)展將整個(gè)隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)劃分成多個(gè)測(cè)段,各測(cè)段分別獨(dú)立測(cè)設(shè),相較于隧道貫通后整網(wǎng)布設(shè)、整體平差,控制網(wǎng)之間的銜接誤差可能較大,對(duì)后續(xù)CPⅢ測(cè)量精度會(huì)產(chǎn)生一定影響,從而影響軌道平面線形的平順性。

2.4 可能引起隧道凈空侵界

受施工干擾、觀測(cè)條件、不能整體平差等因素影響,分段施測(cè)隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)測(cè)量誤差容易積累,若測(cè)量方案制定不合理,相關(guān)技術(shù)措施不到位,可能導(dǎo)致測(cè)量誤差積累過大,引起隧道凈空侵界。

3 分段施測(cè)隧道內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)關(guān)鍵措施

3.1 制定專項(xiàng)測(cè)量設(shè)計(jì)方案

分段施測(cè)隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)超出了規(guī)范要求的基本條件,施工風(fēng)險(xiǎn)大,必須制定專項(xiàng)測(cè)量設(shè)計(jì)方案,專項(xiàng)方案的內(nèi)容一般應(yīng)包含隧道內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)分段的劃分、洞外控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)精度設(shè)計(jì)、洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)網(wǎng)型設(shè)計(jì)、洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)平差原則等,測(cè)量專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案需經(jīng)專家評(píng)審論證,通過方可實(shí)施。

3.2 合理劃分分段段落

根據(jù)施工現(xiàn)狀和施工組織安排,分階段劃分洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)段落,分段時(shí)應(yīng)盡量減少分段數(shù)量,加大分段長(zhǎng)度,減少分段搭接。如圖1所示工況,第一階段宜施測(cè)進(jìn)口至1號(hào)斜井及3號(hào)斜井至出口,第二階段施測(cè)2號(hào)斜井至3號(hào)斜井,第三階段施測(cè)1號(hào)斜井至2號(hào)斜井。

3.3 動(dòng)態(tài)優(yōu)化分段段落

分段段落應(yīng)根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化,貫通時(shí)間相近,或不在關(guān)鍵工期路線的相鄰段落可以作為一個(gè)整體段落,如圖1所示工況,若2號(hào)斜井至3號(hào)斜井與1號(hào)斜井至2號(hào)斜井貫通時(shí)間相近,可將1號(hào)斜井至3號(hào)斜井優(yōu)化為一個(gè)分段。

3.4 對(duì)洞外施工控制網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化

為確保分段洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)的測(cè)量精度,對(duì)隧道洞外施工控制網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造,對(duì)洞口進(jìn)洞邊進(jìn)行優(yōu)化。洞口視線開闊,具備GNSS觀測(cè)條件的,可將進(jìn)洞點(diǎn)直接設(shè)置在洞口路基上或洞口橋臺(tái)防護(hù)墻頂面,以優(yōu)化進(jìn)洞邊,減小進(jìn)洞邊俯仰角;若后視邊長(zhǎng)度大于500m,為降低垂線偏差影響,可提高進(jìn)洞邊方位角傳遞精度。實(shí)踐證明,對(duì)洞外控制網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化是提高洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)精度的關(guān)鍵措施。

3.5 洞內(nèi)控制網(wǎng)布網(wǎng)方案優(yōu)化

一般情況下,控制點(diǎn)宜沿隧道兩側(cè)水溝電纜槽中隔墻成對(duì)布設(shè),導(dǎo)線邊長(zhǎng)宜大于300m,觀測(cè)視線應(yīng)遠(yuǎn)離障礙物,以減小旁折光影響[6]。洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)可布設(shè)為多邊形導(dǎo)線網(wǎng)、交叉導(dǎo)線網(wǎng)、加測(cè)自由測(cè)站的交叉導(dǎo)線網(wǎng)、導(dǎo)線鎖與交叉導(dǎo)線混合網(wǎng)等多種類型。應(yīng)根據(jù)精度要求、隧道曲線半徑、斷面大小、通視條件等因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一般洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)應(yīng)布設(shè)為交叉導(dǎo)線網(wǎng)[7],斜井、平洞或橫通道與正洞交叉口處的短邊應(yīng)采取強(qiáng)制對(duì)中措施,并加測(cè)自由測(cè)站邊角交會(huì),以增強(qiáng)網(wǎng)形強(qiáng)度[8-10],網(wǎng)形如圖2所示。

圖2 加測(cè)自由測(cè)站的洞內(nèi)交叉導(dǎo)線網(wǎng)

洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)角度測(cè)量精度受旁遮光影響非常顯著,在不利條件下旁遮光誤差可能超過3倍測(cè)角中誤差,導(dǎo)致導(dǎo)線角度閉合差超限,旁遮光誤差在洞內(nèi)呈現(xiàn)出系統(tǒng)誤差的特性,即使對(duì)導(dǎo)線角度進(jìn)行重測(cè),也不能有效削弱或抵消。當(dāng)曲線半徑較小視線緊貼隧道壁時(shí),應(yīng)對(duì)洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)網(wǎng)形進(jìn)一步優(yōu)化。

一種優(yōu)化方案是優(yōu)化觀測(cè)網(wǎng)形,取消曲線內(nèi)側(cè)靠近隧道壁一側(cè)的觀測(cè)邊,將洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)優(yōu)化為四邊形導(dǎo)線鎖與交叉導(dǎo)線結(jié)合的混合網(wǎng),該網(wǎng)形的缺點(diǎn)是降低了導(dǎo)線網(wǎng)的圖形強(qiáng)度,優(yōu)點(diǎn)是可通過內(nèi)業(yè)取消貼近隧道壁的觀測(cè)邊即可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化,不必額外增加外業(yè)觀測(cè)量,也無需對(duì)點(diǎn)位重新埋設(shè),實(shí)際應(yīng)用較多,如圖3所示。

圖3 導(dǎo)線鎖與交叉導(dǎo)線混合網(wǎng)

另一種優(yōu)化方案是優(yōu)化曲線內(nèi)側(cè)CPⅡ控制點(diǎn)對(duì)的埋設(shè)位置,將交叉導(dǎo)線網(wǎng)點(diǎn)對(duì)按一組設(shè)置在曲線兩側(cè),下一組設(shè)置在曲線外側(cè),依次間隔設(shè)置,如圖4所示。

圖4 間隔設(shè)置點(diǎn)對(duì)的交叉導(dǎo)線網(wǎng)

該網(wǎng)形的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)線網(wǎng)圖形強(qiáng)度較好,具有較多的冗余觀測(cè)。

3.6 聯(lián)測(cè)施工控制點(diǎn)

為檢核洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)與施工控制網(wǎng)之間的差異,宜每隔1km聯(lián)測(cè)不少于1個(gè)施工控制點(diǎn),施工控制點(diǎn)至少通過2個(gè)測(cè)站聯(lián)測(cè),聯(lián)測(cè)方式如圖5所示。

圖5 施工控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)示意

3.7 創(chuàng)造良好的觀測(cè)條件

分段施測(cè)洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)時(shí),部分開挖面尚未貫通,洞內(nèi)通風(fēng)排煙效果差,機(jī)械通行干擾大,這些因素是影響洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)觀測(cè)精度的主要因素。洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)期間,應(yīng)停止洞內(nèi)所有施工,清除影響觀測(cè)視線的障礙物,關(guān)閉隧道內(nèi)照明燈光,禁止機(jī)械車輛通行,提前打開風(fēng)機(jī)通風(fēng)除塵;在煙塵和水汽聚集地段,必要時(shí)可增加射流風(fēng)機(jī),以加強(qiáng)空氣流動(dòng),創(chuàng)造良好的洞內(nèi)觀測(cè)條件,確保觀測(cè)質(zhì)量[11-15]。

3.8 不同分段之間搭接

宜將搭接段落向未貫通端掌子面延伸1個(gè)測(cè)站,為前期無砟軌道施工區(qū)間增加可施工的長(zhǎng)度,分段劃分時(shí),應(yīng)為后期貫通的測(cè)段留有足夠長(zhǎng)度(一般不宜小于4km),以避免因不同階段施測(cè)的分段之間搭接誤差過大而引起設(shè)計(jì)隧道中線的調(diào)整。

3.9 分段控制網(wǎng)平差原則

洞內(nèi)各分段CPⅡ控制網(wǎng)平差時(shí)應(yīng)遵循如下原則:

(1)各分段洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)平差各項(xiàng)精度指標(biāo)應(yīng)滿足專項(xiàng)測(cè)量設(shè)計(jì)方案要求。

(2)分段洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)平差應(yīng)按“三步法”原則平差。第一步僅約束洞外已知點(diǎn)進(jìn)行平差試算,第二步利用試算成果檢查隧道凈空斷面,第三步根據(jù)隧道凈空檢查結(jié)果合理確定最終平差方案,避免出現(xiàn)因平差方案不合理造成隧道凈空侵界。

(3)必要時(shí)可約束部分施工控制點(diǎn),或約束施工控制點(diǎn)的某一分量,使分段CPⅡ控制網(wǎng)與施工導(dǎo)線網(wǎng)成果有良好的一致性,避免出現(xiàn)洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)與施工控制網(wǎng)出現(xiàn)“兩張皮”現(xiàn)象。

(4)分段洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)平差成果的精度應(yīng)滿足施測(cè)軌道控制網(wǎng)CPⅢ的要求。

4 工程案例

新建蘭州至烏魯木齊第二雙線達(dá)坂山隧道全長(zhǎng)15.879km,采用“長(zhǎng)隧短打”方案施工,共設(shè)斜井3座、平導(dǎo)1座,隧道進(jìn)口與1號(hào)斜井、2號(hào)斜井與3號(hào)斜井、3號(hào)斜井與隧道出口段均已貫通,1號(hào)斜井與2號(hào)斜井施工段因隧道圍巖較差,工期滯后7個(gè)月,嚴(yán)重制約全線鋪軌進(jìn)度,需在1號(hào)斜井與2號(hào)斜井貫通前分段施測(cè)隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng),以加快隧道無砟軌道施工進(jìn)度。該隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)分兩期測(cè)設(shè),采取了優(yōu)化洞外、洞內(nèi)控制網(wǎng)布網(wǎng)方案和提高測(cè)量精度等技術(shù)措施,測(cè)量方案經(jīng)專家論證后施測(cè),各分段銜接平順,測(cè)量精度均滿足要求,縮短鋪軌工期7.5個(gè)月,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

對(duì)隧道未全面貫通分段施測(cè)洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)測(cè)量條件、測(cè)量風(fēng)險(xiǎn)、關(guān)鍵措施、無砟軌道施工工期壓力等方面進(jìn)行研究,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)長(zhǎng)大隧道工程地質(zhì)比較復(fù)雜,部分貫通面工期滯后的情況較為常見,通過分段測(cè)設(shè)洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng),可縮短洞內(nèi)無砟軌道施工工期,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(2)分段施測(cè)洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)時(shí),隧道內(nèi)施工干擾大,通風(fēng)排煙效果差,交通車輛行走頻繁,容易造成觀測(cè)中斷或無法觀測(cè),對(duì)提高分段施測(cè)洞內(nèi)CPⅡ平面控制網(wǎng)精度不利。

(3)通過采取合理劃分分段測(cè)量區(qū)間、優(yōu)化洞外控制網(wǎng)進(jìn)洞條件、增加洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)圖形強(qiáng)度、改善觀測(cè)條件、合理確定平差約束條件等措施,在部分開挖面貫通的情況下分段施測(cè)洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)的技術(shù)方案可行。

(4)“分段法”施測(cè)洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)是一種特殊情況下采取的施工措施,具有施測(cè)緊迫性、必要性、經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn),只有在大部分貫通面已經(jīng)貫通、僅個(gè)別貫通面未貫通且已成為影響關(guān)鍵工期的“掐脖子”工程的情況下方可使用,不得濫用。