曾致，劉恒

（1.西安市勘察測(cè)繪院，陜西 西安 710054；2.中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)隧道工程技術(shù)水平的提升，隧道測(cè)量技術(shù)和測(cè)量?jī)x器得到了長(zhǎng)足發(fā)展，也使測(cè)量技術(shù)在自動(dòng)化、測(cè)量?jī)x器以及效率等方面大幅度提高［1-2］。而新興技術(shù)GPS和全站儀的廣泛應(yīng)用以及交叉融合，使測(cè)量工作范圍越來(lái)越廣，也對(duì)隧道質(zhì)量建設(shè)帶來(lái)了新的發(fā)展。另外隧道測(cè)量技術(shù)的多樣化、動(dòng)態(tài)化以及安全可靠，克服了隧道施工中不穩(wěn)定因素的影響，成為隧道建設(shè)不可或缺的關(guān)鍵［3-4］。但同時(shí)，在實(shí)際施工測(cè)量放樣技術(shù)中，測(cè)量工作會(huì)受到隧道內(nèi)外各種因素的影響，使放樣精度大大減弱，對(duì)隧道建設(shè)造成一定影響。本論述針對(duì)隧道工程施工的測(cè)量放樣方法，深入分析隧道平面控制測(cè)量、高程控制測(cè)量以及隧道貫通誤差的注意事項(xiàng)，在此基礎(chǔ)上布設(shè)施工測(cè)量控制網(wǎng)，并利用平差軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從精度和適用性兩方面對(duì)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行綜合分析，這對(duì)提高國(guó)內(nèi)隧道測(cè)量技術(shù)的認(rèn)識(shí)和了解具有一定意義。

1 隧道外平面測(cè)量

在隧道施工測(cè)量工作中，進(jìn)行隧道開挖時(shí)，需要建立符合設(shè)計(jì)要求和精度的平面控制網(wǎng)，這成為隧道洞內(nèi)施工放樣的依據(jù)；較短隧道，不需要布設(shè)控制網(wǎng)，主要以隧道中線精確放樣，符合設(shè)計(jì)要求后，作為引測(cè)進(jìn)洞的依據(jù)，而較長(zhǎng)隧道工程則主要依據(jù)GPS網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)［5-8］。

1.1 精密導(dǎo)線法

精密導(dǎo)線網(wǎng)如圖1所示，四等精密導(dǎo)線網(wǎng)應(yīng)該根據(jù)精度指標(biāo)、地形條件和網(wǎng)型等因素確定，其由正副導(dǎo)線組成平面控制網(wǎng)，主導(dǎo)線應(yīng)沿兩洞口中線方向布設(shè)。其中點(diǎn)1和點(diǎn)8為洞口的導(dǎo)線點(diǎn)，其他的點(diǎn)布設(shè)在洞頂，兩洞口組成多邊形閉合導(dǎo)線環(huán)，從而在隧道洞口間建立平面控制網(wǎng)。控制網(wǎng)導(dǎo)線邊的相鄰比為1∶3，邊長(zhǎng)不短于300 m來(lái)限制誤差積累；用測(cè)回法或者方向觀測(cè)法觀測(cè)水平角，往返測(cè)分別按奇、偶數(shù)觀測(cè)左右角，這樣能更好地發(fā)現(xiàn)誤差并削弱或消除誤差；導(dǎo)線內(nèi)業(yè)計(jì)算時(shí)，保證觀測(cè)成果滿足要求，再通過(guò)科傻軟件進(jìn)行嚴(yán)密平差。

圖1 精密導(dǎo)線網(wǎng)

注意事項(xiàng)：

（1）導(dǎo)線點(diǎn)位置的選擇。在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，需要考慮實(shí)地情況?？刂茦兑煽糠€(wěn)定，施測(cè)制度完善，能長(zhǎng)久使用?？刂泣c(diǎn)與洞口點(diǎn)高差不應(yīng)相差太大，點(diǎn)間距離應(yīng)不小于300 m。

（2）導(dǎo)線網(wǎng)施測(cè)需聯(lián)測(cè)隧道洞口點(diǎn)以及洞外中線樁，作為進(jìn)洞的依據(jù)。其中，在曲線隧道中，應(yīng)該處理好直線與曲線的銜接，以及聯(lián)測(cè)洞外路線。施測(cè)所得的結(jié)果處理后應(yīng)該與設(shè)計(jì)相差不大，否則會(huì)加大隧道貫通誤差，導(dǎo)致隧道貫通銜接出錯(cuò)。

（3）對(duì)隧道貫通誤差產(chǎn)生最大影響的因素是測(cè)角、測(cè)距精度降低和各種誤差積累，有效提高各項(xiàng)精度可減少貫通誤差的影響。

（4）測(cè)量導(dǎo)線視線應(yīng)禁止靠近地物延伸，當(dāng)導(dǎo)線樁施測(cè)應(yīng)考慮視線穿過(guò)溫度突變地域。所有的導(dǎo)線點(diǎn)應(yīng)該在隧道中線上或者接近中線。

（5）布設(shè)導(dǎo)線控制點(diǎn)應(yīng)減弱周圍建筑物的影響，削弱水平角觀測(cè)誤差，導(dǎo)線控制網(wǎng)應(yīng)避免在不利因素下觀測(cè)。

1.2 三角鎖法

當(dāng)隧道較長(zhǎng)，地貌不便用精密導(dǎo)線法作洞外平面控制測(cè)量，常采用三角鎖法測(cè)量［9］。三角鎖控制測(cè)量，主要是三角網(wǎng)點(diǎn)位置的布設(shè)，要求三角網(wǎng)形剛強(qiáng)簡(jiǎn)單。隧道三角網(wǎng)延伸應(yīng)布設(shè)成與線路同方向，隧道全長(zhǎng)及進(jìn)、出洞口點(diǎn)均在控制測(cè)量范圍內(nèi)，三角點(diǎn)布設(shè)均勻，并要考慮到測(cè)角、測(cè)距簡(jiǎn)單和誤差最小。三角鎖網(wǎng)如圖2所示，1為進(jìn)洞口的控制點(diǎn)，8為出洞口的控制點(diǎn)，其他點(diǎn)布設(shè)在洞外，構(gòu)成了閉合的四等三角鎖。

圖2 三角鎖網(wǎng)

注意事項(xiàng)：

（1）三角鎖應(yīng)沿兩洞口的連線方向布設(shè)，靠近隧道中線的三角鎖邊應(yīng)盡量與隧道貫通面垂直，避免有較大的曲折。

（2）三角鎖的組成主要是以近似等邊三角形為主，其他三角形為輔。對(duì)于有些地形可適當(dāng)采用大地四邊形來(lái)加強(qiáng)圖形強(qiáng)度和穩(wěn)定性；對(duì)于曲線隧道，也可以適當(dāng)采用中點(diǎn)多邊形。

（3）組成三角網(wǎng)的三角形數(shù)量不應(yīng)太多，最弱邊到起始邊的三角形的個(gè)數(shù)不應(yīng)超過(guò)6個(gè)，否則，則需要加設(shè)三角網(wǎng)的起始邊。整個(gè)隧道三角形的個(gè)數(shù)不應(yīng)超過(guò)12個(gè)。

1.3 GPS網(wǎng)法

目前，由于科技迅速發(fā)展，GPS技術(shù)由最初的軍事應(yīng)用發(fā)展到農(nóng)業(yè)、交通、天氣預(yù)報(bào)等方面，使GPS技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在隧道控制測(cè)量中，GPS技術(shù)相對(duì)于常規(guī)測(cè)量，具有全天候、高精度、選點(diǎn)靈活、不受環(huán)境影響和獲得三維坐標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)收集到的資料，GPS網(wǎng)如圖3所示，在隧道兩端入口處分別選取3個(gè)平面控制點(diǎn)，建立D級(jí)GPS網(wǎng)。此次GPS控制測(cè)量，共采用了6臺(tái)LGN-200接收機(jī)，標(biāo)稱精度為±（5 mm+0.5×D）。采用靜態(tài)測(cè)量模式測(cè)量，每個(gè)時(shí)段觀測(cè)2 h，觀測(cè)2個(gè)時(shí)段。

圖3 GPS網(wǎng)

注意事項(xiàng)：

（1）選點(diǎn)布設(shè)要求點(diǎn)位穩(wěn)定、交通方便，便于使用和保存，高度角上障礙較少，遠(yuǎn)離高壓電線或強(qiáng)電磁波輻射源，遠(yuǎn)離大面積水面或平坦光滑地面。

（2）應(yīng)在隧道各開挖洞口附近布設(shè)不少于4個(gè)點(diǎn)的洞口點(diǎn)。

（3）對(duì)于直線隧道，應(yīng)在進(jìn)、出洞口的施測(cè)中線上布設(shè)2個(gè)控制點(diǎn)，另外再布設(shè)2個(gè)定向點(diǎn)；對(duì)于曲線隧道，應(yīng)把曲線的主要控制點(diǎn)和每條切線上布設(shè)的2點(diǎn)包含在網(wǎng)中。

（4）隧道GPS網(wǎng)由若干個(gè)獨(dú)立異步環(huán)構(gòu)成，每個(gè)點(diǎn)至少有3條獨(dú)立基線通過(guò)，至少觀測(cè)2個(gè)時(shí)段。GPS觀測(cè)時(shí)間短，當(dāng)測(cè)站間的距離不大于30 km時(shí)，同步觀測(cè)2 h左右便能得到較好的觀測(cè)成果。

1.4 精度及適用性分析

1.4.1 點(diǎn)位誤差分析

見表1所列，通過(guò)點(diǎn)位誤差對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，GPS網(wǎng)點(diǎn)位誤差最小，導(dǎo)線網(wǎng)點(diǎn)位誤差較小，三角網(wǎng)點(diǎn)位誤差最大，同時(shí)從點(diǎn)位誤差分布均勻看，GPS網(wǎng)和導(dǎo)線網(wǎng)點(diǎn)位誤差大小分布均勻，這有利于控制測(cè)量降低測(cè)量誤差，提高控制網(wǎng)型穩(wěn)定性。為分析誤差較大的點(diǎn)位對(duì)控制網(wǎng)的影響，通過(guò)科傻軟件平差獲得最弱點(diǎn)的點(diǎn)位誤差，分別為0.34，0.71，0.66，發(fā)現(xiàn)誤差較大的點(diǎn)位對(duì)整個(gè)網(wǎng)型控制影響較大，其中GPS網(wǎng)相比于常規(guī)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)以及不受環(huán)境影響，使個(gè)別點(diǎn)位影響較小，而導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)影響因素較多，從而影響整體的控制測(cè)量精度。

表1 點(diǎn)位誤差

1.4.2 邊長(zhǎng)誤差分析

見表2所列，通過(guò)平差計(jì)算3個(gè)網(wǎng)型的邊長(zhǎng)中誤差及最弱邊誤差，其中，GPS網(wǎng)最弱邊為3、4，導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)均為8、7，但邊長(zhǎng)中誤差相差不大。GPS網(wǎng)的點(diǎn)位穩(wěn)定可靠、觀測(cè)次數(shù)多，并且受到環(huán)境影響因素較少，使其精度優(yōu)于導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)，但導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)也可互相替換，3個(gè)方案都適用于大型工程建設(shè)。

表2 最弱邊及精度

2 高程控制測(cè)量

目前，國(guó)內(nèi)隧道高程控制測(cè)量的方法和途徑主要是水準(zhǔn)測(cè)量和三角高程測(cè)量，測(cè)定各等級(jí)隧道水準(zhǔn)點(diǎn)和平面網(wǎng)的高程［10-11］。通常情況下，隧道越長(zhǎng)、交通條件越差，則高程控制測(cè)量誤差也較大。往往通過(guò)隧道高程控制測(cè)量長(zhǎng)度選擇相應(yīng)的貫通精度，減少相應(yīng)的隧道誤差，提高測(cè)量精度，使隧道測(cè)量符合施工要求。

2.1 三角高程測(cè)量

近年來(lái)，三角高程發(fā)展迅速，不但測(cè)距精度高，而且使用方便，同時(shí)可以測(cè)距和測(cè)角，使其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其在地形起伏區(qū)域內(nèi)，常采用三角高程施測(cè)。三角高程測(cè)量通常是通過(guò)測(cè)定由測(cè)站到覘標(biāo)的豎角（天頂距）和距離，計(jì)算測(cè)站點(diǎn)與覘標(biāo)之間的高差。在地面上測(cè)定1、2兩點(diǎn)的高差h12，1點(diǎn)布設(shè)儀器，2點(diǎn)豎立標(biāo)尺，量取儀器高i，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡讀出目標(biāo)高V，以及兩點(diǎn)之間的豎角a和水平距離S，則1、2兩點(diǎn)的高差為：

如圖4所示，DX01為高程已知點(diǎn)，通過(guò)已知高程點(diǎn)利用公式（1）施測(cè)其他點(diǎn)的高程，成為向隧道洞內(nèi)延伸的依據(jù)。

圖4 高程網(wǎng)

注意事項(xiàng)：

（1）三角高程測(cè)量的主要誤差是大氣垂直遮光誤差、豎角觀測(cè)誤差、邊長(zhǎng)誤差等，往往為了使精度提高，采用對(duì)向觀測(cè)削弱誤差影響。

（2）測(cè)量時(shí)，應(yīng)盡量避免各種不利因素影響測(cè)距精度，目標(biāo)的形狀、顏色，空氣以及陽(yáng)光折射等，并且遠(yuǎn)離高壓線和反光物體，防止陽(yáng)光直射儀器的望遠(yuǎn)鏡。

2.2 水準(zhǔn)測(cè)量

水準(zhǔn)測(cè)量是高程測(cè)量的主要方法之一，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于線路測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、工業(yè)測(cè)量等各種領(lǐng)域。一般情況下，從一已知高程點(diǎn)出發(fā)，利用水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺，根據(jù)水平視線測(cè)定兩點(diǎn)之間的高差，從而由已知點(diǎn)高程推算出各個(gè)未知點(diǎn)的高程。如圖4所示，DX01為已知水準(zhǔn)點(diǎn)，DX02-DX06為待測(cè)點(diǎn)，從而布設(shè)水準(zhǔn)網(wǎng)。

注意事項(xiàng)：

（1）在進(jìn)行整條線路水準(zhǔn)嚴(yán)密平差時(shí)，平差距離取隧道的矢量長(zhǎng)度，不能是整個(gè)水準(zhǔn)網(wǎng)的長(zhǎng)度，從而提高隧道水準(zhǔn)控制點(diǎn)間的相對(duì)精度。

（2）整個(gè)水準(zhǔn)網(wǎng)的往測(cè)與返測(cè)，其測(cè)站數(shù)均應(yīng)是偶數(shù)，否則要加入相應(yīng)的標(biāo)尺零點(diǎn)差改正。

（3）除路線轉(zhuǎn)彎處外，每一測(cè)站上儀器與前后視標(biāo)尺的三個(gè)位置應(yīng)接近一條直線，在同一測(cè)站上，不得重復(fù)調(diào)焦。

（4）隧道進(jìn)、出口應(yīng)布設(shè)至少3個(gè)高程控制點(diǎn)，主要是為了在隧道施工前或隧道施工期間可以便捷地檢測(cè)高程控制網(wǎng)的精度，同時(shí)，當(dāng)個(gè)別高程控制點(diǎn)被破壞時(shí)，可利用其它高程控制點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)設(shè)。

2.3 精度分析

2.3.1 高程貫通誤差

按照《工程測(cè)量規(guī)范》要求，兩個(gè)洞口間開挖長(zhǎng)度小于4 km，洞外高程控制測(cè)量所引起的貫通中誤差不能大于25 mm。通過(guò)模擬網(wǎng)型，兩洞口間的長(zhǎng)度為0.7 km，總路線長(zhǎng)為2.11 km。

三角高程貫通誤差可以通過(guò)下式計(jì)算：

其中，h為每公里高差中數(shù)偶然中誤差，L為洞外高程路線總長(zhǎng)。

水準(zhǔn)高程貫通誤差可以通過(guò)下式計(jì)算：

其中，M為每公里高差中誤差，S為兩洞口之間的路線長(zhǎng)。

2.3.2 高程閉合差

四等水準(zhǔn)測(cè)量閉合限差為4L=3.8 mm，其中L為路線長(zhǎng)度。

2.3.3 測(cè)段高差中誤差

在此次高程測(cè)量中，我們用兩種不同的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。用平差易軟件進(jìn)行精密平差計(jì)算，從而得到所有控制點(diǎn)的精確高程。這3種方法均采用DX01點(diǎn)為已知控制點(diǎn)來(lái)計(jì)算其余控制點(diǎn)的高程，并多次對(duì)DX01點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，保證了起算點(diǎn)的穩(wěn)定性，從而提高了起算數(shù)據(jù)的可靠性。

在高程貫通誤差中，通過(guò)計(jì)算公式（2）、（3）計(jì)算誤差。見表3所列，在山地進(jìn)行隧道高程測(cè)量，三角高程精度比水準(zhǔn)精度相差較大；見表4所列，在閉合差中，兩個(gè)方法閉合差相差太大；見表5所列，三角高程測(cè)段中誤差相比水準(zhǔn)高程中誤差，誤差相差為5.3～6.7 mm。為進(jìn)一步驗(yàn)證兩種方法適用性，通過(guò)精密平差獲得結(jié)果，點(diǎn)位相差最大為4 mm，這說(shuō)明了兩種方法經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，可以在一些測(cè)區(qū)條件較差、GPS信號(hào)較弱的地區(qū)，采用三角高程測(cè)量方法來(lái)代替水準(zhǔn)測(cè)量。

表3 高程貫通誤差

表4 高程閉合差

表5 高差中誤差

綜上所述，三角高程可以在一定程度上代替水準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，由于利用三角高程測(cè)量比較方便、快捷，在節(jié)省人力、物力上都有很大的優(yōu)勢(shì)，并且測(cè)量精度也可以滿足工程要求。

3 結(jié)論

基于隧道施工測(cè)量技術(shù)，在深入分析布設(shè)控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)平差和相應(yīng)的規(guī)范技術(shù)要求，從精度和適用性分析了隧道施工方法。其中，平面測(cè)量3種測(cè)量技術(shù)中，GPS網(wǎng)影響因素較少，使其測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)，但是導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)也可互相替換；三角高程測(cè)量方便、快捷的優(yōu)勢(shì)，并且測(cè)量精度也可以滿足工程要求，可在一定程度上代替水準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。