潘冬生

（中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司，重慶 400065）

隧道施工測(cè)量的主要任務(wù)是保證將開(kāi)挖的隧道按規(guī)定的精度要求完成貫通。隧道施工測(cè)量放樣所需的方向和距離都是根據(jù)隧道平面測(cè)量控制網(wǎng)和設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的建筑物計(jì)算出來(lái)的，因而在隧道施工放樣之前需要建立具有規(guī)定精度的施工測(cè)量控制網(wǎng)。然而傳統(tǒng)的測(cè)量控制網(wǎng)均存在不同程度的局限性，所以本文以夢(mèng)筆山隧道工程為例，研究分析新型的虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)控制測(cè)量技術(shù)。

1 工程概況

項(xiàng)目路線起于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣卓克基鎮(zhèn)G317 線與S217 線平交口，沿原S217 線向南沿納足溝布設(shè)，至夢(mèng)筆山山腳馬爾康森工局苗圃園，展線升坡，終點(diǎn)為夢(mèng)筆山隧道。地處高海拔地區(qū)，氣壓和含氧量低，自然條件惡劣。

夢(mèng)筆山隧道為單洞對(duì)向交通特長(zhǎng)隧道，進(jìn)口段設(shè)置人行平行導(dǎo)坑。主洞長(zhǎng)3 350 m，人行平行導(dǎo)坑長(zhǎng)765 m。我標(biāo)段負(fù)責(zé)進(jìn)口段，全長(zhǎng)1 535 m，坡度為單向上坡，最大埋深440 m。夢(mèng)筆山隧道屬于高原軟巖隧道，地質(zhì)條件差，均為V 級(jí)圍巖。以變質(zhì)砂巖、板巖互層、夾千枚巖及脈狀石英巖為主。隧道洞身開(kāi)挖后，巖體暴露出現(xiàn)崩解，強(qiáng)度降低，遇水軟化似彈簧土，泥化呈淤泥狀。洞口海拔3 710 m，高原缺氧情況明顯。

2 隧道洞內(nèi)常用導(dǎo)線網(wǎng)布設(shè)方式

隧道地處封閉環(huán)境，空間狹長(zhǎng)，地質(zhì)復(fù)雜，位置特殊。洞外控制網(wǎng)一般利用GPS 進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量；洞內(nèi)由于場(chǎng)地狹長(zhǎng)，無(wú)法接受衛(wèi)星信號(hào)，只能采用導(dǎo)線測(cè)量。在長(zhǎng)大隧道中為了增加測(cè)量控制網(wǎng)的多余觀測(cè)、檢核條件和保證測(cè)量精度，一般都采用閉合導(dǎo)線網(wǎng)的方式。目前主要的洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)有導(dǎo)線環(huán)、交叉導(dǎo)線網(wǎng)和全導(dǎo)線網(wǎng)，具體形式如圖1—圖3 所示。

圖1 導(dǎo)線環(huán)示意圖

圖2 交叉導(dǎo)線網(wǎng)示意圖

圖3 全導(dǎo)線網(wǎng)示意圖

由圖1—圖3 可知，全導(dǎo)線網(wǎng)的每個(gè)控制點(diǎn)均有4個(gè)觀測(cè)方向，其網(wǎng)形穩(wěn)定性好、精度高，能有效控制測(cè)量誤差的積累，適用于長(zhǎng)大隧道和精度要求較高的隧道。其缺點(diǎn)為工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，測(cè)量時(shí)容易受現(xiàn)場(chǎng)施工的干擾。導(dǎo)線環(huán)和交叉導(dǎo)線網(wǎng)的網(wǎng)形強(qiáng)度、工作量與全導(dǎo)線網(wǎng)相比，相對(duì)較差，但可以通過(guò)增減導(dǎo)線環(huán)的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)網(wǎng)形的檢核條件，使用相對(duì)靈活[1]。適用于中長(zhǎng)隧道的洞內(nèi)控制測(cè)量。交叉導(dǎo)線網(wǎng)由主副導(dǎo)線組成，可以通過(guò)增加主副導(dǎo)線間的交叉線來(lái)減少兩側(cè)的導(dǎo)線邊，使其達(dá)到削弱旁折光對(duì)導(dǎo)線測(cè)量的影響，因此交叉導(dǎo)線網(wǎng)的效果會(huì)比導(dǎo)線環(huán)更好一些[2]。

綜合考慮，以上三者均存在工作量大、費(fèi)時(shí)費(fèi)工、易受現(xiàn)場(chǎng)施工干擾的缺點(diǎn)。如果能將三者互相融合，形成一種新型的虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)，這樣即可以發(fā)揮全導(dǎo)線網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，又可以減少工作量，保障現(xiàn)場(chǎng)施工，提高工作效率。下面以夢(mèng)筆山隧道為例對(duì)虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)控制測(cè)量技術(shù)進(jìn)行仔細(xì)研究。

3 虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量技術(shù)方案分析

虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)是由一條真實(shí)的主導(dǎo)線和一條虛擬的副導(dǎo)線結(jié)合而成的虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)。其具有布設(shè)簡(jiǎn)單、外業(yè)測(cè)量快捷、網(wǎng)形穩(wěn)定和測(cè)量控制精度高等優(yōu)點(diǎn)?？梢杂行Ы鉀Q隧道控制測(cè)量與施工工序、測(cè)量效率、測(cè)量成本之間存在已久的矛盾。

沿隧道中線布設(shè)一條觀測(cè)條件最好的真實(shí)主導(dǎo)線（A1→A2→...→An），控制點(diǎn)間距為300 m 左右。然后在內(nèi)業(yè)虛構(gòu)一條與之相對(duì)應(yīng)的虛擬副導(dǎo)線（XA1→XA2→...→XAn），并按照全導(dǎo)線網(wǎng)的規(guī)則構(gòu)建一個(gè)虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)。然后將虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)進(jìn)行外業(yè)測(cè)量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，從而得到超越導(dǎo)線環(huán)和交叉導(dǎo)線網(wǎng)的新型虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)。

顯而易見(jiàn)，虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)實(shí)際只有一條觀測(cè)條件最好的主導(dǎo)線，布設(shè)與簡(jiǎn)單的支導(dǎo)線無(wú)異。工作量很小，測(cè)量時(shí)對(duì)隧道施工工序幾乎沒(méi)有干擾，可以大大提高隧道施工的進(jìn)度。

4 虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)的構(gòu)建

如圖4 所示，夢(mèng)筆山隧道進(jìn)口端洞外布設(shè)有3 個(gè)（ZT17，ZT19，ZT20）GPS 控制點(diǎn)（設(shè)計(jì)院靜態(tài)測(cè)量），沿著隧道掘進(jìn)方向在最有利位置布設(shè)了一條實(shí)際的主導(dǎo)線（A1，A2，A3，A4，A5……An），在內(nèi)業(yè)虛構(gòu)一條虛擬副導(dǎo)線（XA1，XA2，XA3，XA4，XA5……XAn）。實(shí)際的主導(dǎo)線與虛構(gòu)的副導(dǎo)線按規(guī)范要求構(gòu)成一個(gè)虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)。

圖4 虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)示意圖

5 虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)的外業(yè)測(cè)量流程

首先根據(jù)測(cè)量規(guī)范選取測(cè)量外業(yè)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，清理點(diǎn)位和測(cè)量視線上的障礙物，通風(fēng)排除洞內(nèi)浮塵，開(kāi)啟照明燈光，測(cè)量洞內(nèi)溫度及氣壓等。按照?qǐng)D4 構(gòu)建的虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)進(jìn)行水平角、邊長(zhǎng)的數(shù)據(jù)測(cè)量。下面以圖4 中A2 和XA2 一對(duì)測(cè)站點(diǎn)為例說(shuō)明具體的測(cè)量步驟及方法，其余測(cè)站依此類推。

將全站儀架設(shè)在A2 測(cè)站上對(duì)中整平，分別在A1和A3 兩點(diǎn)架設(shè)反射棱鏡對(duì)中整平。以A1 為起始方向，盤左照準(zhǔn)A1 進(jìn)行讀數(shù)、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到A3 照準(zhǔn)讀數(shù)；倒鏡盤右照準(zhǔn)A3 讀數(shù)，盤右逆時(shí)針轉(zhuǎn)到A1 照準(zhǔn)讀數(shù)。以這樣的測(cè)量順序完成一測(cè)回，記錄水平角和邊長(zhǎng)數(shù)據(jù)。按照同樣的方法完成A2 測(cè)站的其余測(cè)回工作。這樣就得到了∠A1-A2-A3 水平夾角，及DA2，A1；DA2，A3的水平距離。

XA2 測(cè)站與A2 測(cè)站雖然為同一控制點(diǎn)，但也要將其作為獨(dú)立測(cè)站重新架設(shè)儀器完成數(shù)據(jù)觀測(cè)。起始觀測(cè)方向選為A3，盤左照準(zhǔn)A3 讀數(shù)，盤左微動(dòng)儀器照準(zhǔn)XA3 進(jìn)行讀數(shù)，然后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到XA1 照準(zhǔn)讀數(shù)；倒鏡盤右照準(zhǔn)XA1 讀數(shù)，盤右逆時(shí)針轉(zhuǎn)到XA3 照準(zhǔn)讀數(shù)，微動(dòng)儀器照準(zhǔn)A3 讀數(shù)，并記錄水平角和邊長(zhǎng)數(shù)據(jù)。按照同樣的方法完成XA2 測(cè)站的其余測(cè)回工作。這樣就得到了∠A3-XA2-XA1 和∠A3-XA2-XA3 水平夾角及DXA2，A3；DXA2，XA1；DXA2，XA3的水平距離。

其本測(cè)站外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)的檢核條件為∠A1-A2-A3+∠A3-XA2-XA1=360°（左角+右角=360°）、∠A3-XA2-XA3=0°。然而由于測(cè)量誤差存在偶然性，所以實(shí)際測(cè)量的結(jié)果中XAn 處于An 周圍的隨機(jī)位置。測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值之間必然是有差值的，這充分體現(xiàn)了偶然誤差的不可避免性，符合事物的辯證統(tǒng)一關(guān)系。如圖5 所示。

圖5 虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)示意圖

6 虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)處理和平差

每測(cè)站觀測(cè)完成后進(jìn)行本測(cè)站平差，合格后進(jìn)行下一測(cè)站的觀測(cè)。導(dǎo)線環(huán)閉合差檢驗(yàn)，消除粗差。然后進(jìn)行加、乘常數(shù)改正，溫度氣壓改正，高斯投影改正和高程投影改正等。確保觀測(cè)數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求后再進(jìn)行平差計(jì)算。并將測(cè)量邊長(zhǎng)值歸算到隧道統(tǒng)一高程面上。計(jì)算原理、技術(shù)指標(biāo)、等均與傳統(tǒng)全導(dǎo)線網(wǎng)相同。這樣虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)的測(cè)量成果具備了傳統(tǒng)全導(dǎo)線網(wǎng)的所有特征。

每個(gè)測(cè)站觀測(cè)水平角的角度分別為An 的左角和右角，這樣還額外增加了∠A3-XA2-XA3=0、左角+右角=360°2 個(gè)檢核條件。平差后An 和XAn 的2 個(gè)坐標(biāo)值還可以取加權(quán)平均值使用，這樣就可以抵消因測(cè)量設(shè)備因素引起的測(cè)量誤差，從而進(jìn)一步提高了測(cè)量控制網(wǎng)的精度和穩(wěn)定性。

7 虛擬導(dǎo)線在夢(mèng)筆山隧道洞內(nèi)平面控制測(cè)量中的應(yīng)用

7.1 虛擬導(dǎo)線測(cè)量主要技術(shù)要求

全站儀觀測(cè)的主要技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 全站儀觀測(cè)的主要技術(shù)要求

7.2 數(shù)據(jù)平差分析

洞內(nèi)平面控制網(wǎng)采用虛擬導(dǎo)線環(huán)布網(wǎng)，環(huán)邊數(shù)為6 條，使用1″全站儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)回?cái)?shù)為8 測(cè)回，均滿足規(guī)范要求。

7.2.1 往返測(cè)距離較差分析

距離較差滿足三等限差要求，平均測(cè)距中誤差為0.86 mm，滿足規(guī)范要求，往返測(cè)距離較差統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 往返測(cè)距離較差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

7.2.2 虛擬環(huán)閉合差分析

虛擬環(huán)（SD1-ZD1-CY1-DY1-CY2-ZD2）閉合差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，角度閉合差滿足規(guī)范規(guī)定。

表3 虛擬環(huán)閉合差計(jì)算結(jié)果

7.2.3 最弱邊及其相對(duì)精度分析

以洞外GPS控制點(diǎn)SD、ZT17-1為平差起算點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，最弱邊相對(duì)中誤差為1/201 729，小于1/52 000，滿足規(guī)范要求，精度可靠，最弱邊及其相對(duì)精度見(jiàn)表4。

表4 最弱邊及其相對(duì)精度

7.2.4 平差結(jié)果對(duì)比分析

平差結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 平差結(jié)果對(duì)比表

與上期全導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量成果對(duì)比，點(diǎn)位基本穩(wěn)定。測(cè)量控制點(diǎn)成果精度可靠，能用于施工測(cè)量。

8 結(jié)束語(yǔ)

虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)由一實(shí)一虛的成對(duì)控制點(diǎn)組成，實(shí)際就是同一個(gè)點(diǎn)位。然而由于測(cè)量誤差的不可避免性，使其一分為二，不再重合。這樣即能互相檢核，又能將其加權(quán)平均合二為一。在傳統(tǒng)的交叉雙導(dǎo)線基礎(chǔ)上又一次提高了控制網(wǎng)的精度和穩(wěn)定性。由此可見(jiàn)，虛擬全導(dǎo)線網(wǎng)的測(cè)量成果等同，甚至超越了傳統(tǒng)全導(dǎo)線網(wǎng)的精度，表現(xiàn)出了其存在的優(yōu)越性，將在今后的長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)控制測(cè)量中發(fā)揮重要作用。