超長大型隧洞開挖控制測量方法的實踐運用與理論探討

李 兵

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072)

1 前 言

錦屏二級水電站利用雅礱江下游河段150km長大河灣的天然落差，通過4條平行的引水隧洞(單條洞長度約16.67km)，截彎取直，獲得水頭約310m，隧洞最大埋深2 525m，開挖直徑12.4～13m，工程地質和水文地質條件復雜，被公認為是世界上開發難度最大的工程之一。

對1號和4號引水隧洞的開挖采用直徑12.4m的大型TBM獨頭掘進;對2號和4號引水隧洞的開挖采用分層鉆爆法開挖。隧洞開挖具有施工型式的多樣性及施工工藝的復雜性的特點，這在全國乃至世界所罕見。

施工實踐證明:1～4號引水隧洞內施工環境惡劣，煙霧粉塵濃度高排出困難、能見度低且持續時間長，地下涌水量大而豐富，單點涌水量高達3m3/s，巖爆發生量級高而且頻繁，都印證了錦屏二級水電站的開發難度。

對工程測量來說，在如此罕見惡劣的自然環境及施工條件下，如何保證開挖控制測量的順利進行，實現引水隧洞開挖按照合同要求的貫通誤差值順利貫通，如何設計和實施控制測量方案，是工程施工的難點。

2 控制測量網型設計與選用

面對錦屏二級水電站的超長大型引水隧洞開挖貫通的控制測量難題，引水隧洞開挖控制測量網的初期設計，由施工單位按照閉合導線形式在東引2號施工支洞及1～4號引水隧洞內分段閉合推進的方式設計，導線的平面和高程測設等級為Ⅱ等。

業主對指導引水隧洞開挖的控制測量方案非常重視，并于2008年7月下旬召開了測量專家咨詢會，形成錦屏二級水電站《引水隧洞施工測量控制網設計方案及技術綱要》。即，洞外布置B級GPS平面控制網和一等水準網，洞內在東引2號施工支洞(見圖1)布設二等精密導線，1號、3號TBM施工引水隧洞內布置雙導線，同時在引水隧洞每掘進3～5km加測陀螺方位等技術方案(TBM前進方向由東端向西端掘進)。并建議在東端施工支洞Ⅱ等導線的短邊處，構成大地四邊形，以增強導線的圖形強度。

初期測量控制網方案及技術綱要對洞外和洞內的控制測量網的設計，應該說在理論上是可行的，在方法上是科學的，在手段上是先進的。但是，在實施過程中，遇到了洞內相當惡劣的自然環境和施工環境，地下涌水量大、巖爆等突發因素多而且量大，煙霧粉塵濃度高、能見度低且持續時間長等施工干擾，直接造成洞內初期控制測量方案的實施困難重重，主要體現在下述5個方面:

(1)導線視線通視不暢，有效可視距離短(50～200m)，測量控制點選位難且易破壞。

(2)經常無法測出測距，測量資源耗費大、收效小，測量時間難以持續保證。

(3)測量周期長效率不高，測量報告不能按施工進度及時跟進提交。

圖1 錦屏二級水電站引水隧洞樞紐平面示意

(4)負責開挖的施工單位多，各單位測量人員技術水平高低不齊以及沒有足夠的精密控制測量網的觀測經驗，測量閉合差很難符合要求。

(5)平差計算結果難達Ⅱ等設計精度的要求。

為了更好地解決實際控制測量中遇到的困難和問題，提高測量效率，保證控制測量及時指導開挖的順利進行，確保開挖的測量放樣質量，二灘國際監理測量人提出了采用Ⅱ等精密導線按支導線形式布置，并采用不同間隔時段對同一線路進行200℅的測量結果延伸推進控制測量導線的洞內控制測量方案。為了便于敘述簡稱為“間隔時段2倍控制測量方法”。實踐證明，這個方法與上述初期洞內控制測量方案比較，相對較靈活、適用、具有較強的可操作性，總結起來有以下優點:

(1)可減少埋設測量控制墩標的個數40% ～50℅，達到節省測量資源、減少土建成本及測量工作量、提高測量效率、有利于控制測量及時跟進開挖進度的目的。

(2)有利于觀測經驗不足的測量人員操作，提高測量的成功率，及時提交測量報告，及時跟進施工放樣的進度需要從而保證開挖質量。

(3)由于支導線不同于雙導線或其它網型導線，只考慮單點通視，因此在狹小的引水隧洞內測量控制點的選位相對較靈活，有利于規避洞內的施工干擾，在不影響施工的情況下仍能正常開展測量工作。

(4)出現測量問題時，通過兩次間隔時段測量結果的對比易發現問題，返工過程簡單，并且分析問題的元素單調具有針對性。

(5)由于采用不同間隔時段對同一線路進行200℅的測量，因此容易發現測量控制點的收斂和位移，及時排除不可靠的測量點或測量結果，進行動態復測糾正。

(6)支導線是控制測量中最基本的形式，計算簡單。

3 “間隔時段2倍控制測量方法”的實踐運用與理論探討

錦屏二級水電站引水隧洞開挖的控制測量對“間隔時段2倍控制測量方法”實踐與理論的主要內容有以下幾個方面:

3.1 貫通誤差

錦屏二級水電站引水隧洞開挖合同對貫通限差的要求見表1。

表1 合同要求的貫通測量限差

3.2 貫通誤差分配

錦屏二級水電站引水隧洞開挖“間隔時段2倍控制測量方法”的貫通誤差分配原則，由二灘國際監理測量人依據施工合同制定，見表2。

表2 貫通中誤差分配原則

3.3 測量控制點的形式

“間隔時段2倍控制測量方法”對測量控制點的形式要求，采用強制對中板地面混凝土墩標和側墻混凝土墩標兩種形式埋設。實踐證明:采用強制對中板混凝土墩標，既能有效保證測量儀器和棱鏡的對中精度，又能提高觀測數據的可靠性，是開挖順利貫通的控制測量較好的保證措施之一，對超長大型的隧洞開挖尤其重要。

3.4 貫通誤差估算

錦屏二級水電站“間隔時段2倍控制測量方法”貫通誤差的估算，采用一端開挖/獨頭掘進的方式按支導線至貫通面，并初步確定滿足合同要求的貫通誤差值對導線平均邊長度的要求。

貫通誤差估算是隧洞開挖貫通前控制測量方案設計的一項重要的技術保證措施，既可以預估算“間隔時段2倍控制測量方法”在現有條件下能否達到和滿足合同要求的引水隧洞開挖的貫通精度，又可以逆向驗證所選用測量技術指標的合理性。

貫通誤差估算的具體算法和公式屬隧洞開挖測量的規范性技術見DL/T5173—2003《水電水利工程施工測量規范》第112頁的貫通誤差估算事例。

3.5 確定“間隔時段2倍控制測量方法”的間隔時間

對同一導線線路進行間隔時段200℅獨立測量時，兩次測量間隔時間的確定主要根據施工進度、洞內環境、施工干擾、提交測量報告的時間等因素確定。在錦屏二級水電站的實踐中有1天、3天、7天甚至15天或1個月等時間間隔。

實踐證明，時間間隔的確定是保證控制測量成果可靠性的又一重要因素。時間間隔過短測量成果相對較易閉合，但不利于及時發現因沉陷、收斂、位移、施工擾動等因素帶來的測量控制點的變化;而時間間隔過長雖然易于發現測量控制點的位置收斂和變化，但往往又會因為上述因素的影響使得測量成果不易閉合，增加測量時間，不利于導線的及時延伸跟進施工進度的需要。因此，根據實際施工情況選用適當的間隔時間進行第二次測量是很有必要的。

3.6 測量技術指標和要求

錦屏二級水電站引水隧洞開挖“間隔時段2倍控制測量方法”主要的測量技術指標和要求，由二灘國際監理測量人根據測量理論和實踐經驗參考測量規范制定，見表3～7。

表3 三角高程導線測量的技術要求

表4 水平角方向觀測法的技術要求

表5 水準測量的技術要求

3.7 外業觀測數據的判定取用

“間隔時段2倍控制測量方法”除了按照表3～7測量技術指標和要求判定外業觀測數據的合理性外，還依據對間隔時段兩次獨立觀測的同一線路的同一測量點的水平角、導線邊長、坐標和高程的對比結果，進一步判定計算結果的可靠性并決定是否復測或取用。在錦屏二級水電站各引水隧洞的開挖控制測量的實踐運用中是按照以下標準執行的:

(1)間隔時段兩次獨立測得的同一測量點的水平角較差應不大于±4s。

(2)間隔時段兩次獨立測得的同一導線邊的相對精度，視導線邊的長短而定，應達到1/5萬～1/20萬。

表6 全站儀測距作業技術要求

表7 測量控制內業計算數字取位要求

(3)間隔時段兩次獨立測得的同一測量點的三角高程較差，應不大于±12√L，mm;L為導線路線長度，km。

(4)三角高程與水準測量高程的較差，應不大于±20√L，mm;L為導線路線長度，km。

如果“間隔時段2倍控制測量方法”測得的分段測量結果，不能滿足上述4條的要求，必須進行技術分析找出客觀原因，并對單一測量元素進行有針對性的復測，直至問題的解決。

3.8 計 算

“間隔時段2倍控制測量方法”的測量計算按支導線形式分別計算，主要步驟包括:

(1)斜距計算，考慮加常數和乘常數改正。

(2)邊長投影計算，邊長投影至測區平均高程面。

(3)三角高程計算，考慮球氣差對高差的影響。(4)平面坐標計算。(5)水準高程計算。由于支導線是測量專業最基本的形式，因此計算簡單，既可以用專業程序計算，也可以采用計算器、Excel電子表格等計算。

3.9 確定計算結果

“間隔時段2倍控制測量方法”測量計算的兩組導線獨立坐標值的較差，不得大于導線端點橫向中誤差的2√2，mm;合格后取兩組坐標的平均值為最終成果。高程成果的取用原則上以水準高程為主，三角高程檢核;三角高程取間隔時段兩次測量結果的算術平均值作為最終計算結果。

4 “間隔時段2倍控制測量方法”在錦屏實踐運用的結論

錦屏二級水電站引水隧洞開挖的控制測量，從2008年9月下旬開始實踐運用“間隔時段2倍控制測量方法”，至2011年11月下旬1～4號引水隧洞開挖全線貫通，取得了較好的貫通效果，實測貫通誤差數據見表8。

表8 實測貫通誤差值 mm

由表8可見，實測的1～4號引水隧洞開挖貫通誤差值，全部滿足錦屏二級水電站合同對引水隧洞開挖貫通精度的要求(合同要求見表1)。因此，實踐運用驗證了“間隔時段2倍控制測量方法”對超長大型引水隧洞開挖控制測量的適用性和可靠性。

盡管“間隔時段2倍控制測量方法”在錦屏二級水電站的超長大型引水隧洞開挖的控制測量中取得了成功，但畢竟是實踐運用，其操作細則與技術理論仍然有待進一步提高與完善。