觀音閣水庫引水工程施工控制網的設計

王麗英，賈曉堂

(1.遼寧工程技術大學測繪與地理科學學院，遼寧阜新123000;2.遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110006)

觀音閣水庫引水工程施工控制網的設計

王麗英1，賈曉堂2

(1.遼寧工程技術大學測繪與地理科學學院，遼寧阜新123000;2.遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110006)

結合觀音閣水庫引水工程，探討特長隧洞施工控制網測量的設計，主要研究GPS在特長隧洞測量方面的應用。隧洞貫通的相關技術限差，國家有關測量規范僅規定到8 km之內。參考國內外有關案例和技術規則，進行理論上的精度估算，研究確定采用C級GPS全面網作為首級平面控制網，為以后的特長隧洞施工控制網測量提供了寶貴的經驗和理論依據。

特長隧洞;GPS;貫通

一、引 言

觀音閣水庫引水工程是遼寧省“十五”重點工程項目，是自遼寧省本溪縣的觀音閣水庫庫區自流引水，經過約7 km的輸水管線，29.7 km的輸水隧洞，再經過7.8 km的輸水管線，將水引到本溪市的一項大型引水工程，工程主要用于解決本溪市用水問題和本溪新城發展需水問題。工程屬大型隧洞引水工程，其主體是長達29.7 km的輸水隧洞，實現貫通是施工第一重要目標，而隧洞開挖掘進完全是靠測量指向。由于隧洞線路長、埋深大，建立施工控制網指導隧洞掘進的測量工作非常困難。隧洞采用掘進機與鉆爆法聯合施工，單機掘進長度約10 km，施工支洞11個，貫通面眾多，對測量工作要求非常高。如控制網精度指標達不到要求或相鄰控制點之間的相對精度偏低，都有可能導致隧洞不能貫通，經濟損失可達上億元。

根據現有的資料統計，國內外迄今已建成長度大于10 km的隧洞有40余個，其中最長的隧洞是遼寧省大伙房水庫輸水工程引水主隧洞，全長85.3 km。在國內已竣工的還有長18.4 km的秦嶺隧道工程，以及山西萬家寨引黃工程南干線長42.6 km的7#隧洞，國外有全長49.2 km的英吉利海峽隧道工程等。盡管觀音閣水庫引水工程隧洞長度為29.7 km，但其洞線經由之處樹高林密，隧洞洞口均位于狹長的山谷地帶，相對于大伙房水庫輸水工程引水主隧洞，觀音閣水庫引水工程隧洞洞線經過地段的地形地勢條件要比大伙房水庫輸水工程引水主隧洞的地形地勢條件差得多，這給施工控制網的建立帶來了相當大的難度。

該課題根據工程建筑總體布局和各支洞的地形情況，從精度可靠、技術先進、經濟合理，便于隧洞施工放樣的角度出發，施工控制網平面控制布設GPS全面網。全面網是將管線段、隧洞進、出口控制點及各支洞控制點納入一個整體網中，統一平差。這樣整個網精度比較均勻，將有利于隧洞的正確貫通。依據隧洞貫通的相關技術限差，國家有關測量規范僅規定到8 km之內，課題組參考國內外有關案例和技術規程，進行理論上的精度估算，研究確定采用C級GPS全面網作為首級平面控制網。同時，根據工程的需要，研究建立施工坐標系，使投影變形相對誤差小于1/40 000，保證了隧洞貫通。本課題對GPS在特長隧洞測量方面的應用有一定創新，采用周密的技術方案進行解算，為以后的特長隧洞施工控制網測量提供了寶貴的經驗和理論依據。

二、施工控制網的設計

1.平面控制網設計

(1)平面控制網布網方案

平面控制網布網方案是在平面控制網滿足管線段正確施工和隧洞段正確貫通的前提下進行的。結合國內外已建成并貫通的同類工程的經驗，有以下幾種方案可供選擇。

1)方案1:從觀音閣水庫左岸取水口至隧洞出口沿供水線路布設二等導線。這種方案不僅管線段需要澆筑普通鋼筋混凝土標石，隧洞段主線還需建造觀測墩，再加上隧洞進、出口及支洞共需建造觀測墩140個左右;隧洞洞線經過之處樹高林密、灌木叢生，布設導線必須清障以確保通視，砍樹賠償是一筆不小的經濟支出;隧洞主線離公路較遠，交通極其不便，且隧洞主線從進口至出口崇山峻嶺，地勢險峻、荊棘遍布，無論選點、造標、觀測都極其困難，勞動強度增大，工期必然延長;該隧洞為特長隧洞，導線測量其橫向誤差會迅速累積，對于隧洞貫通極為不利。由此可見，對于本工程，方案1并不可行，而且這種最原始的方法在同類工程中將被新技術所取代，逐步退出歷史舞臺。

2)方案2:較之常規測量方法，GPS不受通視和天氣狀況的影響，勞動強度低，數據精度高，可大大縮短設計周期，降低設計成本，提高工程測量的工作效率，為工程測量創造巨大的經濟效益。因此，考慮將管線段、隧洞的進、出口及各個支洞的控制點連接在一起布設成GPS全面網。管線段需要澆筑普通鋼筋混凝土標石10個左右，隧洞段需建造觀測墩45個左右，布設的GPS網點均在隧洞的進、出口及各個支洞附近，交通較為方便，利于GPS的作業調度，提高了作業效率，縮短了工期，降低了勞動強度。本方案只要求隧洞的進、出口及各個支洞口的GPS點相互通視，便于今后的施工，而不要求各洞口之間的通視，比較容易做到，故同方案1比較可節省大量的經費。

3)方案3:由于部分支洞口地形非常狹窄，布設3個GPS點困難，所以首先在這部分支洞口布設兩個GPS點，與管線段GPS點構成GPS全面網，在GPS全面網的基礎上再布設局部常規網。此方案需要澆筑普通鋼筋混凝土標石10個左右，隧洞段需建造觀測墩35個左右，在數量上與方案2比較少一些，但常規網是在GPS全面網基礎上的二次發展，不但精度降低，且各支洞精度不均勻，不利于隧洞的正確貫通。

綜上所述，通過技術與經濟等多方面的比較，顯然方案2為觀音閣水庫引水工程施工控制網的首選方案。

(2)貫通誤差的確定及分配

觀音閣水庫引水工程隧洞最大開挖長度(含支洞在內)為10 km，已超出《水利水電工程施工測量規范》(DL/T 5173—2003)中相向開挖最大長度8 km的限制，因此必須對該特長隧洞的貫通誤差進行研究。

隧洞貫通誤差包括橫向、縱向和豎向3個方向的誤差。一般而言，縱向誤差限差要求較易達到，豎向誤差影響隧洞的坡度，應用精密水準測量的方法，也容易達到所需要求。實際上，最關鍵的是解決橫向貫通誤差問題。

根據水工設計的要求，參照《既有鐵路測量技術規則》(TBJ 105—1988)有關隧洞(1～20 km)的貫通極限誤差限差(如表1所示)，按照等影響的原則可算得洞外、洞內控制測量的誤差，對于貫通面上橫向和豎向貫通中誤差所產生的影響值如表2所示。

表1 貫通誤差的限差

表2 貫通面上橫向和豎向貫通中誤差所產生的影響值

(3)GPS測量誤差對橫向貫通誤差影響的估計

用GPS測量技術建立隧洞施工控制網，估算施工控制網測量誤差對隧洞橫向貫通誤差的影響值，尚無規范可遵循，課題擬用以下兩種方法對其進行貫通誤差估計:

1)參照國際“歐洲隧道公司”橫穿英吉利海峽的“歐洲隧道”的分析方法，用控制網的平均相對誤差估計貫通誤差的影響值。

若按C級GPS網最弱邊相對中誤差1/150 000的精度指標，對于10 km長的隧洞，GPS測量對貫通誤差的影響值中誤差為 10 km×1/150 000= ±67 mm＜150 mm。

1/150 000是最弱邊相對中誤差，實測中控制網的平均相對精度必然高于1/150 000，因而地面GPS網對貫通誤差影響值中誤差要低于±67 mm。

由此可知，用GPS測量技術來建立觀音閣水庫引水工程施工控制網是可行和可靠的，精度完全可以達到設計要求規定的指標。

2)用近似方法對橫向貫通誤差進行估算式中，S為隧洞開挖長度;mβ為由控制點放出中線時理論角度的中誤差;ρ取206 065;計算時取S= 10 km，mβ=±1″，則m外=±48 mm＜150 mm。

由以上兩種估算結果可知:用GPS測量技術來建立觀音閣水庫引水工程施工控制網是可行和可靠的，精度完全可以達到設計要求規定的指標。

(4)獨立坐標系的建立

工程在可行性研究和初步設計階段使用的是國家1/10 000地形圖(1954北京坐標系)。為使工程前后銜接，在設計與施工階段必須采用同一套坐標系統。

根據觀音閣水庫引水工程供水線路東西兩側的子午線經度值(具體數值省略)，依據《工程測量規范》(GB 50026—2007)，測區內長度變形值不得大于2.5 cm/km，而該隧洞出口處長度投影變形達到9.0 cm/km，可見采用高斯投影3°帶坐標，測區邊界部位高斯投影改正過大，不能滿足施工放樣的需要，因此須建立獨立坐標系。

建立獨立坐標系的條件是與獨立坐標系相對應有一個地方參考橢球。而地方參考橢球與1954北京坐標系的參考橢球的關系為:中心一致(X0= 0，Y0=0，Z0=0);軸向一致(εX=0;εY=0;εZ=0);扁率相等(α地=α)。

地方參考橢球與1954參考橢球僅在長半徑上有一個變化值Δa

其中

式(2)～式(4)中，a地為地方參考橢球長半徑;a為1954橢球長半徑;e為第一偏心率;Bm為測區平均緯度;Hm為測區平均大地高;hm為測區平均正常高;ζm為測區平均高程異常;N為卯酉圈曲率半徑。

由式(4)可計算出對應于該工程獨立坐標系的地方參考橢球的長半徑a地(具體值略去)。

由長度歸算至參考橢球面和投影至高斯平面改正公式［6］得

式中，△s為長度綜合變形;s為實際測量的實際距離;ym為測區邊緣至中央子午線的垂距(橫坐標值);Rm取6378 km;hi表示測區平均高程。由該式計算得:該工程引水線路長度約44.5 km，因此需建立一個中央子午線選在測區中心，長度歸化高程面選用測區的平均高程面的任意帶直角坐標系(獨立坐標系)，既可以使測區的長度歸化改正和測區中央地區的投影變形幾乎為零，又可以保證離中央子午線45 km以內地區長度投影變形的相對誤差小于1/40 000。

綜上所述，即可確定施工控制網建立的獨立坐標系(包含中央子午線經度和歸化面高程，具體數據省略)。

(5)GPS網型設計及精度估算

觀音閣水庫引水工程是由管線和隧洞組成的，有其特殊性，并且管線段采取明挖埋管的方式。所以對于管線段，每隔2 km左右布設一對相互通視的GPS點，在觀音閣水庫左岸取水口和北臺管線出口處分別布設3個GPS點，并澆筑鋼筋混凝土標石;對于隧洞段，在每個洞口(包括支洞洞口)恰當的位置設置一組(3個)相互通視的控制點，每組GPS點間距離也要控制在300 m以上，并建造觀測墩，各控制點間的高差要盡量小，以減小垂線偏差對方向值的影響，然后以GPS基線連接各點組成GPS全面網，GPS網內每個點至少與3條基線連接。本設計共計布設C級GPS點65個，每組GPS點均相互通視，各點間高差均不大。

觀音閣水庫引水工程施工控制網測量，必須具有較高的精度，才能保證隧洞正確貫通。因此，須對采用GPS測量技術建立的施工控制網可能達到的精度進行估算。

首先在1/10000地形圖上選點和構網，圖解出各點的概略坐標，采用軟件Cosa控制測量數據處理通用軟件包(原武漢測繪科技大學研制)進行估算，從估算結果得到最弱邊長相對中誤差為1∶17.20 000，所以按此方案布設和施測的GPS控制網合理、可行，且精度優于設計要求。

2.高程控制測量的設計

(1)高程系統

本課題在項目建議書、可行性研究、初步設計階段均采用1985國家高程基準，所以施工階段的高程系統繼續采用。

起算數據為遼寧省測繪地理信息局測繪資料館提供的國家一、二等水準點。

(2)水準測量等級的確定

洞外、洞內高程控制測量誤差對豎向貫通面的影響為

式中，mh、m＇h分別為洞外、洞內高程測量中誤差; MΔ、MΔ'分別為洞外、洞內1 km路線長度的高程測量高差中數中誤差;L、L'分別為洞外、洞內兩相鄰洞口面水準路線長度(km)。

若洞外布設二等水準，取MΔ=±1 mm，洞內為三等水準，取MΔ'=±3 mm，相向開挖長度取10 km，洞外水準路線取20 km、洞內15 km，則Mh=±12 mm，遠小于表1的規定，可見洞外布設二等水準完全可以滿足隧洞對豎向貫通誤差限差的要求。

(3)水準路線的布設

首級高程控制測量，由于工期縮短，路線布設成一個二等水準網，在建造平面控制觀測墩的同時，對兩起算點間的水準進行施測，兩國家水準點間路線長66.4 km。待平面控制觀測墩和澆筑的水準點混凝土凝固并具備一定強度后，在兩起算點水準路線基礎上，布設20條二等水準支線，水準支線總長度71.9 km。支洞水準點和觀測墩均為水準支線聯測。

三、結束語

隨著我國國民經濟的高速增長，基礎建設的資金投入逐年加大，無論是在水利水電行業，還是交通、煤礦等行業，隧道工程會越來越多，隧道的長度越來越長，測量的難度也會越來越大。觀音閣水庫引水工程施工控制網測量的設計，為今后的特長隧洞施工控制網測量提供了寶貴的經驗和理論依據。

本文研究的GPS測量對隧洞貫通誤差影響值的推算準確可靠。對長隧洞貫通誤差限值的確定、隧洞貫通精度的預估算方法以及今后制定尚沒有的特長隧洞的相應規范提供了理論和實踐依據。同時，工程施工控制網測量設計，避免了砍伐測區的大量樹木，保護了生態環境。

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Design of Construction Control Network for Guanyinge Reservoir Diversion Project

WANG Liying，JIA Xiaotang

0494-0911(2012)06-0064-04

TU196

B

2011-10-19

王麗英(1982—)，女，河北石家莊人，博士，講師，主要研究方向為LiDAR基礎理論與應用。