高速公路隧道控制測量的相關問題及分析

賀 燁

（甘肅交通科學研究院有限公司，甘肅 蘭州730070）

0 前言

隧道是指修建在地層中的地下工程建筑物。 它被廣泛用于公路、鐵路、礦山、水利、市政和國防等方面。在高等公路建設中，為了滿足技術標準，克服地形和高程上的障礙，改善公路的平面線形、提高車速、減少對植被的破壞、保護生態環境，避免山區公路的各種病害(如落石、坍方、雪崩、泥石流等)，常常需修建隧道。 為縮短距離和避免大坡道而從山嶺或丘陵下穿越的稱為山嶺隧道；為穿越河流或海峽而從河下或海底通過的稱為水下隧道；為適應鐵路通過大城市的需要而在城市地下穿越的稱為城市隧道， 這三類隧道中修建最多的是山嶺隧道。它的測量設計和施工基礎的控制測量工作在隧道建設工程中是非常重要的，一般隧道施工控制測量分為隧道地面控制測量和隧道地下控制測量，而作為基礎的地面測量是保證隧道正確貫通的前提，所以，必須要注重隧道控制測量中的控制網的布設、坐標系等問題，才能建立高精度的地面施工控制網，并從根本上做好隧道的控制測量的工作。

1 隧道地面控制網的布設原則

1.1 做好布設前的資料準備

在制定隧道控制網的布設方案前，首先要做好資料準備，收集詳細的隧道所在地的地形圖、隧道工程中豎井、斜井、引道工程、水平坑道等構筑物的布置圖，還有控制測量資料等，為控制網布設做好數據準備。

1.2 充分考慮現場情況

確定控制網時， 要充分了解和考慮工地現有測量儀器的類型、性能，交通條件和外界影響因素等，根據隧道的建設要求和特點來優化控制網的布設方案和確定控制網觀測的必要精度。

1.3 每個洞口附近要設置不少于3 個平面控制點和3 個水準點，作為洞內測量的起測依據。

1.4 為保證布設洞口投點便于施工中線放樣測量、 聯測洞外控制點和向洞內測設導線，一般洞內傳算的起算邊長需大于300m。

1.5 為保障定向和檢查，相鄰的控制點應能通視。

2 隧道地面控制網的精度要求

2.1 關于控制網的精度和常用形式

布設隧道控制網是為了保證地下兩個相向開挖的工作面能夠正確貫通，而控制網的精度取決于隧道貫通的精度、長度和形狀、及施工方法等。

控制網的常用形式有以下三種：

（1）GPS 網最為常用，無需通視，所以布網限制條件較少，網形精度較高。

（2）三角網對于地勢起伏較大，通視條件較好的施工場地，可采用三角

（3）導線網對于地勢平坦，通視又比較困難的施工場地，可采用導線網。

目前， 控制網的布設多采取GPS 控制網形式， 控制點間無需通視，可直接把隧道兩洞口投點聯系起來，從而大大減少地面控制點的數量；GPS 定位相對精度高，尤其采用較長長度（≥1000m）測量基線邊構成的控制網；GPS 控制網的設計也必須貫通隧道的精度要求，為保障工程安全，要做到精度控制，但同時要防止不必要的“精度浪費”。

2.2 GPS 控制網的精度

設坑口控制點的坐標精度為m2，GPS 的觀測精度為m0表示，則：

式中：m0——GPS 接收機的測量誤差，由儀器的性能所決定；

Q——設計的GPS 網的圖形強度，由網的幾何形狀所決定，或由GPS 網矢量的協方差矩陣求得。

因此，m0用GPS 接收機的標稱精度表示，即：

m0=±（a+b.ppm.S）

為了實現隧道網的布設和精度設計，可以根據隧道總長度和測區地形及各坑口的初步位置，以不同邊長模擬幾種GPS 測量網的方案，根據圖形和他的GPS 矢量的協方差矩陣解求Q 值， 并求出坑口控制點的精度， 選擇既滿足精度m2≤±20mm 又具有高效率的網作為優化方案。

2.3 GPS 控制網的布網原則

2.3.1 地面上的控制點應選在利于保存、施測方便的地方；

2.3.2 當利用城市已有控制點時，應檢查該點的穩定性及完好性；

控制點應遠離高壓輸電線和無線電發射裝置，其間距分別不小于50m和200m；

2.3.3 控制點上應視野開闊，并避開多路徑效應的影響，在10～15 高度角以上不能有成片的障礙物；

2.3.4 控制點應埋設牢固并應繪制點之記。

3 隧道控制測量坐標系統的確立

高速公路中直線隧道長度大于1000m 的， 曲線隧道長度大于500m 的，應該根據橫向貫通精度要求建立獨立的平面坐標系統。

坐標系統首先要方便隧道施工放樣，另外要考慮和它的兩端路線的正確銜接。可以是國家高斯平面坐標系統或任意經度的中央子午線高斯平面坐標系統，但一般仍較多采用獨立坐標系統。 常規測量網一樣為了施工方便，常以隧道主軸線進口至出口方向為X 軸正向，隧道的某一線路中線里程為X 坐標系統起算值， 右旋90°確立Y 坐標軸，坐標原點處。 坐標值可以為正常數，也可以為0。

實際方案中可選擇隧道底部平均高程面作為投影面，將隧道中心線作為中央子午線，按照高斯正形投影計算平面直角坐標系統；也可把抵償高程面作為投影面， 按高斯正形投影3 帶計算平面直角坐標；也可以根據橢圓面作投影不變，選擇合理的中央子午線，即將長度投影到該投影帶所產生的變形，正好等于這一長度投影到橢圓球面所產生的變形。

4 隧道貫通誤差影響值的估算

貫通誤差是指相向開挖的兩條施工中線上，具有貫通面里程的中線點不重合，兩點連線的空間線段；實際的貫通誤差只有在貫通后才能確定，所以施工中需要預先對誤差進行預估算。

4.1 誤差的分類

4.1.1 貫通誤差在水平面上的正射投影稱為平面貫通誤差；

4.1.2 在鉛垂面上的正射投影稱為高程貫通誤差，簡稱高程誤差；

4.1.3 與貫通面平行的分量，稱為橫向貫通誤差，簡稱橫向誤差；

4.1.4 與貫通面垂直的分量，稱為縱向貫通誤差，簡稱縱向誤差。

4.2 貫通誤差對隧道貫通的影響

4.2.1 縱向誤差影響隧道中線的長度和線路的設計坡度；

4.2.2 橫向誤差影響線路方向，如果超過一定的范圍，就會引起隧道幾何形狀的改變， 甚至造成侵入建筑限界而迫使大段襯砌拆除重建，既給工程造成重大經濟損失又延誤了工期。 因此，必須對橫向誤差加以限制；

4.2.3 高程誤差主要影響線路坡度。

4.3 控制測量對貫通精度影響的限值（表1）

4.4 貫通誤差的估算

4.4.1 導線測量誤差對橫向貫通精度的影響

設RX 為導線環在隧道兩洞口連線的一列邊上的各點至貫通面的垂直距離（m），則導線的測角中誤差m（″）對橫向貫通中誤差的影響為：

表1

4.4.2 高程控制測量對高程貫通誤差的影響估算

在貫通面上，受洞外或洞內高程控制測量誤差影響而產生的高程中誤差為：

式中，M 為每千米水準測量的偶然中誤差，以mm 計；L 為洞外或洞內兩開挖洞口間高程路線長度的公里數。

［1］李輝,李琪,劉慶豐.武廣鐵路客運專線隧道施工監測技術[J].鐵道建筑,2010(01).

［2］閆廣東,米存芳.淺談長大隧道的洞內平面控制測量[J].城市建設理論研究,2011(28).