小半徑、大深度隧道貫通測量的研究與實踐

程遠達，傅曉明

(上海市測繪院，上海 200063)

1 引言

在城市范圍內，為節約土地資源一般采用地下隧道來滿足軌道交通、公路工程和大型輸水管道的需要，為減少對城市運營的影響，隧道絕大多數采用盾構法施工。隧道貫通測量的目的就是確保盾構按照設計的線路中心向前延伸，并準確進洞。一般的對采用盾構法施工隧道的設計，貫通區間長度≤1.5 km，工作井深度≤20 m，中心平面曲線半徑不小于 500 m，這樣條件的隧道工程在貫通測量作業時按規范中相關技術要求施測，取得較好貫通精度已有許多成功的案例。而當隧道設計長度加長至 2.5 km～2.8 km，工作井深度加深到 40 m，貫通區間中心線有多個半徑小于500 m的曲線段，而且貫通測量中誤差(≤±50 mm)的要求不變，按照規范規定的技術要求是難以滿足工程貫通的需要，必須對貫通測量誤差進行估算，并對貫通測量中的關鍵環節進行設計和控制。本文主要討論小半徑、大深度隧道貫通測量的精度研究，并在關鍵環節設計了針對措施和在實際工程進行應用實踐。

2 隧道貫通測量的誤差來源

隧道工程施工一般是盾構由一側豎井開始，掘進至另一側豎井結束，在盾構推進線路的縱向、橫向及豎向會出現貫通誤差，其中縱向貫通誤差主要影響隧道中線的長度，而橫向誤差和高程貫通誤差對工程的貫通影響最大，已有隧道工程貫通測量的經驗證明高程貫通誤差容易控制，因此控制好橫向誤差是貫通測量的關鍵。

從隧道貫通測量的整體工藝看，主要包含了地面控制測量、聯系測量、地下平面控制測量、地下高程測量、盾構姿態測量和洞門測量等，因此貫通測量的誤差主要來源如下幾方面:①地面控制測量所引起的橫向貫通中誤差m1;②盾構出洞處豎井聯系測量中誤差m2;③地下導線測量所引起的橫向貫通中誤差m3;④盾構姿態的定位測量中誤差m4;⑤盾構進洞處洞口中心坐標測量中誤差m5。

《城市軌道交通工程測量規范》(GB50308－2008)規定，地面控制測量的中誤差為±25 mm，聯系測量的中誤差為 ±20 mm，地下導線的測量中誤差為 ±30 mm［5］。在貫通測量誤差來源中，地面控制測量、盾構姿態和盾構進洞處洞口中心坐標測量的誤差不受地下施工條件的影響，只有聯系測量、地下導線測量隨隧道的設計條件差異而采取不同的技術措施。工作井深度大，造成聯系測量成果不穩定，而且聯系測量的橫向中誤差≤±20 mm，其值又與隧道的長度相關，長度越長必然要求聯系測量的起始邊方位角精度高;當隧道區間長度長且中心線多個半徑小于 500 m曲線段時，地下導線點的平均邊長縮短、設站數隨之增加，地下導線的累積誤差明顯增大。因此針對小半徑、大深度隧道貫通測量必須控制好聯系測量、地下導線測量這兩個關鍵環節，通過研究貫通的誤差，制訂科學合理的技術方案以滿足聯系測量的中誤差為±20 mm和地下導線的測量中誤差為 ±30 mm的要求，實現盾構準確進洞。

3 關鍵測量環節的技術設計

在小半徑、大深度隧道工程條件下，研究分析聯系測量和地下導線測量工序的誤差來源，正確估算測量誤差，是制訂科學合理的技術方案和措施的基礎。

3.1 聯系測量傳遞至井下起始邊方向中誤差的確定

聯系測量的主要目的是把地面控制點的坐標準確

式中，mt為井下起始邊的方向中誤差，L為地下導線的長度，m2聯系測量的中誤差為 ±20 mm。

3.2 聯系三角形測量的誤差分析與觀測指標設計

聯系三角形法測量要滿足井下起始邊的方向中誤差mt≤±1.65″的要求，對其測角測距的技術要求分析如下。聯系三角形定向測量(如圖1所示)是將工作井上的地面控制點(近井點A)和已知方向，通過3根豎直的鋼絲組成左右三角形，通過測量井上井下的γ、γ'角和測站至鋼絲的距離(a、b邊)、鋼絲間的距離(c邊)，按余弦定理校核三角形內符合，在滿足限差要求后，計算α角和鋼絲的方位角和坐標，將坐標準確地傳遞至井下地下導線起始點(A')，方位準確地傳遞至起始邊。α按式(2)計算。傳遞至地下，作為地下導線的基準。目前應用較多的方法有陀螺定向法、鉆孔投點法、聯系三角形法和導線定向法。而要在工作井深度深的條件下取得高精度的坐標傳遞和方位傳遞，經常采用聯系三角形法實施。聯系測量的中誤差≤±20 mm，一般可理解為聯系測量坐標、方位傳遞對地下導線最遠端點引起的橫向誤差，施工隧道長度的長度越長要求井下起始邊方向中誤差應越小。假使隧道長度為 2 500 m時，井下起始邊方向中誤差(mt)依據(1)式計算可得≤±1.65″。

圖1 聯系三角形定向示意圖

為了確定角度γ與邊長a、c邊的測量誤差對于角度α的影響，微分式(2)后可得:

式中ms為測距中誤差，mβ1為井上或井下測邊對α角引起的誤差，ρ取206265。角度γ測量對α引起的誤差為:

式中ma為角度γ的測角中誤差。

根據誤差傳播定理，推出地下導線起始邊方向中誤差mt為:

依據式(3)、式(4)、式(5)地下導線起始邊方向中誤差為:

當聯系三角形定向中距離測量選用Ⅰ級測距精度(1 mm±1 ppm×D)的儀器和反射片以取代鋼尺量距時，其測距中誤差ms為 1 mm，而γ角一般控制在1°以內，當ρ取206265，依據式(6)可計算a、c邊長與角度測量中誤差對起始邊影響，結果如表1所示:

邊長a、c和角度γ測量誤差對起始邊方向中誤差的影響 表1

由此表1可見，聯系三角形測量傳遞至井下起始邊的方向中誤差 mt≤±1.65″，必須將的值控制在0.5以內，且角度 γ的測角中誤差應≤±0.71″，依據《精密工程測量規范》(GB/T15314－94)規定，測角采用0.5″級全站儀按9測回測量。

3.3 地下導線測量的誤差分析與觀測指標設計

地下導線測量中起始邊對貫通誤差的影響已在聯系測量中考慮，在不考慮起始邊方位影響的前提下，依據式［1］(7)可知地下導線測量對隧道貫通橫向誤差主要來源于角度測量誤差，邊長測量誤差對地下導線橫向誤差的影響較小。

式中:mβ為測角中誤差，n為導線測站數，ρ取206265。

當地下導線的長度為2.5 km時，若地下導線的測量中誤差 m3≤±30 mm，依據式(7)可計算導線測站數、導線邊長和測角中誤差的關系，如表2所示。

導線測站數、導線邊長和測角中誤差關系 表2

從表2中可以看出，當地下導線的設站數超過16時，測角中誤差應≤±1″，根據《精密工程測量規范》(GB/T15314－94)的規定，介于二級(0.71″)與三級(1.41″)測角中誤差之間，為確保地下導線的誤差 ≤±30 mm，測角采用0.5″全站儀施測其測回數為9，測距采用I級測距精度(1 mm±1 ppm×D)，往返各觀測2測回。

4 工程實例中控制措施的應用

青草沙水源地原水工程是上海“十一五”重大民生工程，其中島域輸水隧道工程(如圖2所示)由輸水泵站接出2根φ5500原水管，設置了水庫出水輸水閘井(以下簡稱3號井)、輸水管線中間盾構工作井(以下簡稱2號井)和長江過江管島域工作井(以下簡稱1號井)等3個工作井，盾構推進施工分為東線和西線，由1號井出洞、2號井進洞(長度 2.5 km)，2號井出洞、3號井進洞(2.8 km)。1號井井深約 40 m，2號井井深約 24 m，3號井井深約 18 m，此工程是一個典型的小半徑、大深度隧道工程。

圖2 島嶼段輸水隧道工程示意圖

4.1 聯系測量控制措施

按照本文3.2確定的聯系測量觀測技術指標，采用TCA2003全站儀，測距使用Leica公司的標準反射片，測角分3組，共9測回。4條隧道聯系三角形測量的成果統計如表3所示:

聯系三角形起始邊中誤差計算表 表3

由表3可以看出，1－2號井東線、2－3號井東線聯系三角形傳遞井下起始邊的方向中誤差超過了±1.65″，最終1－2號井東線貫通的誤差為 8.7 cm，接近了規范規定的限差。為此根據本工程聯系三角形測量的要求和現場條件分析誤差來源，提出改進措施。自2－3號井東線第3次測量開始，把措施落實到實際測量環節中，自此起始邊的方向中誤差≤±1.65″，貫通誤差(如表4所示)也滿足 ±5 cm的要求，由此可見聯系三角形測量過程中確定的聯系測量觀測指標是科學合理的，但保證觀測指標與估算結果的一致，除規范規定的要求外加強的措施如下:

(1)工作井深度大，確保鋼絲的垂直性與穩定性，選定φ0.5 mm鋼絲，懸掛重錘的重量為 13 kg;

(2)在工作井大小確定的情況下，縮短近井點到O1鋼絲的距離(約 9 m)，減小a/c的值;

(3)改善觀測的環境，如井上吊鋼絲的架子高度增加 0.5 m，去除施工圍欄對觀測視線的干擾，同時用白紙作為鋼絲觀測的背景以提高角度觀測的分辨力;

(4)保持觀測過程中鋼絲的穩定，如重錘在阻尼液中至少有1/5高出阻尼液面，井下工作面禁止施工人員來回走動，減少對鋼絲干擾;

(5)選擇合適的天氣和觀測時間，避免溫度變化較大的時間段，避免太陽光線對鋼絲的漫射;

(6)鋼絲懸掛完畢后穩定 30 min，并比對井上、井下鋼絲間距離，其較差小于 1 mm后，方可開始角度觀測。

貫通誤差統計表 表4

4.2 地下導線測量控制措施

地下導線測量的關鍵環節在于角度測量，采用TCA2003全站儀按左4右5共9測回進行自動觀測，由于隧道深度深且線路中心的半徑小，造成地下隧道測量環境不穩定，即使按照規定的技術要求觀測，但很有可能造成實際的測角中誤差大于0.71″或角度之間存在小值粗差，為此在工程中采取了一下的控制措施:

(1)地下導線的控制點全部設置為強制歸心標，消除對點誤差;

(2)隧道內彎道處每 200 m增加鼓風機，改善地下導線觀測的環境，提高測角的穩定性;

(3)加強前后各次地下導線角度觀測數據的對比分析，對角度異常的測站進行重復測量。以其中一條隧道最后一次地下導線(如圖3所示)測量數據為例進行分析，如表5所示:

地下導線比對中與上次角度之差可以基本判斷控制點的變動或角度異常，與上次角度之差的累積可以確定控制點的變動或角度異常的測站，從表5中可以看出，LK8點發生了變動，而測站LK6、LK11存在角度誤差進行返工重測，經重測后角度的累積差為－0.8″，最后本條隧道平面貫通誤差 8 mm。

圖3 地下導線布設示意圖

地下導線角度測量值分析 表5

5 結語

小半徑、大深度隧道的貫通測量給測繪工作帶來了新挑戰，通過抓住聯系測量和地下導線測量這兩個關鍵，進行嚴密的精度估算并制定科學合理的觀測技術指標，對測量的數據及時分析尋找異常，并結合現場條件制定可行的保障措施，不但可以克服小半徑、大深度條件隧道給貫通測量精度帶來的不利影響，而且可以獲取高精度的測繪成果，為工程施工提供優質的測繪保障。

［1］張正祿．工程測量學［M］．武漢:武漢大學出版社，2005．

［2］高紹偉．激光鉛垂儀向上投點在地鐵隧道工程中進行聯系測量的實踐［J］．北京測繪，2008(2):57～60．

［3］王啟善．特長距離高精度巷道貫通測量方案設計及精度分析［J］．煤礦安全，2011，42(3):135～138．

［4］姚文強．國內長距離跨江隧道一次性掘進貫通測量關鍵技術研究［J］．城市勘測，2012(3):118～121．

［5］GB50308－2008．城市軌道交通工程測量規范［S］．

［6］GB/T15314－94．精密工程測量規范［S］．