錦屏二級水電站引水隧洞開挖控制測量的探索與實踐

李 兵

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 611130)

1 概述

錦屏二級水電站利用雅礱江下游河段150 km長大河灣的天然落差，通過四條平行的引水隧洞(單條洞長度約16．67km)，截彎取直，獲得水頭約310m，隧洞最大埋深2525m，開挖直徑為12．4～13m，工程地質和水文地質條件復雜，被公認為世界上開發難度最大的工程之一。

根據原定的隧洞開挖施工方案，對1#和3#引水隧洞的開挖采用直徑12．4m的大型TBM由東端向西端(即從隧洞下游朝上游方向)掘進與隧洞進口段鉆爆開挖洞段貫通;對2#和4#引水隧洞的開挖采用分層鉆爆法開挖。錦屏二級水電站引水隧洞開挖具有施工型式多樣性及施工工藝復雜性在全國乃至世界均罕見。施工實踐證明:1～4#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、巖爆發生量級高且頻繁，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，如何設計和實施其控制測量方案是工程施工的難點。

2 控制測量網型的設計與選用

面對錦屏二級水電站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#施工支洞及1～4#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，于2008年7月下旬召開了測量專家咨詢會，形成了錦屏二級水電站《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#施工支洞(圖1)布設二等精密導線，在1#、3#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時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，在技術手段上是先進的，但是，在其實施過程中，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被破壞。

(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。

(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。

圖1 錦屏二級水電站引水隧洞樞紐平面示意圖

(5)平差計算結果難以達到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，確保引水隧洞開挖的測量放樣質量，監理工程師根據工程施工環境情況，結合測量學理論以及積累的控制測量技術知識和操作經驗，通過測量誤差分析與計算機模擬研究，創新提出了“間隔時段2倍控制測量方法”作為保證錦屏二級水電站引水隧洞開挖工程質量的控制測量方案。

3 “間隔時段2倍控制測量方法”的測量方式與構想

3．1 “間隔時段2倍控制測量方法”的測量方式

“間隔時段2倍控制測量方法”的測量方式，即:采用Ⅱ等精密導線，把支導線作為布置控制測量網點的基本形式(對于無連通條件的、相對獨立的隧洞以支導線布置為主;對于在各個隧洞之間有橫通道連接的隧洞，組成環形閉合導線;對于有開挖支洞的隧洞則組成附合導線)，并強調采用不同間隔時段對同一基本線路的200%的測量結果延伸推進形成各類控制測量導線。

3．2 “間隔時段2倍控制測量方法”的構想

“間隔時段2倍控制測量方法”是對傳統超長大型隧洞開挖控制測量方法的創新運用，其實質是充分尊重各測量元素，而不是過分依賴測量學科中的測量平差計算理論，因為在測繪學科中，精度其實就是單純的精密度的概念，是測量結果對其數學期望的離散程度的描述，不涉及真值，不包含準確度的概念，其表述方式就是標準差。

所以，我們認為傳統的測繪學科中的精度實際上只是測量成果的隨機誤差甚至是對部分隨機誤差特性的描述，更多的是對測量過程的部分精度損失量的估計，而不是對測量成果的絕對誤差范圍的描述，它更適用于洞外控制測量網或大壩、橋梁等建筑物局部測量控制網的測設以及測量方案的設計等。而超長大型隧洞開挖的洞內控制測量是一個不同于洞外控制測量的測量事件，其不可預見因素和客觀要求要比洞外豐富得多。如果要保證隧洞開挖的順利貫通，首要問題必然是要解決隧洞開挖絕對位置的相對正確性問題(在假設洞外控制測量網可靠的情況下)，這在實際測量工作中唯一可控和能夠做到的就是對各測量元素的精細追求，在隧洞開挖未貫通前，測量誤差精度的分析只是停留在紙上的理論期望，唯有在控制測量元素可靠的情況下這個紙上的理論期望才會實現，而“間隔時段2倍控制測量方法”就是我們嘗試并規范解決這個問題的一種方法。

4 “間隔時段2倍控制測量方法”的優越性

實踐證明，“間隔時段2倍控制測量方法”與上述初期按傳統思維設計的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，總結起來有下述優點:

(1)可減少埋設測量控制墩標的個數為總數的40% ～50%，達到了節省測量資源，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容易發現問題，返工過程簡單，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，容易發現測量控制點的收斂和位移，進而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)不過分進行測量平差計算，而是更加強調各測量元素的準確度，并把握好測量過程中的誤差分析，因此其計算簡單。

5 “間隔時段2倍控制測量方法”的實際運用與技術規范

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”實踐與技術規范的主要內容有以下幾個方面。

5．1 貫通誤差

錦屏二級水電站引水隧洞開挖合同對貫通誤差的要求見表1。

表1 合同要求的貫通測量限差表

5．2 貫通誤差的分配

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依據施工合同制定，詳見表2。

表2 貫通中誤差分配原則表

5．3 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有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，是開挖順利貫通控制測量較好的保證措施之一，對超長大型隧洞的開挖尤為重要。

5．4 貫通誤差的估算

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中的一項重要的技術保證措施，其既可以預估算“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的測量技術指標的合理性。

貫通誤差估算的具體算法和公式可參見《水電水利工程施工測量規范》DL/T5173—2003第112頁中的貫通誤差估算事例。

5．5 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1d、3 d、7d甚至15d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;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而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很有必要。

5．6 測量技術指標及要求

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是根據測量理論和實踐經驗并參考測量規范制定的(表3～7)。

表3 三角高程導線測量技術要求表

表4 水平角方向觀測法技術要求表

表5 水準測量技術要求表

表6 全站儀測距作業技術要求表

表7 測量控制內業計算數字取位要求表

5．7 外業觀測數據的判定與取用

“間隔時段2倍控制測量方法”除了按照表3～7的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，從而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開挖控制測量的實踐運用中是按照下述標準執行的:

(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。

(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，mm。

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，則必須進行技術分析并找出原因，還需對單一測量元素進行有針對性的復測，直至問題解決。

5．8 計 算

“間隔時段2倍控制測量方法”的主要測量計算步驟包括:

(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，考慮球差、氣差對高差的影響。

(4)平面坐標計算。

(5)水準高程計算。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。

5．9 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;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。

6 “間隔時段2倍控制測量方法”在錦屏二級水電站中運用得到的結論

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#引水隧洞開挖的全線貫通，取得了較好的貫通效果，實測貫通誤差數據見表8。

表8 實測貫通誤差值表

由表 8 可見，實測的 1#、2#、3#、4#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”在錦屏二級水電站超長大型引水隧洞開挖的控制測量中取得了成功，其操作細則與技術規范仍有待進一步提高與完善。