無定向導線在水利隧洞盾構法施工測量中的應用

王紹鋒

(中國鐵建十六局集團有限公司， 北京　100018)

無定向導線在水利隧洞盾構法施工測量中的應用

王紹鋒

(中國鐵建十六局集團有限公司， 北京100018)

【摘要】以南水北調工程北京市配套南干渠工程盾構段的始發井的聯系測量、隧洞內控制測量為實例，采用無定向導線測量方法對盾構始發井進行聯系測量和隧洞內控制點測量，通過與其他測量方法進行比較分析，得出了一些有益的結論供廣大同行參考。

【關鍵詞】無定向導線； 盾構施工； 聯系測量； 洞內導線測量

目前南水北調干線工程已經接近尾聲，為了使南水北調來水得以充分、穩定、有效的利用，北京市進行了市內調蓄工程、輸水工程、新建改建水廠等一系列市內配套工程建設。南干渠工程是北京市南水北調配套工程總體規劃中的一項，是南水北調引水進京后北京市內主要配套工程之一。南干渠工程位于北京市南部，全長27.26km，其中下游段全部采用盾構法施工。

在進行水利盾構的施工測量時，要求主要控制好兩個方面：?通過始發豎井提供工作面進行施工控制測量，始發井聯系測量(平面)的目的就是將地面控制網的坐標和方位按要求精度準確地傳遞給地下盾構施工控制導線(或施工導線)，為施工提供控制依據；?在盾構掘進過程中隧洞內控制點的布設與復核。筆者根據南水北調配套北京市南干渠工程第十標段，應用無定向導線測量方法，對盾構施工過程中的聯系測量、隧洞內導線控制測量進行經驗介紹，并與其他方法進行分析比較，為今后的地下盾構隧洞施工建設提供一些參考經驗。

1工程特點

南水北調配套北京市南干渠工程第十標段，起點里程14+369.040，終點里程18+574.040，全線長4205m，其中4條曲線，曲線長度占全線長度38%。該段輸水管線施工采用盾構法，其中主要包括輸水隧洞工程，1座盾構始發兼接收井、5座排氣閥井、1座排空井。該工程施工測量的主要難點是：施工區間長、7次穿越結構物、曲線所占比例高(見圖1)。結合該工程的特點難點，應用無定向導線測量方法對盾構施工進行控制測量，取得了良好的效果。

圖1　南干渠十標平面布置及控制點位置

2無定向導線的特點及計算方法

2.1無定向導線的概念

無定向導線是沒有方向檢核的導線，即為從一條已知邊出發而閉合到一個已知點，但有時在導線的一端只有一個已知點，沒有定向點，另一端也可能是一個點。該類導線就不能用常規的計算方法來推算坐標，因為起算時沒有定向點，所以稱為無定向導線。

2.2無定向導線的計算方法

A點和B點為已知的高級控制點，A-B的方位為角T，通過A、B坐標反算邊長為L，Pi(i=1～n)A點和B點是無定向導線控制點，βi(i=1～n) 為無定向導線中間點實際測量左角，Si(i=1～(n+1))為實際測量邊長。下圖2為無定向單導線示意圖。

圖2　無定向導線示意圖

方法一： 計算時，先假定起始邊A-P1的方位角為α，依觀測值Si和βi，推導求出B的假定坐標，由A點的坐標和B點的假定坐標，計算得到閉合邊A-B的假定邊長和假定方位角 L′和T′。根據閉合邊 A-B的真、假邊長和真、假定方位角，可以計算邊長比R和方位角較差值ΔT′，其中R=L/L′，ΔT=T-T′。然后按R及ΔT改正導線各邊的邊長和方位角，用改正后的方位角及邊長計算各邊的坐標增量，最后推算各點的坐標。

通過回歸分析，分別構建遙感因子Rrsnir/Rrsred與懸浮泥沙濃度之間的各反演模型(對數、指數、線性及冪函數模型)，并解算出模型決定系數(R2)與懸浮泥沙濃度模型擬合值與實測值之間的平均相對誤差(MRE，Mean Relative Error)，用于評價模型反演精度，并最終選取指數模型作為椒江口水體懸浮泥沙濃度反演的模型(見表3)，模型公式為：

方法二： 依觀測值Si和βi推導求出各導線邊在A-P1方向的投影長度總和S，并按γ=arccos(S/L)計算連接角的近似值。根據γ、Si和βi可以計算各導線點近似坐標。可以組成閉合邊方程式按照條件平差法進行平差，依照平差后的Si和βi計算精確的連接角值γ。也可以根據已知點B相對于A的坐標增量，以及沿Pi測點路線求得的坐標增量和閉合關系調整計算各測點的坐標，然后再計算精確的連接角值γ。

無論哪種方法，都是依邊長閉合作為無定向導線計算的唯一檢驗。現在常用的平差軟件大都具有無定向導線平差功能。

2.3無定向導線特點

單條無定向導線因相對多余觀測數太少，尤其是缺少導線的橫向控制，對角度觀測缺少檢核，無定向導線較之兩端有起始方位角的導線點位誤差會有所增大，且增大的主要為橫向誤差。由于沒有方向檢核，精度比附合導線要低，閉合到一個已知點上只有一個坐標檢核條件，但比支導線精度要高。

3無定向導線的應用

3.1應用無定向導線進行聯系測量

3.1.1控制點概況

該工程進場時設計單位交給十標段施工單位6個D級GPS控制點，其中NG09、NG10點為南干渠第九標段控制點，NG11、NG12點為標段范圍內控制點，NG13、NG14為南干渠第十一標段控制點。首先對三組控制點進行復測，復測結果見表1。

表1　GPS原始控制點實測結果

測量過程按照《全球定位系統(GPS)測量規范》D等要求，采用點連式觀測方法進行。每三個點共同觀測時間均不小于45min，有效觀測衛星個數均大于5顆，衛星觀測截止角大于15°。采用LGO平差軟件進行計算，坐標成果見表2。

表2　南干渠十標平面控制加密點坐標

續表

以上成果滿足D等GPS控制要求。

3.1.2無定向導線聯系測量

將地上控制測量引測到始發井下以及盾構始發控制點，首先用吊鋼絲的方式將地面控制傳遞至井下，通過地上測量可計算出鋼絲的實際坐標，同時將井下兩根鋼絲貼上放射片，將其中的一根鋼絲作為無定向導線的起點，將另外一根鋼絲作為無定向導線的終點，然后采用無定向導線測量方法進行盾構始發控制點的測量。測量順序見圖3。

圖3　盾構始發井應用無定向導線聯系測量

觀測過程分為井上和井下兩個組同時進行：

兩個觀測組分別采用1s全站儀進行觀測，雖然觀測條件滿足不了四等導線要求，但是按照高于四等導線要求進行觀測，測角測回數為6個，測距為往返各3次。通過測繪平差易對觀測數據進行平差計算。

3.2無定向導線在隧洞內控制測量中的應用

前文提過，盾構施工過程中要7次穿越結構物，這樣既增加了難度也提供導線附和的條件。在盾構穿過之后，管片變形監測已經穩定，在該結構物位置懸吊鋼絲作為無定向導線的終點進行復核洞內導線控制點。見圖4：

圖4　應用無定向導線復核隧洞內控制點

觀測過程分兩步進行：?在盾構穿越排氣井后，管片監測已經穩定，先完成由A-18至Zn點的測量工作，也可直接利用原聯系測量成果直接按支導線測量至Zn點；?分成兩個觀測組——地面組與洞內組同時進行，地面組由A-16測量至D-3點，洞內組由Zn點測至懸吊鋼絲(D-3′點)，測量過程按四等導線要求進行觀測。這樣就形成了由D-1點至D-3點的無定向導線測量過程，通過平差易軟件對觀測數據進行平差計算，得到Z3、Z4的無定向導線數據。原Z3、Z4點數據為支導線觀測成果，其精度等級低于無定向導線精度，所以將Z3、Z4點坐標數據調整為此次無定向導線測量成果。以此成果為基準，繼續向掘進方向控制盾構的導向系統。

利用無定向導線測量方法，該項目在7次穿越排氣井過程中，共完成5次洞內控制導線復核過程，取得了很好的效果，穿越偏差見表3。

表3　盾構穿越偏差統計

通過統計偏差值分析，盾構導向控制沒有出現累計誤差，偏差值均小于20mm，大大小于設計允許偏差標準。這說明采用該方法完全可以滿足超長盾構區間的控制要求。

4結論與建議

無定向導線在盾構始發井聯系測量、水利盾構穿過排氣井對隧洞內控制點復核測量和區間貫通聯測等方面，都能夠很好地滿足測量精度要求，是盾構施工測量的有效補充，有著較好的推廣價值。

在無定向導線測量過程中需要提高測角精度、增加布點間距、增加結點組成閉合環或導線網等條件來提高無定向導線可靠性和精度；如果使用高精度全站儀對無定向導線進行觀測，則主要防止觀測過程中粗差和錯誤的產生。

盾構精密導線控制在困難條件下，可應用無定向導線進行觀測。但是建議在精密導線控制測量過程中，應用不同方式平差比較，以分析附合導線起始方位對成果的影響，為后期的導線復測提供參考。

單條無定向導線最弱點的點位誤差比典型的導線增大約 65%。在 2 個起始點之間布設 2 個閉合環的無定向導線最弱點的點位誤差比有定向導線增大約20%。隨著高級控制點之間無定向導線網閉合環數的增加，使無定向導線網與有定向導線網的精度差別越來越小，在 3 個起始點之間布設具有 3 個閉合環或以上的有無定向導線網，幾乎已無差別。

參考文獻

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[4]GB/T 18314—2001全球定位系統(GPS)測量規范[S].

中圖分類號：TV554

文獻標志碼：A

文章編號：1005-4774(2015)02-0019-05

Application of Non-directional Wire in Water Conservancy Tunnel
Shield Method Construction Measurement

WANG Shao-feng

(ChinaRailway16thBureauGroupCo.,Ltd.,Beijing100018,China)

Abstract：Connection survey and tunnel internal control survey of starting well in Beijing supporting south canal project shield section in South-to-North water diversion project are adopted as examples. Non-directional wire measurement method is adopted for connection survey and tunnel internal control survey of starting well. Some beneficial conclusions are obtained for peers as reference by comparative analysis with other survey methods.

Keywords：non-directional wire; shield construction; connection survey; wire measurement in tunnel