鐵路隧道高程貫通測量若干問題探討

徐 杰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

1 原高程貫通誤差指標合理性探討

《高速鐵路工程測量規(guī)范》[1]和《鐵路工程測量規(guī)范》[2]中(后文簡稱“規(guī)范”)規(guī)定隧道高程貫通誤差限差為50 mm，高程貫通中誤差為25 mm，主要源于《鐵路測量技術(shù)規(guī)則》[3]第三篇“隧道測量”，是根據(jù)當時搜集到的92座1 km以上鐵路隧道實際高程貫通誤差資料統(tǒng)計分析得出的。其統(tǒng)計結(jié)果表明：實際貫通誤差小于中誤差(25 mm)的有75座，介于中誤差與限差(50 mm)之間的有13座，超過限差的只有4座，實際貫通誤差在限差以內(nèi)的占96%，故而將高程貫通誤差限差設為50 mm，這是基于當時隧道長度在8 km以內(nèi)的統(tǒng)計結(jié)果。

按照測量誤差理論，貫通誤差隨著隧道長度的增長而增大，貫通精度要求也應隨著隧道長度的增長而適當提高。近年來，隨著鐵路快速發(fā)展，以關(guān)角隧道(32 645 m)、燕山隧道(21 154 m)、烏鞘嶺隧道(20 050 m)等為代表的特長隧道越來越多，高程貫通誤差限差指標的適應性應重新證明。

根據(jù)近年來136座隧道的實際貫通誤差資料，包括西成、寶蘭、廣深、蘭新、云桂等高鐵項目隧道，以及張?zhí)?、渝懷二線、拉日、西格二線、寧西二線、向莆等普速鐵路隧道，其中8 km以上隧道36座，按照4 km、7 km、10 km、13 km、16 km、20 km的標準劃分為7個隧道長度區(qū)間?！耙?guī)范”中隧道高程貫通中誤差為25 mm，貫通限差為2倍中誤差(50 mm)，把新增136座隧道的實際高程貫通誤差劃分為三個區(qū)間：<25 mm(1/2限差)，25 mm(1/2限差)～50 mm(限差)，>50 mm(限差)，表1～表3分別統(tǒng)計了每個長度段落內(nèi)隧道貫通誤差在相應三個區(qū)間范圍內(nèi)的數(shù)量以及所占比例，表4給出高程貫通誤差的綜合統(tǒng)計情況。

表1 新增隧道高程貫通誤差統(tǒng)計(4～10 km)

表2 新增隧道高程貫通誤差統(tǒng)計(10～20 km)

從表1～表4高程貫通誤差統(tǒng)計分析情況可以看出，高程貫通誤差在25 mm(1/2限差)以內(nèi)的隧道占全部統(tǒng)計樣本的85%；介于25 mm(1/2限差)～50 mm(限差)只有20座，占比為15%；沒有一座隧道高程貫通誤差超過限差(50 mm)。從本次136座隧道高程貫通誤差統(tǒng)計情況來看，高程測量方式?jīng)]有根本性的改變，即使對于20 km以上的3座特長隧道(最長為32.6 km的西格二線關(guān)角隧道)，其高程貫通誤差也全部在25 mm(1/2限差)以內(nèi)，表明規(guī)范中原高程貫通誤差限差指標是合理的，亦適用于當前特長隧道(20 km以上)的高程貫通誤差。

表3 新增隧道高程貫通誤差統(tǒng)計(20 km以上)

表4 新增隧道高程貫通誤差綜合統(tǒng)計

2 隧道高程貫通中誤差理論分析

隧道高程貫通誤差由洞外、洞內(nèi)水準測量共同影響產(chǎn)生，貫通誤差大小與測量精度、水準路線長度等相關(guān)[4-11]。洞外、洞內(nèi)高程控制測量誤差產(chǎn)生的高程貫通中誤差按式(1)計算

(1)

圖1 隧道洞內(nèi)外水準閉合環(huán)示意

(2)

(3)

基于式(2)、式(3)計算的洞外水準測量精度需要比洞內(nèi)水準測量精度提高1～2個等級。目前，鐵路項目二等水準和精密水準的作業(yè)方式基本相同，建議洞內(nèi)水準測量精度提高到洞外水準測量的精度，一方面不會增加過多外業(yè)工作量；另一方面，洞內(nèi)、洞外水準測量采用相同精度，有利于后續(xù)水準閉合后的同精度內(nèi)插。

3 洞內(nèi)外高差閉合差與貫通誤差關(guān)系

隧道高程控制網(wǎng)是一個局部獨立控制網(wǎng)，隧道洞外水準路線繞行，與洞內(nèi)水準測量路線串聯(lián)，在貫通面上形成一個閉合環(huán)(如圖1所示)。以隧道洞內(nèi)路線測量的直接高差貫通進出口，閉合差不受起算點誤差的影響。洞外、洞內(nèi)水準閉合環(huán)產(chǎn)生的高差環(huán)閉合差(相當于高程貫通誤差)應小于極限貫通誤差(50 mm)。

(4)

(5)

(6)

可知滿足環(huán)閉合差限差要求的貫通精度實際上提高了50%，高程貫通中誤差變?yōu)?2.5 mm，小于規(guī)范中洞內(nèi)、洞外高程貫通中誤差(17.7 mm)。因此，只要滿足洞內(nèi)、外高差環(huán)閉合差限差要求，就必定滿足隧道高程貫通誤差限差要求。

隧道內(nèi)無砟軌道的鋪設依據(jù)軌道控制網(wǎng)CPⅢ進行，CPⅢ控制網(wǎng)高程測量附合到洞內(nèi)加密水準基點上，洞內(nèi)加密水準基點網(wǎng)附合到洞外的二等水準基點上，高差閉合差滿足限差要求后，再進行同精度內(nèi)插、約束平差處理。如果隧道高程測量只按貫通限差(50 mm)進行精度等級設計，即使隧道貫通誤差滿足限差要求，但可能無法滿足環(huán)閉合差限差要求，甚至影響隧道凈空及CPⅢ建網(wǎng)。因此，在隧道施工期間就應該考慮軌道控制網(wǎng)CPⅢ的精度要求，按照環(huán)閉合差要求進行高程控制網(wǎng)的設計。

通常情況下，隧道越長、交通條件越差，則洞外繞行的水準路線越長。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，隧道洞外水準路線長度一般是洞內(nèi)水準路線長度的1.5～5倍，個別隧道的繞行長度更長，如西成高鐵大秦嶺隧道(隧道長度14 849 m)，隧道未貫通前，線路水準基點的二等水準復測路線繞行長度達127 km，洞外水準路線長度是隧道本身長度的8.5倍，若隧道貫通前繞行測量高差與貫通后洞內(nèi)直接高差不一致，此時需對貫通后的高程貫通誤差進行適當調(diào)整[12]，以保證與相鄰構(gòu)筑物高程系統(tǒng)一致。

4 隧道貫通前后高差不一致處理方法

在定測時，鐵路長大隧道一般采用二等水準測量建立線路高程控制網(wǎng)(線路高程系)，此時需加水準面不平行性改正；而隧道施工時，采用隧道進、出口控制點直接高差與線路定測水準點聯(lián)測，與各輔助坑道口水準點共同建立隧道施工高程網(wǎng)(施工高程系)，兩個高差可能存在閉合差超限的情況。施工高程控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時，以一個進口線路定測水準點為起算點進行平差計算，與出口定測水準點高程存在差值，通常將其作為斷高處理，并在施工圖設計文件中予以說明，存在施工使用不便等問題。

基于二等水準的隧道施工高程控制網(wǎng)的高程系統(tǒng)評估，應明確隧道施工高程控制網(wǎng)是采用施工高程系還是線路高程系。此時，應采用高差閉合差檢查法進行隧道施工高程控制網(wǎng)的高程系統(tǒng)評估，當高差閉合差在限差以內(nèi)時，采用線路高程系，不設斷高，以所有穩(wěn)定可靠的線路水準基點為基準進行約束平差，計算隧道控制網(wǎng)的精測高程，保證隧道出口高程與線路高程系一致，方便施工使用和高程基準維護；反之，當隧道施工控制網(wǎng)直接水準高差(不加水準面不平行性改正)的閉合差與線路定測水準閉合差超限，此時采用線路高程系已不適宜，在確認直接水準高差正確后，應采用施工獨立高程系，利用進口一個線路定測水準點的高程作為起始高程，用直接水準高差推算各控制點高程，在出口與線路定測水準點的高程較差設為斷高，使精測水準高差與施工水準高差保持一致，以保障隧道高程準確貫通。

西成高鐵大秦嶺隧道起訖里程DgK85+533～DgK100+378.99，總長14 845.99 m，最大埋深1 185 m。隧道范圍平均海拔1 300～2 638 m，洞身地表起伏較大，地表自然坡度30°～60°，山高坡陡，溝壑縱橫，地形復雜，植被茂密。隧道進口位于桃園溝南側(cè)山坡，有簡易土路通過；隧道出口位于菜子坪林場西河與石東溝交匯處東面山坡，出口下方有林場公路通過，交通條件差。隧道進口、出口、斜井口地處狹窄S形夾溝內(nèi)，兩側(cè)山勢陡峻，導致隧道進、出口至各斜井口的水準路線坡度陡，設站次數(shù)多，水準路線通過十分困難。

5 結(jié)論

(1)基于近年來136座隧道的實際高程貫通誤差資料，將其高程貫通誤差劃分為三個區(qū)間并分別統(tǒng)計其數(shù)量以及所占比例，結(jié)果表明，85%的隧道高程貫通誤差在25 mm以內(nèi)，沒有隧道高程貫通誤差超過限差50 mm，表明規(guī)范中高程貫通誤差指標適宜性很好，也適用于特長隧道。

(2)基于高程貫通中誤差理論公式，洞外、洞內(nèi)高程控制測量誤差對每個貫通面的高程貫通誤差影響可以按照等影響原則考慮；按照目前鐵路隧道水準測量作業(yè)方式，建議把洞內(nèi)水準測量精度提高到洞外水準測量精度。

(3)當洞內(nèi)、外高差環(huán)閉合差限差滿足要求時，隧道高程貫通誤差限差亦滿足要求；若洞外水準路線繞行過長，則需要根據(jù)高差閉合差情況，對貫通后的實際高程貫通誤差進行適當調(diào)整，以保證相鄰構(gòu)筑物高程系統(tǒng)的一致性。

(4)基于二等水準隧道施工高程控制網(wǎng)的高程系統(tǒng)進行評估時，應根據(jù)隧道貫通前后的高差閉合差情況，決定采用施工高程系還是線路高程系以及是否設置斷高。當高差閉合差在限差以內(nèi)時，采用線路定測高程，不設斷高，采用所有穩(wěn)定可靠的線路水準基點為基準進行約束平差，計算隧道控制網(wǎng)點的高程；當隧道施工控制網(wǎng)直接水準高差的閉合差與線路定測水準閉合差超限時，在確認直接水準高差無誤后，應采用施工獨立高程。