長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)平面控制網(wǎng)型研究

高 索

(中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司 陜西西安 710043)

1 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)飛速發(fā)展，特別是工程設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，長(zhǎng)大隧道修建工程越來(lái)越多。為保證隧道按規(guī)定的精度正確貫通，很多單位均采用新儀器、新技術(shù)和新方法進(jìn)行隧道控制測(cè)量，但隧道洞內(nèi)觀測(cè)條件復(fù)雜、影響因素多，仍有部分長(zhǎng)大隧道貫通精度超限，貫通偏差過(guò)大，導(dǎo)致侵入建筑限界造成工程處理或廢棄，出現(xiàn)不必要的工程損失。本文針對(duì)隧道洞內(nèi)施工導(dǎo)線測(cè)量方法和網(wǎng)型進(jìn)行深入研究，通過(guò)多條隧道雙導(dǎo)線網(wǎng)、交叉雙導(dǎo)線以及自由測(cè)站邊角交會(huì)等方法得出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合多條隧道實(shí)際的測(cè)量方法及貫通情況，提出了最佳的洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)型及測(cè)量方法，可以應(yīng)運(yùn)于鐵路、公路、市政、水利工程等長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)施工控制測(cè)量。

2 洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量方法

2.1 常規(guī)導(dǎo)線測(cè)量方法

常規(guī)隧道洞內(nèi)控制導(dǎo)線測(cè)量方法一般采用人工照準(zhǔn)觀測(cè)記錄，布設(shè)成多邊形閉合環(huán)，每個(gè)導(dǎo)線環(huán)由4～6條邊構(gòu)成，見圖1。長(zhǎng)隧道宜布設(shè)成交叉雙導(dǎo)線環(huán)，交叉雙導(dǎo)線的點(diǎn)位宜前、后錯(cuò)位布設(shè)[1]，見圖2。

圖1 多邊形閉合環(huán)導(dǎo)線示意

圖2 交叉雙導(dǎo)線環(huán)示意

由于測(cè)量速度慢、人工干預(yù)多、隧道洞內(nèi)觀測(cè)條件差、影響因素多，導(dǎo)致測(cè)量精度低。常規(guī)測(cè)量方法在長(zhǎng)大隧道導(dǎo)線測(cè)量中已很少應(yīng)用。

2.2 導(dǎo)線測(cè)量新方法

隨著測(cè)量機(jī)器人的普及，長(zhǎng)大隧道大多采用測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件進(jìn)行嚴(yán)密平差，測(cè)量速度快、觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量高[2]。主要網(wǎng)型采用雙導(dǎo)線網(wǎng)，見圖3。也可以交錯(cuò)剔除靠近隧道壁的一條邊形成兩種交叉雙導(dǎo)線，相當(dāng)于與雙導(dǎo)線網(wǎng)同條件下實(shí)測(cè)的兩條交叉雙導(dǎo)線。

圖3 雙導(dǎo)線網(wǎng)示意

近年來(lái)，隨著鐵路軌道控制網(wǎng)CPⅢ測(cè)量技術(shù)的日趨成熟，自由測(cè)站邊角交會(huì)方法的CPⅢ布網(wǎng)方式也應(yīng)用在隧道導(dǎo)線測(cè)量中[3-6]，點(diǎn)對(duì)間距一般為200～300 m，布網(wǎng)方式見圖4。相關(guān)文獻(xiàn)及規(guī)范中均敘述了隧道貫通后CPⅡ加密采用自由測(cè)站邊角交會(huì)的方法施測(cè)，但在隧道施工過(guò)程中很少提及或缺乏實(shí)際工程驗(yàn)證。本文主要針對(duì)該方法與雙導(dǎo)線法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證及精度進(jìn)行研究，論證隧道施工導(dǎo)線測(cè)量的最優(yōu)方法。

圖4 自由測(cè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線網(wǎng)示意

3 驗(yàn)證比較分析

3.1 交叉雙導(dǎo)線與雙導(dǎo)線網(wǎng)比較分析

選擇3段洞外GNSS控制網(wǎng)精度好且已貫通隧道CPⅡ雙導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量成果，以兩端約束閉合良好的成果為基準(zhǔn)進(jìn)行比較分析。完整的雙導(dǎo)線網(wǎng)左右間隔剔除一條直線邊形成交叉雙導(dǎo)線，可以生成左起和右起(簡(jiǎn)寫ZQ和YQ)兩種交叉雙導(dǎo)線，見圖5。

圖5 兩種交叉雙導(dǎo)線示意

雙導(dǎo)線網(wǎng)(簡(jiǎn)寫SD)和兩種交叉雙導(dǎo)線(簡(jiǎn)寫ZQ和YQ)均以導(dǎo)線一端相同起算點(diǎn)進(jìn)行約束平差，導(dǎo)出成果表進(jìn)行分析比較，列出最遠(yuǎn)端相同最弱點(diǎn)位的不同網(wǎng)型間的成果坐標(biāo)較差，見表1。

表1 不同網(wǎng)型最弱點(diǎn)位坐標(biāo)較差

通過(guò)比較，很明顯看出各種導(dǎo)線最弱點(diǎn)偏差隨隧道長(zhǎng)度增大而變大，且左起和右起導(dǎo)線相同點(diǎn)位的偏差較大，為兩偏差之和；而左起和右起導(dǎo)線平均偏差很小，說(shuō)明兩項(xiàng)平均坐標(biāo)值接近雙導(dǎo)線網(wǎng)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)。若采取交叉雙導(dǎo)線測(cè)量網(wǎng)型，左起或右起導(dǎo)線偏差一大一小，很難選擇成果，也無(wú)法判斷哪個(gè)成果精度更高。故在各項(xiàng)限差合格的情況下，證明雙導(dǎo)線網(wǎng)精度比較可靠。

3.2 自由測(cè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線網(wǎng)與雙導(dǎo)線網(wǎng)對(duì)比分析

(1)坐標(biāo)及橫向貫通偏差比較

選取相當(dāng)長(zhǎng)度的雙導(dǎo)線網(wǎng)及自由測(cè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線網(wǎng)(簡(jiǎn)寫ZYCZ)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向貫通偏差比較分析[7-8]。

選取的3條隧道相向開挖長(zhǎng)度分別在L＜4 km、4≤L＜7 km和7≤L＜10 km三個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)，按鐵路工程規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，洞內(nèi)貫通中誤差分別為40 mm、50 mm和65 mm，貫通限差為2倍的中誤差。

雙導(dǎo)線網(wǎng)及自由測(cè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線網(wǎng)(長(zhǎng)隧道采用相同段落CPⅢ實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代替)分別以進(jìn)、出口端穩(wěn)定的控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)進(jìn)行約束，取中部貫通點(diǎn)基本相同里程進(jìn)行坐標(biāo)比較和橫向貫通偏差比較，見表2。

表2 雙導(dǎo)線網(wǎng)和自由測(cè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線網(wǎng)比較

從表2可以看出，自由測(cè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線網(wǎng)隨著隧道增長(zhǎng)，坐標(biāo)較差和橫向貫通偏差也越大，自由測(cè)站邊角交會(huì)的橫向偏差約為雙導(dǎo)線的2倍，終點(diǎn)端存在比較嚴(yán)重的擺動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致橫向貫通誤差超過(guò)隧道凈空富余量，侵入隧道建筑限界。兩端極端綜合影響，可能導(dǎo)致隧道橫向貫通誤差超限，會(huì)造成線路中線調(diào)整，在隧道掘進(jìn)過(guò)程中不宜采用。

(2)點(diǎn)位精度

統(tǒng)計(jì)3條隧道雙導(dǎo)線網(wǎng)及自由測(cè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線網(wǎng)分別按一端約束和兩端約束平差后的點(diǎn)位精度最大值，見表3。

從表3可以看出，自由測(cè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線網(wǎng)一端約束最大點(diǎn)位精度偏大，雙導(dǎo)線網(wǎng)精度稍小一些；兩端約束最大點(diǎn)位精度在中部，比較小，所以兩種網(wǎng)型用在兩端約束洞內(nèi)CPⅡ?qū)Ь€測(cè)量中可行。說(shuō)明一端約束引起的橫向貫通誤差大，隧道施工掘進(jìn)階段的洞內(nèi)控制導(dǎo)線不宜采用自由測(cè)站邊角交會(huì)方式，而貫通后軌道控制網(wǎng)CPⅡ加密導(dǎo)線可以采用自由測(cè)站邊角交會(huì)方式。

表3 最大點(diǎn)位精度

3.3 工程實(shí)例

滬昆、西成、寶蘭、太焦、大張客專，廣大、蒙華、浦梅鐵路，引漢濟(jì)渭、四平水利引水洞及西安機(jī)場(chǎng)線(西安機(jī)場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間單向掘進(jìn)2.9 km，加上車站長(zhǎng)度，單向控制超過(guò)3 km，故按長(zhǎng)大隧道算。雖然區(qū)間曲線半徑小，平均邊長(zhǎng)只有120 m左右，但出洞貫通偏差僅為8 mm)等多條長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)施工控制均采用自動(dòng)觀測(cè)軟件按雙導(dǎo)線網(wǎng)進(jìn)行施測(cè)，目前所有隧道均已準(zhǔn)確貫通，貫通精度優(yōu)良。列舉幾條代表性隧道的貫通情況，見表4。隧道貫通偏差均按段落貫通長(zhǎng)度考慮，未采用整個(gè)隧道長(zhǎng)度考慮限差。

表4 貫通情況統(tǒng)計(jì)

從表4可以看出，所有隧道橫向貫通誤差均滿足規(guī)范要求，測(cè)量方法合理。

近年來(lái)，公司承建所有長(zhǎng)度超過(guò)3 km的隧道，均采用雙導(dǎo)線網(wǎng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。只要洞外控制網(wǎng)精度好、洞口布網(wǎng)合理，采取強(qiáng)制對(duì)中等必要的加強(qiáng)手段，導(dǎo)線測(cè)量精度滿足規(guī)范要求，貫通偏差都比較小。

由此證明雙導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量精度滿足長(zhǎng)大隧道貫通精度要求，施工過(guò)程中定期復(fù)測(cè)檢核也是保證數(shù)據(jù)可靠性的基本條件。

4 控制網(wǎng)網(wǎng)型分析

4.1 自由測(cè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線網(wǎng)

(1)從數(shù)據(jù)驗(yàn)證中可以看出自由測(cè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線測(cè)量貫通精度基本達(dá)到或超過(guò)了洞內(nèi)貫通中誤差，存在較嚴(yán)重的擺尾現(xiàn)象。造成較大擺尾原因分析如下:

①自由測(cè)站網(wǎng)中任意相鄰2個(gè)CPⅡ控制點(diǎn)和2個(gè)CZ測(cè)站點(diǎn)間均沒(méi)有直接聯(lián)系邊，組成的閉合環(huán)均是2個(gè)測(cè)站點(diǎn)和2個(gè)控制點(diǎn)間組成的四邊形，見圖6。所有四邊形閉合環(huán)均缺少兩個(gè)直接測(cè)量的較大角度的對(duì)角，而且傳遞均為銳角，直接點(diǎn)連接傳遞，方向不易控制，為不穩(wěn)定的四邊形，容易扭曲。

圖6 自由測(cè)站邊角交會(huì)閉合環(huán)示意

②雖然自由測(cè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線多余觀測(cè)數(shù)較多，CPⅡ控制點(diǎn)布設(shè)在二襯上，棱鏡采用CPⅢ標(biāo)志強(qiáng)制對(duì)中，安裝誤差小，但視距相差較大，最長(zhǎng)視距約為最短視距的3倍，點(diǎn)對(duì)間角度和距離測(cè)量精度不均勻，且無(wú)往返測(cè)復(fù)核，同一站左右點(diǎn)對(duì)偏差基本一致，易出現(xiàn)偏差。

③通過(guò)對(duì)多組實(shí)際數(shù)據(jù)的分析，說(shuō)明自由測(cè)站邊角交會(huì)若采用單向一端約束，最弱點(diǎn)位坐標(biāo)較差和最弱點(diǎn)精度偏大，造成擺尾現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

(2)自由測(cè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線網(wǎng)檢核條件少，平差軟件無(wú)閉合環(huán)和往返測(cè)統(tǒng)計(jì)。采用常用的中鐵二、四院數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行平差計(jì)算，均沒(méi)有閉合環(huán)、附和導(dǎo)線、往返測(cè)精度統(tǒng)計(jì)，只顯示第三邊，不利于內(nèi)業(yè)檢核。

(3)若采用隧道兩端約束，則中部最弱點(diǎn)精度比較小，可用于隧道貫通后的CPⅡ加密測(cè)量，但已知約束點(diǎn)不能過(guò)長(zhǎng)，否則中部偏移會(huì)比較大。

(4)曲線地段特別是小半徑曲線，不利于布網(wǎng)，曲線內(nèi)側(cè)視線離構(gòu)筑物過(guò)近。

(5)自由測(cè)站在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，由于觀測(cè)空氣質(zhì)量差、視距過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)精度差或不讀數(shù)，加之施工設(shè)備材料的遮擋，自由測(cè)站不宜采用，容易造成貫通誤差超限，不利于隧道準(zhǔn)確貫通。

4.2 雙導(dǎo)線網(wǎng)

(1)洞內(nèi)導(dǎo)線貫通誤差均按單導(dǎo)線進(jìn)行預(yù)計(jì)，采用雙導(dǎo)線網(wǎng)精度是單導(dǎo)線精度的倍，而且增加了閉合條件，精度會(huì)更高。

(2)雙導(dǎo)線網(wǎng)中距離有往返測(cè)驗(yàn)證，每個(gè)控制點(diǎn)一般出現(xiàn)在多個(gè)閉合環(huán)中，能及時(shí)檢核是否滿足限差要求，超限即可進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

(3)隧道掘進(jìn)時(shí)布設(shè)的雙導(dǎo)線網(wǎng)點(diǎn)一般設(shè)置在仰拱上，埋設(shè)位置要穩(wěn)定，利于保護(hù)；導(dǎo)線點(diǎn)成對(duì)布設(shè)，縱向間距200～300 m，前后距離均勻，點(diǎn)對(duì)橫向間距至少1 m以上，視線偏離構(gòu)筑物至少0.3 m以上，減少折光差的影響[9-10]。若導(dǎo)線邊太短可以采用強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志，在二襯上埋設(shè)強(qiáng)制對(duì)中支架或在仰拱上埋設(shè)強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩。

(4)雙導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量對(duì)觀測(cè)條件要求比較高，測(cè)量前應(yīng)停工通風(fēng)，減少干擾和洞內(nèi)煙塵影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)分析論證了雙導(dǎo)線和自由測(cè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線網(wǎng)的精度和優(yōu)缺點(diǎn)，證明雙導(dǎo)線網(wǎng)是當(dāng)前長(zhǎng)大隧道導(dǎo)線測(cè)量的最優(yōu)方法。自由測(cè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線網(wǎng)用在隧道貫通后的CPⅡ測(cè)量上有一定的優(yōu)勢(shì)，可以在水溝電纜槽沒(méi)有成型即可在二襯上布設(shè)洞內(nèi)CPⅡ加密網(wǎng)，節(jié)省隧道建設(shè)工期[11]。但在隧道施工掘進(jìn)過(guò)程中不應(yīng)采用自由測(cè)站方式。今后長(zhǎng)大隧道施工過(guò)程中應(yīng)采用雙導(dǎo)線網(wǎng)，埋設(shè)強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志及陀螺定向檢核修正方位角[12-13]等方法，確保長(zhǎng)大隧道準(zhǔn)確貫通。