隧道連續(xù)超短邊方位傳遞技術

張曉波，粟 劍，孫曉磊，許爾林，任 聰

中鐵二局第二工程有限公司，四川 成都 610037

隧道工程施工，從工程開工一直到工程結束，均離不開工程測量工作，隧道工程能否按規(guī)范規(guī)定的允許誤差范圍順利貫通是每個工程項目管理者和技術負責人重點關注的問題。過去經常出現(xiàn)長隧道貫通時貫通誤差超限或貫通誤差過大的情況，調整貫通誤差不但需要消耗大量財力、物力，而且嚴重影響了工程工期和單位聲譽。

要保證長大隧道順利貫通，控制測量是關鍵，控制測量按所處空間位置不同分為洞外控制測量和洞內控制測量，控制網測量精度高低將直接決定著隧道貫通誤差大小，洞外、洞內控制測量有著同樣重要的地位。長大隧道工程都位于高山峽谷，自然測量條件極其困難，洞外選點埋樁難以找到合適位置；隧道洞內控制測量的困難來自施工干擾、自然環(huán)境、設計因素等，困難程度大于洞外測量。因高精度電子水準儀的應用及高程測量的特點，高程貫通誤差能更好控制且極易達到精度要求，因此高程控制測量不在此次研究范疇，該項目中控制測量均指平面控制測量。

隨著衛(wèi)星測量技術的普及，鐵路隧道洞外平面控制測量通常采用衛(wèi)星定位測量，而洞內仍還只能采用精密導線測量方法。隧道洞外受到GNSS 控制網精度不足的影響，利用全站儀進行檢測時，常出現(xiàn)GNSS 坐標反算邊長與全站儀所測邊長不吻合；洞內導線測量可能受到通視距離短及對中誤差影響、隧道坑壁對視線造成旁折光影響等，導致隧道貫通誤差過大，引起隧道襯砌侵限，甚至影響軌道平順性，給工程造成較大的經濟損失、留下工程瑕疵產品等不良影響。因此如何提高長大隧道貫通精度，是當前急需解決的問題，作為施工輔助的隧道測量工作，研究的重點是如何克服上述現(xiàn)有的困難條件，提高測量精度，滿足隧道高精度貫通需要，在保證測量精度的前提條件下，再考慮如何提高測量效率、加快測量進度，盡量減少停工配合洞內控制測量的時間。

該項目從隧道洞外控制網建立、洞內控制網的測量方案及數(shù)據(jù)處理、短邊方位傳遞測量，經過計算機仿真模擬網試驗、現(xiàn)場組網驗證和在實際重點工程的成功應用，證明該技術方案不僅能保證所需測量精度，節(jié)約直接測量成本，還能減小對隧道施工工期的影響，節(jié)省隧道施工成本，社會和經濟效益顯著。

1 項目研究背景

1.1 項目依托工程概況（青島地鐵8 號線海底隧道）

大洋—青島北站區(qū)間線路起自城陽區(qū)的大洋站，沿岙東南路向東下穿河東路匝道橋后，在大橋紅島收費站東側入海，區(qū)間下穿膠州灣海域，后接入青島端青島北站。該區(qū)間為青島地鐵8 號線重要節(jié)點工程，全長約8.1km，穿越海域寬度約5.5km，主要采用礦山法和盾構法施工（中鐵二局2.5km 礦山法施工，中鐵一局約3km 盾構法施工）。為滿足區(qū)間工期要求，共設置1 座施工斜井。

該工程測量的難點是隧道洞外控制點邊長短，從隧道外測入隧道正洞需要連續(xù)經過7 條短導線邊，進入正洞后到貫通面還有三條短邊，掘進距離接近2.5km，方位傳遞精度按傳統(tǒng)測量方法極難達到，難以保證隧道高精度貫通。

1.2 國內外隧道控制測量技術現(xiàn)狀

無論是國外或國內，長大隧道工程控制測量工作均分為洞外控制測量和洞內控制測量兩部分，控制測量目的是建立洞內和洞外控制網，保證長大隧道工程相向開挖的兩個或多個工作面能按規(guī)定的精度正確貫通，并使各項建筑物按設計位置和幾何形狀修建，不侵入建筑限界。

目前常用的隧道洞外控制測為GNSS 方法測量，隧道洞內控制測量因地下隧道所處位置特殊，無法接收衛(wèi)星信號只能采用導線測量，目前沒有更好的測量方法替代，只是在網形的組合及平差方法選取上有差異；導線邊高精度方位傳遞，一般采用高精度陀螺儀定向，除此之外無更好方法。

1.3 項目研究的必要性

控制測量目的是保證地下隧道工程相向開挖的工作面能按規(guī)定的精度正確貫通，并使各項建筑物按設計位置和幾何形狀修建不侵限，符合驗收精度要求。各類工程均有相應的測量規(guī)范對貫通誤差進行嚴格的規(guī)定，不同規(guī)范規(guī)定有差異，但由于在進行隧道施工時初支斷面一般擴大50mm 施工，為了滿足施工要求將橫向貫通誤差控制在50mm以下。

先按常規(guī)測量方案使用測量規(guī)范的貫通誤差預估公式對該隧道進行貫通誤差預估，按照測量設計的精度指標對各個貫通面的貫通誤差進行估算。

（1）洞外控制測量對橫向貫通誤差的影響計算。

從以上貫通誤差的估計結果可以看出，海域段斜井—分解里程（礦山法與盾構法）估算貫通中誤差大于50mm，必須加強措施保證隧道橫向貫通的要求。

2 項目研究主要內容

通過計算發(fā)現(xiàn)隧道洞外GNSS 控制網相對精度較高，對隧道貫通誤差產生較大影響的主要源于洞內平面控制網。對洞內平面控制網測量誤差影響源進行分析，其影響源主要包括測量儀器自身的測量誤差、測量時儀器和觀測目標點的對中誤差、隧道坑壁與洞內空氣的溫度濕度、對洞內靠近洞壁的觀測視線造成旁折光等。

目前使用的常規(guī)雙導線網雖然采用了閉合圖形檢核閉合差，但受到隧道坑壁旁折光的影響為系統(tǒng)誤差，不容易察覺，成為洞內導線網誤差的重要影響源，使測量成果的可靠性受到影響，因此要研究如何減小洞內導線旁折光影響。

將導線點設置在隧道中央，可以最大程度上減少旁折光影響；但在施工繁忙的隧道洞內，測量時受來往的運輸交通車輛影響，控制點無法得到有效保護發(fā)生位移等使得這個方案不被采用。

針對以上問題，通過大量的研究與實踐提出一種常規(guī)雙導線和“Z”形方案相結合長大隧道的布網方法，可以有效避開旁折光的影響，見圖1。

圖1 常規(guī)雙導線組合“Z”形方案

具體做法是所有布設控制點均靠近洞室坑道左右兩側錯開布設且距離坑道壁1m 以上，呈“Z”形布設，相對應的兩個控制點只在縱向（里程方向）錯開幾米即可。實際證明這種方案既能避免旁折光影響又能避免影響洞內交通。

3 針對連續(xù)短邊長大隧道洞內控制網測量網型研究

通常長大隧道洞內控制測量的方法有常規(guī)雙導線測量、陀螺儀定向，由中鐵二局集團公司測量中心研究出的多公共轉點側方交會導線測量方法連續(xù)傳遞方位已獲專利，見圖2。

圖2 多公共轉點側方交會

通過研究發(fā)現(xiàn)導線控制點距離在100m 以上方位傳遞比較準確，低于100m 方位逐漸降低，低于50m 方位已經明顯變大；而多公共轉點側方交會在20 ～100m 能比較準確地傳遞方位，當導線邊長大于100m 時由于導線邊長幾個棱鏡之間的角度變得很小測量很難實施。針對以上情況，提出了一種新型的雙導線與側方交會相結合的網型方案具體為在大于100m 的邊按常規(guī)雙導線測量，在小于100m 的短邊用雙導線結合側方交會來測量其網型，見圖3。

圖3 雙導線與側方交會組合網型

為驗證這種方法的可靠性特做如下試驗：

（1）驗證常規(guī)雙導線邊長對方位傳遞的影響，具體試驗方法：先找一處地勢開闊平坦的場地，確定兩個固定的控制點A、B（可以假定兩點的坐標進行起算）作為方位傳遞的起算方位，模擬隧道常規(guī)雙導線進行測量，經過若干站測量，最后再測回到這兩個點，通過測量平差后檢驗最終這兩個點的方位與起始方位的偏差，從而測定邊長對常規(guī)雙導線的影響，見圖4。

圖4 雙導線短邊驗證網型

從圖4 中可以看出，BA 為雙導線起始邊從BA 開始測量按常規(guī)雙導線經過若干站后再回到AB 經過測量平差算出A′B′（為了模擬試驗，將A′B′當作未知點處理）的坐標方位，與起始方位進行比較。

該試驗分別選取三塊不同的場地驗證邊長為200m、100m、80m、50m、30m 的雙導線，其驗證結果見表1。

表1 雙導線短邊驗證結果

通過以上驗證發(fā)現(xiàn)導線控制點距離在100m 以上方位傳遞比較準確，在無旁折光對中誤差等因素影響下，傳遞精度高于1″；當導線邊長低于100m 時，方位精度逐漸降低；當?shù)陀?0m 時，方位誤差已經明顯變大。

（2）驗證常規(guī)雙導線與側方交會相結合新型導線網（組合網型）方位傳遞的可行性，具體試驗方法：先找一處地勢開闊平坦的場地，確定兩個固定的控制點（可以假定兩點的坐標進行起算）作為方位傳遞的起算方位，模擬隧道常規(guī)雙導線和側方交會相結合新型導線網進行測量，經過若干站測量，最后再測回到這兩個點，通過測量平差檢驗最終這兩個點的方位與起始方位的偏差，從而測定邊長對常規(guī)雙導線的影響，見圖5。

圖5 雙導線與側方交會組合驗證網型

從圖5 中可以看出，BA 為雙導線起始邊，從BA 開始長于100m 的邊按常規(guī)雙導線測量，短于100m 的邊按側方交會（注意該方案是控制點雙側側方交會，在設置交會棱鏡時要讓棱鏡的距離均勻和兩側的控制點都要保持一定的角度保證儀器自動觀測能夠順利進行），經過若干站后再回到AB，經過測量平差算出A′B′（為了模擬試驗，將A′B′當作未知點處理）的坐標方位，與起始方位進行比較。該試驗分別選取三塊不同的場地分別進行測試，其驗證結果見表2。

表2 雙導線與側方交會組合驗證結果

通過以上驗證發(fā)現(xiàn)組合網型（長于100m 用雙導線、短于100m 用雙側方交會法）的方位傳遞可靠性較高（在不考慮其他因素影響的情況下高于2″），完全能用于長大隧道的各種長短邊方位傳遞。

根據(jù)青島地鐵8 號線工程特點和現(xiàn)場實際情況，制訂了四種洞內控制網測量方案：①多公共轉點側方交會導線測量；②常規(guī)雙導線測量；③第三方陀螺儀定向測量；④雙導線與多公共轉點側方交會組合網型。經檢測洞外控制點穩(wěn)定可靠，因此采用已知點進行約束平差計算洞內導線點坐標成果。四種網型測量結果比較見表3。

表3 各種網型結果比較

從表3 中可以看出，多公共點側方交會的方位測量結果、雙導線與多公共點側方交會組合網型的方位測量結果與地鐵第三方檢測單位加入陀螺定向測量計算的成果都非常接近，而現(xiàn)場施工單位采用常規(guī)的導線測量方法得到的方位結果，與這二種方法就出現(xiàn)12s 左右的差異。截至目前，過海隧道海域段左右線已經實現(xiàn)高精度貫通，橫向貫通誤差在30mm 以下。

4 結束語

通過研究該項目，總結并提煉出了一套提高隧道尤其是有短邊及連續(xù)短邊的長大隧道控制測量方位傳遞技術，通過多次測試和驗證，在青島地鐵8 號線過海隧道斜井（10對短邊）成功應用。根據(jù)相關數(shù)據(jù)表明，該技術不但能提高隧道控制網測量精度，確保隧道高精度貫通，還能提高測量效率，避免因貫通誤差超限或過大帶來的經濟和工期損失，直接效益和隱形效益顯著提高。