長大隧道施工測量若干問題研究

閆驍愷

（中化學交建集團山東省公路工程技術研究中心有限公司，山東濟南 250200）

0 引言

長大隧道是指單座隧道洞門長度在5000m 以上的隧道。國內常見的有秦嶺終南山隧道，全長18.4km；烏鞘嶺隧道，全長20.05km；大瑤山隧道，全長14.29km。經過十幾年的發展，隧道測量技術也有了較大的進步，主要在自動化程度方面有了很大提高，測量過程中使用的設備質量有所提高而體積有所縮小，測量的效率以及速度都有了較大程度的提高。針對測量實際工程以及大地層面，其中比較典型的發展代表是GPS 以及全站儀的普遍使用，同時將計算機技術和以上兩種技術相互結合應用在實踐中。

隧道測量技術是指針對隧道勘察設計、施工和竣工驗收以及隧道運營期間所開展的有關測量活動，這些測量工作有些與通常意義上的工程測量有關，如隧道施工控制測量、貫通測量、放樣測量、斷面測量等，有些與地質勘察和災害監測有關，如隧道施工地質超前預報探測和變形監測，還有一些與工程質量檢測有關，如混凝土厚度檢測、混凝土質量檢測、隧道襯砌背后回填檢測、運營隧道內表面狀態檢測。

1 控制測量

隧道的控制測量精度質量對減小隧道橫向和高程貫通誤差、保障洞口內外的準確接線有著舉足輕重的影響，為保證隧洞在允許精度內貫通，首先要分別對洞內、洞外平面和高程控制測量方案進行設計，在未貫通前對已施測的測量成果進行相應的精度估算，采取合理的方案保證控制測量精度，以高質量的測量成果指導施工測量放樣保證工程順利完成。

1.1 平面控制測量方案設計

洞外控制網布設。在設計分布平面GPS 控制網的過程中，需要把GPS 觀測對控制位置附近環境提出的要求以及控制隧道線路洞口和平面的需求考慮在內，GPS 控制網的構成主要包括洞口子控制網以及不同子控制網之間的聯系網。組成洞口子網的網型主要是具有相對較高強度的網型，比如中點多邊形、大地四邊形等，控制子網之間互相進行通視的邊則主要選擇使用GPS 直接觀測基線；土層聯系網的全部都是三角網。在設置洞口位置時，需要將兩個方面因素作重點考慮，首先設置洞口位置后，視豎直角不可超過5度；其次洞口設置完成后，保障至少兩個后視點可以相互通視[1]。

布局設置隧洞之內的平面控制網。在設計布局隧道內導線時，需要基于隧洞外的控制測量數據，同時與隧洞之內的施工特點相結合。隧洞內部的導線需要選擇的起始位置為洞口控制位置，在線路中，沿線需要設計分布的測量導線要求分為兩組，從而構成多邊形閉合導線環。在地下平面控制網布設中，導線一般布置成直伸導線閉合環、主副導線閉合環、全導線網以及自由測站邊角交會網的形式，如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

圖1 直伸導線閉合環

圖2 主副導線閉合環

圖3 全導線網

圖4 自由測站邊角交會網

直伸導線閉合環或主副導線閉合環，有利于減少導線的橫向點位誤；盡量使導線沿垂直于貫通面的方向延伸，有利于減少測距誤差對橫向貫通的影響；盡可能采取長邊，有利于減弱測角誤差對橫向精度的影響。然而，直伸導線閉合環或主副導線閉合環也存在一定問題，其網型強度不高[2]。

全導線網檢核條件較多，網型強度大，能很好地提高點位精度，對貫通精度增益大，但其網型復雜，工作強度大。

自由測站邊角交會網不僅能夠有效減少旁折光的影響，無需考慮其中誤差，而且點位精度均勻。

1.2 隧道橫向貫通誤差預計

在設計隧道工程的期間，就要求預先估計預先設計的測量方式以及相關方案的誤差，在對該方案能否達到工程精度要求進行判斷時，主要借助估算誤差所形成的貫通誤差完成，根據判斷的結果，對測量的方式以及相關方案及時進行修正[3]，如表1所示隧道貫通誤差要求。

表1 橫向貫通誤差精度技術要求

對于隧道橫向貫通誤差預計，可以從洞外控制測量、洞內控制測量兩個方面進行研究。導致洞外控制測量形成貫通誤差的主要因素有三個：測角誤差myβ上、量邊誤差myl上和洞口兩端起始方位角誤差mya。

式(1)中：mβ上為地面導線的測角中誤差；為導線邊長的相對中誤差；為導線點至貫通面的垂直平方和；為各導線邊在貫通面上的投影長度平方的總和；mα1、mα2為隧道洞口兩個端口起始邊方位角誤差；R1、R2為隧道洞口兩個端點位置到貫通面之間垂直方向的距離[4]。

橫向貫通誤差的產生原因為洞內控制測量誤差：

式(2)中的含義與式(1)相同，在實踐中討論最廣泛也至關重要的是橫向誤差。在橫向誤差比相應的限度范圍更大的情況下，就會導致隧道中線幾何形狀發生變化，更影響著隧道洞之內的建筑物還會對規定的界限進行入侵，致使需要將襯砌部分拆除，再次建設，因此會產生更大的經濟損失。

2 監測隧道形狀的變化

隧道在使用與運營過程中會產生變形，如拱頂下沉、隧道收斂等。了解變形，研究其產生的根源、特征及其隨空間與時間的變化規律，加強變形監測和預測、預報工作，避免或盡可能減少損失，是變形觀測的主要任務。變形測量是利用專用的儀器和方法對變形體的變形現象進行持續觀測、對變形體變形性態進行分析和對變形體變形的發展態勢進行預測等各項工作的總稱。其任務是確定在各種荷載和外力作用下，變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態和時間特征。

2.1 隧道變形監測技術方法

變形監測具有觀測時間長、精度要求高、需重復觀測、數據處理方法嚴密等特點。測量等級及精度取決于變形觀測目的、變形觀測體的級別以及預計變形量的“必要精度”。變形觀測周期應以能系統反應觀測變形體的變形過程且又不遺漏其變化時刻為原則，應根據單位時間內變形量的大小及外界因素的影響程度來確定。

變形監測是一種精密的測量技術，變形觀測方法與測量儀器的發展密切相關，其觀測的基本方法以下幾種。

大地測量法：經過劃分后該種方式又包括空間大地以及常規大地測量方式。其中，常規大地測量方式中又有三角高程測量、幾何水準測量、交會以及導線測量方式。雖然該種方式測量獲取的結果具有更高的精準度，同時應用相對更加靈活，存在該方面的優勢，然而在野外工作時容易受到外部環境的干擾，工作總量較大，所以在進行實時監測以及連續監測的自動化上比較困難。

攝影測量法：近景攝影測量，這種方式能夠測量豐富的信息量，同時在外部環境中工作相對更加容易，能夠適用于大面積復測，同時還能夠實現動態觀測，然而該方式獲取的結果精度相對較低。

專用設備法：專用設備包括各種準直儀、傾斜儀、液體靜力水準儀、微水準器和應力計等，該法最大特點是相對精度高，容易實現自動化連測和遙測，但測量范圍較小，適用于提供局部形變信息的變形觀測[5]。

2.2 變形監測控制網

變形觀測的控制以創建變形監測控制網為基礎。因為整個工程涉及的范圍、對精度方面的要求、所處的環境以及工程量等方面都存在差異，在實踐中應建立不同的變形控制網。如果在允許的條件下還能借助于施工控制網，變形監測控制網需要選取應用專用的控制網。進行變形測量，主要以變形監測控制網作為參考，在對變形監測控制網進行設計布局的過程中需要將變形觀測周期內的穩定性、可靠性考慮在內，同時還要考慮到使用的便利性。

由于施工中外部環境比較復雜，而且受到施工條件的影響，因此隨著變形體的發展變化需要及時修正變形測量設計的方案，從而使形狀發生改變之后能夠適應新的改變。需要對對象發生改變的狀態進行全方位的掌握和了解，而且還要求同步完成地上形變和地下形變的監測。

在選擇布局控制網的形式時，要求結合變形觀測精度要求、變形體附近的環境以及相關的儀器裝置，在相同的測區內進行全面化的考慮，借助于估算精度或改善設計的方式進行確定。

選擇使用統一的坐標系統或高程系統作為控制網。通常情況下，選擇使用一級布網，盡可能的做到圖形簡單，具有較小的傳遞誤差。如果測量范圍大或者觀測位置相對分散，針對一個范圍內要求的觀測精度存在區別的情況下，就可以單獨完成首級網以及加密網的布局設計，加密網也可以選擇使用區域范圍的獨立網，如圖5所示。

圖5 變形監測基準網

2.3 選擇基準點

針對建筑物上一系列比較典型的位置，再次進行觀測，從而對點位的改變量進行對比就是變形觀測，由此能夠發現，變形監測不但要在建筑物上設置位置，同時還需要選擇一部分參照點作為基準。以上這些位置主要借助于相應的關系以及幾何圖形進行連接，從而形成變形觀測系統。

不管是平面控制網還是高程控制網，通常情況下，構成一個觀測區的位置共有三種，分別是工作基點、基準點、觀測點。對變形觀測位置進行直接測量的參考就是工作基點，對建筑物空間位置發生移動進行反映的標志就是觀測點。通常情況下，設計的觀測點至少為三個，穩定可靠的基準點的小測區的設計能夠低于三個，只需要對相對位移量的觀測范圍進行測定，能夠設計布局固定的或者臨時性的觀測位置，不需要對位置的穩定性過分強調。工作基點和基準點通常會形成首級網，而變形觀測位置及工作基點共同組成次級控制網。

工作節點及基準點的位置，除了要達到可靠性和穩定性的要求外，還需要將合理性與經濟性考慮在內，能夠在一個控制位置完成其他目標點的觀測。

3 結語

本文通過分析隧道工程施工測量相關資料并參考所學工程測量相關知識，系統分析了隧道施工測量各個階段所用的測量技術方法，并對各種方法的特點進行比較分析，再綜合考慮其他因素，如施工環境、施工技術的工藝特點、經濟優越性等因素，選擇出比較適合的施工與測量的技術方法。

從隧道施工控制網的布設和橫向貫通誤差的預計到隧道變形監測均進行了歸納總結，針對施工過程提出需要注意的問題，在整個測量施工過程中起到指導性作用，從而為其他隧道設計工作人員提供標準參考。