隧道貫通測量長邊導線布設方法設計與實現

成益品

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

在隧道工程建設中，隧道貫通必然含有貫通誤差，隧道工程的貫通誤差包括橫向、縱向和豎向3 個方向，從目前的測量技術、儀器設備性能及工程要求多方面出發，縱向和高程貫通測量都容易滿足隧道施工要求，而橫向貫通誤差受洞內測量條件因素制約明顯最難達到[1]。根據測量誤差傳播定律，橫向貫通誤差主要是由洞內導線測量因素所引起的，導線測量的誤差隨著隧道的距離延伸、導線設站數目的增加而增加，系統誤差會進行累積，從而導致隧道內部引測方位角的定向精度大幅降低[2]。由于洞內導線網的總體長度由隧道長度決定，所以在不改變隧道長度的前提下，隧道橫向貫通測量要想獲得較高的精度，關鍵是解決洞內導線設站數目問題。

目前，隧道洞內導線測量常采用人工觀測和自動照準觀測方法，不管基于哪種方法觀測都會受隧道內煙霧、粉塵、照明等觀測環境條件限制，隧道內導線邊長布設一般控制在300～400 m，而通視條件較好的隧道導線邊長布設最大也不超過800 m，例如港珠澳大橋沉管隧道工程貫通測量導線邊長設計為720 m[3]。設計一種特殊的觀測覘標方法，并輔以開發外業數據采集軟件，通過加大導線觀測邊長達到減少導線設站數目的目的，可以實現隧道內1 500 m 導線邊長條件下的觀測目標清晰與穩定，從而提升隧道貫通測量精度。

本文結合工程實例對隧道內長邊導線在覘標設計、外業數據采集等關鍵技術進行論述。

1 觀測方法設計

1.1 觀測覘標制作

儀器照準覘板標志的長度和寬度以及標志線的間距，依導線視線長度制定。根據3 km 導線邊長測試得到照準覘板標志的規格為長350 mm、寬60 mm。觀測覘板標志見圖1。

圖1 觀測覘板標志尺寸圖（mm）Fig.1 Size of marking for observation target(mm)

觀測覘標特點及功能如下：

1）覘板的標志外殼由鋁合金材料制作而成，內置紅色光源LED 燈帶，正面鑲嵌白色透明有機玻璃。

2）每個覘板內置12 條LED 燈帶，每條燈帶長350 mm，寬5 mm，燈帶相互間間距2 mm，沿覘板豎向中心線左右對稱排列，嚴格保證制作尺寸精度，誤差＜0.5 mm。覘板背面設置6 個LED開關，每個開關控制2 根對稱燈帶，根據導線實際長度可以隨意調節開關來控制燈帶供光數量。

3）覘板底部設置與測量基座匹配適配器，通過適配器將其與測量基座緊密連接，使覘板中心、基座中心基本位于同一鉛垂線上。安裝好之后利用全站儀豎直角功能檢測其上下中心線是否重合，保證安裝精度＜1.0 mm。

4）覘板采用12 V 電瓶作為基本供電電源，一般60 Ah 電瓶可以提供夜晚連續6 h 觀測。

1.2 數據采集軟件開發

以GNSS 測量手簿為數據采集及記錄載體，開發導線觀測數據自動記錄與計算程序，與全站儀連接進行數據交互計算。

測前在軟件內對導線測量各項誤差控制指標進行提前設定，測量過程軟件對各項誤差實時自動計算，并對誤差的數據自動剔除，直至數據合格為止，軟件自動進行觀測數據平差計算。

2 試驗驗證與分析

2.1 試驗網形比選

隧道內常用的布網形式有單導線、導線環、全導線網和主副導線網。統計目前多種導線形式的橫向精度變化見圖2，可見，在相同測量條件下觀測時，全導線網精度最高，并以此網形為試驗網形進行陸上模擬試驗。

圖2 多種形式導線橫向精度變化比較Fig.2 Comparison of transversal accuracy of various forms of transverse

2.2 試驗場地選擇及點位埋設

2.2.1 試驗場地選擇

模擬試驗場地在珠海市金灣區平沙鎮升平大道。該試驗場地分雙向四車道和中間綠化帶，寬約20 m，長約9 km，線路部分基本呈直線形且高低起伏不大，滿足長距離貫通測量模擬試驗的需求。

2.2.2 網點選埋

選擇在區域位置穩定，不易受外界干擾影響位置埋設4 個GNSS 控制網點，所有控制點均采用強制對中裝置，觀測墩高約1.4 m，基礎采用鋼筋混凝土結構，上部結構使用強制對中鋼結構三腳架[4]。

2.3 長邊導線網形設計

導線網總體長度8.8 km。在隧道兩洞口線路中線上布設洞口測站點（JD1、CD1），進洞口測站點區域再分別布設2 個定向點（DX1、DX2）。進洞口測站點與相應定向點邊長約1.5 km，洞內導線每1.4 km 布設一對導線點，一對導線點間距10 m?？刂凭W形見圖3。

圖3 控制網網形示意圖Fig.3 Schematic diagram of net shape of control network

2.4 觀測方法

模擬試驗采用獨立工程坐標系，采用二維一點一方向方法獲取起算數據，利用CosaGNSS 軟件進行二維平差[5]。GNSS 觀測在試驗中單個觀測時段時間長度定為4 h，篩選4 個時段進行基線處理，采用CosaGNSS 數據處理軟件，按照公路二等的要求對解算完畢的基線進行重復基線檢核、GNSS 環閉合差等的檢驗[6]。獨立工程坐標系參數見表1。

表1 獨立工程坐標系參數Table 1 Parameter of independent engineering coordinate system

導線觀測選擇在夜間進行。導線測量關鍵控制指標見表2。

表2 導線測量技術要求Table 2 Technical requirements for traverse measurement

使用Leica TS30 全站儀配合制作的覘標燈，人工照準目標測量與開發專用軟件自動化記錄方式進行，先架設照準覘板觀測水平角，后架設棱鏡觀測平距。水平角觀測采用全圓方向觀測法，每個方向觀測12 個測回，每測站一般觀測4 個方向，在各項外業數據指標合格的前提下進行平差計算。

2.5 數據處理

隧道進洞口分別以JD1、DX1、DX2 為起算點，隧道出口點CD1 為貫通點。通過進洞口端導線點測量貫通點的坐標，其設計坐標與實測坐標差值投影至線路中線及其垂直方向上，即為縱向和橫向貫通誤差。經過測定，試驗場貫通面坐標方位角約163?。經過計算，一點一方向貫通誤差統計結果見表3。

表3 一點一方向貫通誤差統計結果Table 3 Statistical results of one-point-one-direction transversal error

從表3 中可見，貫通點長邊導線測量結果和GNSS 網測量結果相比較，坐標差不足±10 mm，坐標差和橫向貫通誤差大小相近，說明導線測量和GNSS 測量的結果具有較高的精度和可靠性。由上述結果分析可見，設計的雙線形聯合鎖網精度遠高于現行鐵路、礦山隧道貫通測量規范的要求[7]。

3 工程應用效果

港珠澳大橋沉管隧道由33 節大型預制管節對接安裝組成，隧道進、出口兩端均由人工島組成。隧道最終接頭的貫通面位于E29/E30。沉管隧道管節沉放控制的精度要求很高，最終接頭貫通面的允許偏差控制要求小于±50 mm。

貫通測量采用720 m 雙線形聯合鎖網測量完成后[8]，采用布設約1.3 km 長邊導線對雙線形聯合鎖網測量成果進行檢核。長邊導線洞外采用一點一方向，洞內在左、右行車道各布設1 個全導線網，并相互聯接。

布設網形見圖4。

圖4 沉管隧道洞內長邊導線貫通測量網形Fig.4 Network shape of long-side traverse through survey in immersed tube tunnel

其中，西人工島的洞外控制點至沉管隧道貫通面E29 管節的長度達6 km，采用長邊導線測量方法共計測量3 期。通過比對，3 期之間的公共點坐標差值均小于10.6 mm，其偏差平均值小于1.4 mm，說明采用的長邊導線觀測方法貫通測量精度穩定。

將3 期長邊導線測量貫通面的成果取平均值與雙線形聯合鎖網測量成果進行對比，左車道貫通面橫向貫通X 坐標差8.5 mm，縱向貫通Y 坐標差3.7 mm；右車道貫通面橫向貫通X 坐標差9.6 mm，縱向貫通Y 坐標差4.0 mm，2 個車道坐標差大小相近，說明長邊導線與雙線形聯合鎖網測量結果都具有較高的精度和可靠性。長邊導線與雙線形聯合鎖網貫通測量結果對比見表4。

表4 長邊導線貫通測量結果對比Table 4 Comparison of measured results of long-side traverse through survey

同時將3 期長邊導線貫通測量理論精度與實測精度進行統計對比分析，依照設計的圖4 網形和觀測精度，利用科傻軟件，對隧道進行精度模擬估算[9]。經實測，發現實測的精度要遠高于理論評估精度，再次驗證長邊導線貫通測量成果可靠性。長邊導線貫通測量理論與實測精度對比見表5。

表5 長邊導線貫通測量理論精度與實測精度對比表Table 5 Comparison between theoretical accuracy and measured accuracy of long-side traverse through survey

4 結語

本文提出隧道洞內平面控制網布設成長邊導線形式，經過模擬試驗和施工現場實施應用，實踐證明該方法測量精度高，穩定且可靠。采用長邊導線對隧道貫通測量及控制測量具有以下優勢特點：

1）經過理論論證，實踐檢驗，長邊導線具有很強的實用性，尤其是運用于特長隧道且貫通精度要求高的沉管隧道，快速、準確地進行貫通測量，對于隧道的安全生產和經濟效益都至關重要，提高了測量精度與效率，是一種可推廣應用的布網方法。

2）面對現代水下、地下、地上等長距離線形工程測量精度要求不斷提高的趨勢，超長隧道高精度貫通測控技術可以從整體上保障水下、地下、地上工程的施工精度，推動了我國超長隧道精密工程測量的發展及工程應用。