長大隧道平面控制測量網形改進與研究

潘冬生

（中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 400065）

隧道施工測量的主要任務是保證將開挖的隧道按規定的精度要求完成貫通。隧道施工測量放樣所需的方向和距離都是根據隧道平面測量控制網和設計圖紙設計的建筑物計算出來的，因而在隧道施工放樣之前需要建立具有規定精度的施工測量控制網。然而傳統的測量控制網均存在不同程度的局限性，所以本文以夢筆山隧道工程為例，研究分析新型的虛擬全導線網控制測量技術。

1 工程概況

項目路線起于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣卓克基鎮G317 線與S217 線平交口，沿原S217 線向南沿納足溝布設，至夢筆山山腳馬爾康森工局苗圃園，展線升坡，終點為夢筆山隧道。地處高海拔地區，氣壓和含氧量低，自然條件惡劣。

夢筆山隧道為單洞對向交通特長隧道，進口段設置人行平行導坑。主洞長3 350 m，人行平行導坑長765 m。我標段負責進口段，全長1 535 m，坡度為單向上坡，最大埋深440 m。夢筆山隧道屬于高原軟巖隧道，地質條件差，均為V 級圍巖。以變質砂巖、板巖互層、夾千枚巖及脈狀石英巖為主。隧道洞身開挖后，巖體暴露出現崩解，強度降低，遇水軟化似彈簧土，泥化呈淤泥狀。洞口海拔3 710 m，高原缺氧情況明顯。

2 隧道洞內常用導線網布設方式

隧道地處封閉環境，空間狹長，地質復雜，位置特殊。洞外控制網一般利用GPS 進行靜態測量；洞內由于場地狹長，無法接受衛星信號，只能采用導線測量。在長大隧道中為了增加測量控制網的多余觀測、檢核條件和保證測量精度，一般都采用閉合導線網的方式。目前主要的洞內導線網有導線環、交叉導線網和全導線網，具體形式如圖1—圖3 所示。

圖1 導線環示意圖

圖2 交叉導線網示意圖

圖3 全導線網示意圖

由圖1—圖3 可知，全導線網的每個控制點均有4個觀測方向，其網形穩定性好、精度高，能有效控制測量誤差的積累，適用于長大隧道和精度要求較高的隧道。其缺點為工作量大，費時費工，測量時容易受現場施工的干擾。導線環和交叉導線網的網形強度、工作量與全導線網相比，相對較差，但可以通過增減導線環的數量來調節網形的檢核條件，使用相對靈活[1]。適用于中長隧道的洞內控制測量。交叉導線網由主副導線組成，可以通過增加主副導線間的交叉線來減少兩側的導線邊，使其達到削弱旁折光對導線測量的影響，因此交叉導線網的效果會比導線環更好一些[2]。

綜合考慮，以上三者均存在工作量大、費時費工、易受現場施工干擾的缺點。如果能將三者互相融合，形成一種新型的虛擬全導線網，這樣即可以發揮全導線網的優勢，又可以減少工作量，保障現場施工，提高工作效率。下面以夢筆山隧道為例對虛擬全導線網控制測量技術進行仔細研究。

3 虛擬全導線網測量技術方案分析

虛擬全導線網是由一條真實的主導線和一條虛擬的副導線結合而成的虛擬全導線網。其具有布設簡單、外業測量快捷、網形穩定和測量控制精度高等優點。可以有效解決隧道控制測量與施工工序、測量效率、測量成本之間存在已久的矛盾。

沿隧道中線布設一條觀測條件最好的真實主導線（A1→A2→...→An），控制點間距為300 m 左右。然后在內業虛構一條與之相對應的虛擬副導線（XA1→XA2→...→XAn），并按照全導線網的規則構建一個虛擬全導線網。然后將虛擬全導線網進行外業測量和內業數據處理，從而得到超越導線環和交叉導線網的新型虛擬全導線網。

顯而易見，虛擬全導線網實際只有一條觀測條件最好的主導線，布設與簡單的支導線無異。工作量很小，測量時對隧道施工工序幾乎沒有干擾，可以大大提高隧道施工的進度。

4 虛擬全導線網的構建

如圖4 所示，夢筆山隧道進口端洞外布設有3 個（ZT17，ZT19，ZT20）GPS 控制點（設計院靜態測量），沿著隧道掘進方向在最有利位置布設了一條實際的主導線（A1，A2，A3，A4，A5……An），在內業虛構一條虛擬副導線（XA1，XA2，XA3，XA4，XA5……XAn）。實際的主導線與虛構的副導線按規范要求構成一個虛擬全導線網。

圖4 虛擬全導線網示意圖

5 虛擬全導線網的外業測量流程

首先根據測量規范選取測量外業相關技術指標，清理點位和測量視線上的障礙物，通風排除洞內浮塵，開啟照明燈光，測量洞內溫度及氣壓等。按照圖4 構建的虛擬全導線網進行水平角、邊長的數據測量。下面以圖4 中A2 和XA2 一對測站點為例說明具體的測量步驟及方法，其余測站依此類推。

將全站儀架設在A2 測站上對中整平，分別在A1和A3 兩點架設反射棱鏡對中整平。以A1 為起始方向，盤左照準A1 進行讀數、順時針旋轉到A3 照準讀數；倒鏡盤右照準A3 讀數，盤右逆時針轉到A1 照準讀數。以這樣的測量順序完成一測回，記錄水平角和邊長數據。按照同樣的方法完成A2 測站的其余測回工作。這樣就得到了∠A1-A2-A3 水平夾角，及DA2，A1；DA2，A3的水平距離。

XA2 測站與A2 測站雖然為同一控制點，但也要將其作為獨立測站重新架設儀器完成數據觀測。起始觀測方向選為A3，盤左照準A3 讀數，盤左微動儀器照準XA3 進行讀數，然后順時針旋轉到XA1 照準讀數；倒鏡盤右照準XA1 讀數，盤右逆時針轉到XA3 照準讀數，微動儀器照準A3 讀數，并記錄水平角和邊長數據。按照同樣的方法完成XA2 測站的其余測回工作。這樣就得到了∠A3-XA2-XA1 和∠A3-XA2-XA3 水平夾角及DXA2，A3；DXA2，XA1；DXA2，XA3的水平距離。

其本測站外業測量數據的檢核條件為∠A1-A2-A3+∠A3-XA2-XA1=360°（左角+右角=360°）、∠A3-XA2-XA3=0°。然而由于測量誤差存在偶然性，所以實際測量的結果中XAn 處于An 周圍的隨機位置。測量結果與實際值之間必然是有差值的，這充分體現了偶然誤差的不可避免性，符合事物的辯證統一關系。如圖5 所示。

圖5 虛擬全導線網示意圖

6 虛擬全導線網外業測量數據處理和平差

每測站觀測完成后進行本測站平差，合格后進行下一測站的觀測。導線環閉合差檢驗，消除粗差。然后進行加、乘常數改正，溫度氣壓改正，高斯投影改正和高程投影改正等。確保觀測數據滿足規范要求后再進行平差計算。并將測量邊長值歸算到隧道統一高程面上。計算原理、技術指標、等均與傳統全導線網相同。這樣虛擬全導線網的測量成果具備了傳統全導線網的所有特征。

每個測站觀測水平角的角度分別為An 的左角和右角，這樣還額外增加了∠A3-XA2-XA3=0、左角+右角=360°2 個檢核條件。平差后An 和XAn 的2 個坐標值還可以取加權平均值使用，這樣就可以抵消因測量設備因素引起的測量誤差，從而進一步提高了測量控制網的精度和穩定性。

7 虛擬導線在夢筆山隧道洞內平面控制測量中的應用

7.1 虛擬導線測量主要技術要求

全站儀觀測的主要技術要求見表1。

表1 全站儀觀測的主要技術要求

7.2 數據平差分析

洞內平面控制網采用虛擬導線環布網，環邊數為6 條，使用1″全站儀進行測量，測回數為8 測回，均滿足規范要求。

7.2.1 往返測距離較差分析

距離較差滿足三等限差要求，平均測距中誤差為0.86 mm，滿足規范要求，往返測距離較差統計統計結果見表2。

表2 往返測距離較差統計結果

7.2.2 虛擬環閉合差分析

虛擬環（SD1-ZD1-CY1-DY1-CY2-ZD2）閉合差計算結果見表3，角度閉合差滿足規范規定。

表3 虛擬環閉合差計算結果

7.2.3 最弱邊及其相對精度分析

以洞外GPS控制點SD、ZT17-1為平差起算點進行計算，最弱邊相對中誤差為1/201 729，小于1/52 000，滿足規范要求，精度可靠，最弱邊及其相對精度見表4。

表4 最弱邊及其相對精度

7.2.4 平差結果對比分析

平差結果對比見表5。

表5 平差結果對比表

與上期全導線網測量成果對比，點位基本穩定。測量控制點成果精度可靠，能用于施工測量。

8 結束語

虛擬全導線網由一實一虛的成對控制點組成，實際就是同一個點位。然而由于測量誤差的不可避免性，使其一分為二，不再重合。這樣即能互相檢核，又能將其加權平均合二為一。在傳統的交叉雙導線基礎上又一次提高了控制網的精度和穩定性。由此可見，虛擬全導線網的測量成果等同，甚至超越了傳統全導線網的精度，表現出了其存在的優越性，將在今后的長大隧道洞內控制測量中發揮重要作用。