隧道工程洞內測量控制方法及精度控制方法分析

韓靜玉

(中鐵隧道集團四處有限公司,廣西南寧 530003)

隨著地下隧道工程領域的不斷發展,測量工作的重要性日益突出,已經成為保證施工質量控制的重要手段。地下隧道工程測量工作主要由地表控制測量、地下控制測量及施工測量工作組成。地表控制測量根據施工單位施工復測管理制度的要求,一般由上級復測機構提供高精度的復測成果報告,而地下控制測量和施工測量工作是建立在地表控制測量的基礎之上,在施工區域內建立施工控制網進而進行不同階段的施工測量放樣工作。

由于測量環境及測量的對象經常發生變化,從而造成大的誤差,加之近年來我國施工質量管理水平的提高,對施工過程中測量作業的精度提出了更高的要求。因此在施工階段的地下控制測量和施工測量放樣工作過程中如何提高地下工程測量精度指標已經成為建設者們普遍關心的問題。帶著這個問題,結合改建鐵路六沾鐵路三聯隧道出口測量數據情況,通過對施工測量方法、計算方法的闡述及地下平面控制測量方法對測量工作中產生的誤差和如何提高測量精度進行分析,以供同行參考。

1 隧道施工階段測量方法闡述

改建鐵路六沾鐵路三聯隧道全長12 316 m,進口里程為D1K300+465,出口里程為D1K312+601,該隧道出口段曲線半徑5 000 m,縱坡凸曲線半徑25 000,出口段設計0.5%的上坡,另距隧道出口3 400 m處設置長2 500 m的平導,洞內施工放樣工作極為復雜。因此，施工測量方法的選擇成為進行快速測設放樣工作的關鍵。

1.1 施工測量方法

圖1 放樣控制樁

該隧道Ⅱ級圍巖施工采用全斷面法進行(Ⅱ級圍巖是不需要立拱的)。工序為開挖—初噴—立拱—復噴—二襯。開挖工序測量時,需要測出拱頂的中心線(圖1中的(1)′)和同一斷面的主要控制樁點(圖1中的(2)′(3)′(4)′(5)′(6)′(7)′),然后以同樣的方法進行開挖線的加密控制樁點測設放樣；進行初噴后即進行二襯混凝土的施工。臺車就位放樣時,需要測出臺車中心(圖1中的(1)和同一斷面位置的主要控制樁點(圖1中的(2)(3)(4)(5))。其中(1)′～(7)′在開挖工作面上,以便控制開挖的方向與高度，(1)～(5)點在已經噴好混凝土的面上,以控制臺車定位。放樣時還應復核前次初噴后斷面和凈空是否存在侵限情況。具體的計算過程為：測出這些點的坐標和高程,算出到隧道中心的距離和設計高度,與設計徑向距離相比較，計算測點往外還是往內移,使之剛好為設計位置。

例如D1K312+601.10里程Ⅱ級圍巖開挖放樣,二襯厚度為40 cm,預留沉降量15 cm,噴射混凝土厚20 cm,開挖的半徑為721 cm。

通過對隧道開挖測量方法的闡述,隧道立拱和二襯工序的測量原理與開挖是一樣的,需要注意的事項是必須根據設計的隧道斷面特性進行分析,即可進行精確的放樣工作,同時還能有效控制隧道超欠挖。

1.2 計算程序自動控制方法

通過對隧道斷面設計尺寸及平、縱曲線要素的分析,運用目前應用廣泛的CASIOfx-5800P編程計算器結合專用計算程序,使用者只需要測出所需測點的三維坐標，輸入程序，即可計算該點位的徑向移動尺寸,進而精確地將輪廓線放樣出,該種測設方法已經廣泛地應用于隧道施工測量工作中。

計算程序的編寫流程如圖2所示。

圖2 程序框圖

用CASIO fx-5800P計算器編寫程序如下：

Lbl 1：“K”？K:“P”？P:

1869.43+(K-311 101.10)×0.005→H0：

P-B0→P0：

H0+H1→H5：

“H”？H: “R”？R:

IfH≤H0+H2：ThenP0-R→S：“S=”:S◢ Ifend:

IfH≤H0+H3：Then √(P02+(H-H5)2)-R→S：“S=”:S◢ Ifend:

Goto 1:

說明：該程序為輸入坐標計算出該點的里程K和到左線中線的距離P(左負右正),接著輸入該點的高程H和開挖斷面的半徑R,就能計算出超欠挖的值S(如表1所示)。

表1 三聯隧道出口段開挖斷面超欠統計

2 洞內平面控制網測量方法及精度分析

2.1 洞內平面控制網測量方法

隧道內平面控制測量是建立在地表控制測量的基礎之上的,根據洞外控制網建立洞內平面控制網,然后按照圖紙設計要求確定需要測設放樣的要素數據,進一步確定控制點與測設點之間的數學關系,建立隧道的中線控制線,完成隧道的精確定位。因此，洞內控制網的建立及測量方法的選擇是施工測量精度提高的前提。

自上世紀末至今,全站型電子速測技術得到迅速發展,導線控制方法也隨之得到改進,常見的洞內控制測量布網形式按照隧道不同的施工階段有以下3種：

①支導線形式(主要用于隧道掘進500 m之前隧道控制)。

②附合導線形式(主要用于有平導、斜井等輔助坑道的隧道控制)。

③直伸型精密導線閉合環鎖(主要用于隧道掘進500 m以上時的隧道控制)；是指導線網形狀為狹長的多環閉合導線鎖,實踐中常采用任意多邊形多環閉合導線鎖方案,包括角度(方向)、邊長兩類觀測值。

2.2 隧道內導線環測量誤差及測量精度分析

(1)對隧道內導線環測量誤差的影響因素

依據《新建鐵路工程測量規范》及《長大隧道控制測量方法綜述》之規定,為減弱洞內施測導線環測量誤差,提高觀測精度,洞內導線的布設應注意以下幾個方面。

①導線控制點位置應合理選擇,重要樁位力求穩固可靠,精測關系完善,能長久使用。

②洞內導線控制點邊長亦應≥300 m為佳,相鄰導線點間高差滿足h≤(1/K)(MD/D)(ρ/MB)D,(注：h—高差,K—系數,取3-4,ρ為206 265″,MB為豎直角觀測中誤差,取2″,MD/D為導線測距精度,D為水平距離)。對于洞內導線,取MD/D=1/80 000,D=400 m,K=4,則h=128.915 m,豎直角為17°51′。因此可認為,相鄰點尤其是洞口站豎直角一般應取≤18°,當光電三角高程一同進行觀測時,應取≤15°,限定值為25°～30°。

③導線測量視線應禁止貼近隧道墻壁(尤其是有強光區域),視線穿越溫差突變區域應考慮設置導線控制樁施測,設置的主副點位盡量錯開,以提高導線環的圖形強度和環的精度；洞口站如遇到內外光線、溫度差異大時,宜選擇在夜間進行。

④導線測量中對隧道橫向貫通誤差產生最大影響的導線觀測元素主要是測角精度降低及其誤差積累的影響,有效地提高測角精度可顯著減少橫向貫通誤差。

⑤洞口外控制點與洞口投點之間的高差不宜大,點之間的距離應>300 m為宜。

⑥布設導線網時注意使組成每個導線閉合環的環邊數應控制在4～6條,相鄰邊長度之比<1∶3,當測角儀器望遠鏡調焦視準軸變動誤差>6″時,測角應避免在觀測各方向之間調焦望遠鏡觀測。

(2)測量精度分析

①點位誤差及導線全長相對閉合差精度分析

《高速鐵路工程測量規范》(TB10601—2009)中要求,為滿足隧道貫通精度要求,洞內施工導線控制網必須按照一定的精度建立與設計。下面就結合三聯隧道出口洞內平面控制測量實例,主要從導線控制網中點位誤差和各導線環全長相對閉合差對導線測量的精度分析和估算,以總結導線環控制方式引起的誤差對施工測量造成的影響。該導線控制網中共有環4個,每個環由6條邊組成。

為滿足洞內各工序施工測量的要求,洞內導線布設采用低于一級導線技術要求設計值進行,導線環平均邊長在330 m左右,小于一級導線設計值的1/3,根據實際情況采用標稱精度為：測角2″,測距±(2+2×10-6D)mm的TS02全站型測距儀。

實測數據嚴密平差后中點的點位誤差(橫向Mx和縱向My)、點位中誤差M中結果及最弱點(終點)的精度結果如表2，表3，表4。

表2 中點的點位誤差(橫向Mx和縱向My)

表3 最弱點(終點)及其精度

表4 最弱邊及其精度

由《工程測量規范》(GB 50026—2007)中理論公式驗證,直伸導線平差后,導線中點的點位誤差M中和導線終點(最弱點)的點位誤差M終關系為

M終=KM中

(1)

則導線全長相對閉合差為

1/T=2M終/[S]=2K·M中/[S]

(2)

該施工精密導線中點點位誤差M中=16.9 mm,由式(1)可知

M終=KM中=44.7 mm≈44.8 mm

同理，實測M終=44.8 mm,導線全長[S]=3.34 km,由式(2)可知

1/T=1/37 270

導線精度滿足四等導線精度要求。

②邊長相對精度分析

邊長相對精度也即測距中誤差,該值可以采用儀器的標稱精度測距a+b×10-6D來進行估算,對于TS02儀器,a=2,b=2。

對于相臨點的橫向中誤差的計算, 其中MB=2″,ρ=206 265″,S=330 m,結果如下

Mμ=±(MB/ρ)×S×103=±3.20 mm

根據最弱邊實測誤差及相對精度結果

MS=±1.18 mm<±4.27 mm

MSS=1 175 000<4.27/330 000,滿足要求。

③測角中誤差精度分析

那么,由起始數據引起的測點誤差M′

那么,由測點誤差引起的橫向誤差Mμ

則由角度測量誤差引起的測角中誤差為

( 33.8×206 265/330 000)×

其中,n為導線邊數,對此控制網環n=10。

經過以上對三聯隧道出口實測結果及設計精度的分析論證,對施測獨頭掘進3.5 km以上的隧道時,應嚴格按照所確定的一級導線的精度指標和技術參數來進行,邊長的選擇可以略低于設計,最多不得低于設計的1/3,才能滿足導線網全長相對閉合差的要求。另從起算點和測角誤差的角度分析得出測角中誤差為2.01″,也是滿足測規中相應導線精度要求的測角中誤差5″的要求,按此精度指標嚴格施測,完全能達到四等導線精度要求。因此，在進行洞內導線網施測務必遵守以下原則：邊長300 m以上,使用儀器精度滿足標稱測角2″、測距±(2+2×10-6D) mm以上的精度指標，才能滿足洞內導線的邊長和測角精度,才能保證直伸型導線環的整體精度。

3 隧道內施工測量方法及其精度分析

3.1 施工測量方法的選擇

近年來測量電子儀器及內配軟件不斷升級,在進行隧道施工放樣時常選擇的是后方交會的方法,也即自由設站的方法,它給隧道施工測量工作帶來很大的靈活性和方便性。

三聯隧道出口的施工測量任務主要是建立在平面導線網控制成果基礎之上,在建立洞內平面導線控制網時,只要有足夠的時間和有利條件,在規范的測量方法基礎上進行,基本上控制網的精度都會遠遠高于設計精度。因此，導線網中點位的誤差引起的放樣點誤

差,相對于施工放樣過程中的誤差來說,小到可以忽略不計。根據《工程測量學》中兩者對施工放樣點誤差的影響的推論：當控制點誤差所引起的誤差MI為放樣點位總誤差M的0.4倍時,則MI使放樣點位總誤差僅增加10%,也就是控制點誤差對放樣點位不發生顯著影響。因此，該種方法進行放樣的點位精度取決于自由設站點的點位精度。

3.2 后方交會法精度分析

在自由設站后實測過程中的放樣誤差,因前視的距離一般不超過50 m,通視情況很好,放樣過程的測距和測角引起的誤差不足以考慮,因此，提高P點的精度也即相應地提高了放樣點位的精度,為此評定P點的精度顯得尤為重要,可以通過求觀測控制點原始坐標與坐標變化后的坐標之間的差值進行評定,即

式中,xT、yT為坐標變換后的坐標,x、y為原始坐標,n為控制點數。

根據施工控制網的實際情況及以上精度評定方法,經過現場實測得出相應P點的精度結果如表5所示。

表5 自由設站點P點位精度計算 mm

以上分析不難看出：有足夠多的控制點可供使用,對設站點的精度提高是有利的。因此，在實際使用過程中,盡可能多的使用觀測控制點,以提高設站點的精度,進而提高放樣點位的精度。

值得注意的是,該精度評定方法是基于間接平差原理和目前全站儀的固化程序模塊進行的,采用對直接的觀測值(原始坐標和變化后坐標)進行最小二乘法求解,其求解方法和精度估算過程較為復雜,雖評定精度的可靠性高,但屬于簡易平差過程,如果能進行嚴密平差方法進行評估，則對自由設站點的精度評定更為有利。

4 結束語

地下工程測量是大型工程設施建設的一項基本工作,其方法的選擇、程序的控制及精度的提高一直都是關乎建設項目精確定位的關鍵因素,這項工作無論是在前期設計,還是后期實施過程中,都務必要結合施工現場的實際條件和工程狀況,合理地確定測量的方法、程序控制方法以及控制測量與施工放樣之間的關系和精度的估算工作,使得整個實施過程既能滿足施工作業位置準確的要求,又能實現整體工程成本的經濟合理,從而能夠有效地將工程建設基礎測量工作不斷地推向更廣闊的發展空間。

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