小河至安康高速公路譚壩四號旋轉(zhuǎn)隧道施工測量

牛春霞

(中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401121)

0 引言

陜西省境內(nèi)黃延、靖安、小康、安毛等多條高速公路隧道設(shè)計采用的是旋轉(zhuǎn)隧道。旋轉(zhuǎn)隧道區(qū)別于一般隧道的主要特點是:隧道內(nèi)路面的橫坡或超高，是由隧道整體繞隧道高程設(shè)計點旋轉(zhuǎn)而成，也就是隧道斷面上的任一點隨著橫坡的變化也發(fā)生改變，但其位置相對于旋轉(zhuǎn)點不變。隧道內(nèi)的橫坡在直線段、曲線段是不一樣的，且曲線段一般存在一定的超高，但在緩和曲線段由超高存在而影響隧道路面橫坡是漸變的、不確定的，變化的隧道斷面給施工測量放樣也增加了一定的難度。

高速公路隧道施工測量的內(nèi)容和方法多種多樣，相關(guān)領(lǐng)域?qū)λ淼赖氖┕y量大都基于通用的高速公路隧道設(shè)計。文獻［1－3］針對隧道的方向貫通誤差進行了洞內(nèi)控制測量的設(shè)計論述;文獻［4－7］針對隧道的圍巖、施工工序和工藝等不同情況，采用新型免棱鏡全站儀技術(shù)就隧道的施工測量放樣進行了綜述，側(cè)重強調(diào)了無棱鏡測量的效率和優(yōu)越性;文獻［8－9］對隧道的方向貫通誤差有相關(guān)規(guī)定。但針對旋轉(zhuǎn)中的動態(tài)高速公路隧道如何實現(xiàn)隧道貫通面上方向和斷面周邊的精確銜接未有詳細(xì)表述，對隧道洞內(nèi)測量影響貫通的因素未進行分析，對動態(tài)隧道的施工放樣和超欠挖控制也未涉及;并且隨著科技的進步，現(xiàn)在隧道施工測量大都采用免棱鏡激光測量技術(shù)，機載隧道斷面軟件或配合多功能計算器編程，來精確快速放樣掌子面，但對測量過程中利用免棱鏡激光技術(shù)放樣點位的誤差未評估。

本文以西部開發(fā)省際通道陜西境內(nèi)小河至安康高速公路譚壩四號隧道的施工測量為例，分析洞內(nèi)控制測量設(shè)計和影響測量精度的主要因素，詳述旋轉(zhuǎn)隧道施工測量放樣的原理方法，并對使用免棱鏡測量隧道掌子面周邊點位誤差進行精度估算。

1 旋轉(zhuǎn)隧道施工測量特點

小河至安康高速公路譚壩四號旋轉(zhuǎn)隧道的施工測量特點來源于隧道結(jié)構(gòu)圖的獨特設(shè)計(見圖1)，主要體現(xiàn)在隧道內(nèi)掌子面周邊點和路面橫坡的測量定位。一般的高速公路隧道，隧道掌子面周邊點位置僅與設(shè)計的平曲線和高程有關(guān)，路面橫坡在仰拱或墊層施工時形成;而高速公路旋轉(zhuǎn)隧道，隧道掌子面周邊點位置不僅與設(shè)計的平曲線和高程有關(guān)、而且還與隧道路面的橫坡有關(guān)，路面橫坡由隧道整體旋轉(zhuǎn)形成。

圖1 譚壩四號隧道設(shè)計斷面圖Fig.1 Cross-section of Tanba No.4 tunnel

2 旋轉(zhuǎn)隧道施工測量

2.1 施工測量內(nèi)容

隨著GPS技術(shù)的普及，一般的長大隧道都采用了GPS獨立控制網(wǎng)測量技術(shù)，所以洞外控制測量的精度都比較高，洞外控制測量的誤差對隧道貫通誤差的影響也就比較小，影響隧道貫通誤差最大的因素主要是隧道的洞內(nèi)控制測量。而對于旋轉(zhuǎn)隧道，由于隧道內(nèi)橫坡或超高的形成，是依靠隧道整體繞高程設(shè)計點旋轉(zhuǎn)而成，由此隧道周邊線的位置相對于不旋轉(zhuǎn)時必定產(chǎn)生一定量的位移，尤其是在既有橫坡又有超高設(shè)置的緩和曲線漸變段。所以旋轉(zhuǎn)隧道的施工測量除洞內(nèi)控制測量外，主要是保證掌子面周邊線精度的施工放樣測量。

2.2 旋轉(zhuǎn)隧道洞內(nèi)控制測量

2.2.1 洞內(nèi)控制測量設(shè)計

小河至安康高速公路譚壩四號隧道長度為3.7 km，根據(jù)《公路勘測細(xì)則》中對長度3～6 km隧道貫通誤差的要求，貫通面上貫通誤差影響值的分配為:總的橫向中誤差為100 mm、高程中誤差為35 mm;其中洞內(nèi)部分影響貫通精度的橫向中誤差為80 mm、高程中誤差為25 mm。

根據(jù)以往大量長大隧道洞內(nèi)控制測量的經(jīng)驗，曲線隧道受半徑、斷面寬度和洞內(nèi)施工環(huán)境限制的特點，譚壩四號隧道洞內(nèi)導(dǎo)線沿隧道中線布設(shè)為直伸型主副導(dǎo)線，洞內(nèi)導(dǎo)線平均邊長達(dá)到200～300 m，考慮洞口導(dǎo)線邊長，則洞內(nèi)導(dǎo)線測量等級、測角中誤差與橫向貫通中誤差的關(guān)系可由隧道橫向貫通中誤差、導(dǎo)線法測角中誤差二者之間的關(guān)系來判定導(dǎo)線的測量精度等級，其關(guān)系式為

式中:m為隧道橫向貫通中誤差，mm;mβ為導(dǎo)線測角中誤差，″;sk為兩開挖洞口間長度，mm;ρ為常數(shù)206 265″;n為完整隧道導(dǎo)線網(wǎng)單邊路線的導(dǎo)線邊數(shù)。

由上述公式求得:測角中誤差mβ=3.72″，即導(dǎo)線控制網(wǎng)測量等級應(yīng)滿足四等導(dǎo)線測量精度指標(biāo)。然后按照導(dǎo)線測量四等精度的要求進行洞內(nèi)控制測量。

2.2.2 洞內(nèi)測量誤差因素分析

從誤差的估算和洞內(nèi)控制測量設(shè)計分析，影響隧道橫向貫通誤差的主要來源是導(dǎo)線的測角和測邊誤差，影響洞內(nèi)測角、測邊精度的因素主要有:1)使用的全站儀的測角測邊精度，棱鏡基座的對中誤差;2)觀測條件，主要指照明、旁折光、空氣波動等氣象因素; 3)洞內(nèi)導(dǎo)線測量中的邊角精度匹配性，要使設(shè)計的導(dǎo)線邊長與設(shè)計的測角精度相適應(yīng)。

2.3 掌子面周邊線測量

2.3.1 旋轉(zhuǎn)隧道幾何模型

從隧道設(shè)計斷面圖可知，路面橫坡i%的方向決定隧道繞高程設(shè)計點O旋轉(zhuǎn)的方向，無論以順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，隧道都會產(chǎn)生一定量的位移(見圖2)。以順時針旋轉(zhuǎn)為例，設(shè)定橫坡為－i，隧道繞O點順時針旋轉(zhuǎn)角度α，根據(jù)橫坡i=0時，線路設(shè)計線與隧道中心線、設(shè)計高程點的位置關(guān)系，以及隧道中心點至路面的距離，從圖中可以計算出隧道旋轉(zhuǎn)前后各點的幾何關(guān)系。

圖2 隧道旋轉(zhuǎn)幾何模型Fig.2 Geometric model of spiral tunnel

2.3.2 周邊點位測量原理

由于隧道的整體旋轉(zhuǎn)造成的隧道斷面的轉(zhuǎn)動增加了掌子面施工測量放樣的難度，因而采用常規(guī)的掌子面放樣方法已很難控制到掌子面周邊成形和隧道的超欠挖，徠卡、索佳等全站儀開發(fā)的機載隧道斷面軟件中也沒有考慮旋轉(zhuǎn)隧道的斷面放樣程序設(shè)計。隨著全站儀的不斷更新，在隧道掌子面的施工測量放樣中，采用極坐標(biāo)法、使用小棱鏡或具備免棱鏡功能的“R”型全站儀(如徠卡的TCR、索佳的SetR型儀器等)，再配以多功能計算器編程，這樣進行旋轉(zhuǎn)隧道放樣和超欠挖控制就變得較為方便。在進行施工放樣前，首先要推算該里程段由橫坡引起旋轉(zhuǎn)，隧道斷面圓心相對于線路設(shè)計線的偏移量。

2.3.3 圓心偏移量的計算

以隧道繞O點順時針旋轉(zhuǎn)為例，旋轉(zhuǎn)前:線路設(shè)計線分別至隧道中心線、高程旋轉(zhuǎn)點O的距離a和c及斷面圓心O1至路面的距離b為設(shè)計已知，根據(jù)該里程斷面的設(shè)計路面橫坡i%可推出旋轉(zhuǎn)后斷面圓心O1'的偏移量。設(shè)旋轉(zhuǎn)后斷面圓心O1'豎直方向的位移為y、水平方向的位移為x，橫坡i%引起的旋轉(zhuǎn)角為α=tan－1i，則得出:

小河至安康高速公路譚壩四號隧道設(shè)計中:線路設(shè)計線分別至隧道中心線距離a=5.375 m、至高程旋轉(zhuǎn)點距離c=0.75 m，斷面圓心O1至路面距離b= 1.75 m，洞口10 m里程范圍段路面橫坡為－3%。由上述公式可知旋轉(zhuǎn)后斷面圓心發(fā)生的偏移量水平x= 0.050 4 m，豎直y=0.139 5 m。則旋轉(zhuǎn)后斷面圓心分別與線路設(shè)計線、高程設(shè)計線的關(guān)系也即可求出。由旋轉(zhuǎn)后斷面圓心發(fā)生的偏移量可以看出，旋轉(zhuǎn)引起斷面輪廓線的位移相對較大，嚴(yán)重影響到隧道的超欠挖控制。

圖3 旋轉(zhuǎn)后參數(shù)計算示意圖Fig.3 Parameter calculation

2.3.4 極坐標(biāo)法放樣及超欠挖控制

圖3為一旋轉(zhuǎn)后的隧道斷面示意圖，在隧道內(nèi)任一點支鏡，測出掌子面上任一點P的坐標(biāo)，根據(jù)線路設(shè)計要素判斷P點與線路設(shè)計線的關(guān)系，計算出P點的里程、距線路設(shè)計線的偏值和相對于高程設(shè)計線的高差，由旋轉(zhuǎn)后斷面圓心與線路設(shè)計線、高程設(shè)計線的關(guān)系，可計算出P點至圓心O1'的距離R'，則R'與斷面設(shè)計半徑R的差值ΔR的“正、負(fù)”即表示P點的超欠，依次類推，就可精確定出ΔR=0時斷面的周邊輪廓線。設(shè)轉(zhuǎn)化后P點相對于O1'點的平距、高差分別為S和H，即:

2.3.5 放樣點位精度估算

引起P點點位誤差的主要來源是全站儀對該點進行的角度、距離觀測和掌子面畫點測量員的粗差。以譚壩四號隧道內(nèi)日常使用的徠卡TCR402型全站儀為例，除去畫點測量員的人為粗差，該儀器測角精度為2″，距離測量采用隧道內(nèi)放樣用的RL距離測量中標(biāo)準(zhǔn)測量模式，其測距精度為3 mm+2×10－6，設(shè)全站儀至測點P的距離為100 m，則由儀器引起的點位誤差.2 mm。實際上在測程≤100 m的情況下，點位誤差主要來源于全站儀的測距精度。徠卡TCR402全站儀在IR(米棱鏡)距離測量中最大測距精度為標(biāo)準(zhǔn)模式2 mm+2×10－6，最小為快速模式5 mm+2×10－6;在RL距離測量中最大測距精度為標(biāo)準(zhǔn)模式3 mm+2×10－6，最小為跟蹤模式5 mm+2× 10－6，但要注意在RL距離測量中，激光光斑大小在50 m處已變?yōu)?0 mm×20 mm，測程再遠(yuǎn)就達(dá)不到精確控制周邊輪廓線的目的。

3 結(jié)論與體會

小河至安康高速公路譚壩四號隧道分別由兩家不同的施工單位進行施工，2007年6月12日隧道勝利貫通。經(jīng)貫通測量，貫通面上貫通誤差均小于規(guī)范要求，并且隧道貫通面周邊線銜接對等無錯臺。從該旋轉(zhuǎn)隧道施工測量的過程和結(jié)果分析來看，為提高現(xiàn)在和以后施工的長大旋轉(zhuǎn)隧道的貫通精度、掌子面的精確放樣和超欠挖控制水平，建議從以下方面加以考慮。

1)旋轉(zhuǎn)隧道施工測量放樣前，一定要領(lǐng)會設(shè)計圖的含義，搞清楚斷面結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，特別是在緩和曲線段，有超高又有橫坡，要根據(jù)圖紙的設(shè)計加以綜合考慮。

2)在現(xiàn)場實際測量放樣中，選擇具有“R”功能的全站儀。使用前，要對儀器的各項精度指標(biāo)、使用條件了解清楚，根據(jù)所要控制達(dá)到的精度，選擇合適的測量和測程模式。若采用RL距離測量模式，要保持掌子面的通風(fēng)，注意測點水、汽、光的折射和測點所處位置巖體對激光的漫反射。

3)由于目前開發(fā)的機載隧道斷面軟件均沒有考慮旋轉(zhuǎn)因素，因此在現(xiàn)場施工放樣中要借助能編程的計算器，這樣才能提高放樣速度。

4)由于隧道發(fā)生旋轉(zhuǎn)的里程段位于曲線段，這要求開挖人員也要理解隧道旋轉(zhuǎn)的方向和隧道周邊線的偏移方向，以便調(diào)整風(fēng)鉆角度，有效地控制好旋轉(zhuǎn)隧道的成形和超欠挖。

5)洞內(nèi)進行導(dǎo)線施工測量時，嚴(yán)格按照測量有關(guān)規(guī)定施測，注意避開施工干擾、煙塵排放和車輛運輸，保證通風(fēng)、照明，使覘標(biāo)目標(biāo)清晰、明亮。

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