長大深埋隧洞測量控制探討

谷云香

(遼寧水利職業學院，遼寧 沈陽 110122)

一、背 景

1. 工程概況

為了更好地解決遼寧省水資源短缺的問題，遼寧于2003年6月開始興建大伙房水庫輸水工程，主體工程于2008年12月竣工，總投資為52.18億元。工程建成后，主要解決沈陽等遼寧中部六城市的缺水問題，受益人口近1000萬人。

大伙房輸水工程的主體建筑物是一條長85.32 km的輸水隧洞，其埋深均超過100 m，最深達300 m，屬長大深埋隧洞，施工難度較大。經研究，隧洞施工決定在后61.80 km主要采用3臺TBM機掘進施工，只在前23.52 km用鉆爆法輔助施工。TBM機掘進段布置了7個施工支洞，包括3個施工標段。本文主要介紹TBM1合同段的情況。

TBM1合同段施工范圍為21+610.82-44+262.17，全長為20.8 km(不含10號支洞上游人工鉆爆法施工的1.9 km)，布設了3條施工支洞，其長度分別為：10號支洞長1 573.726 m；11號支洞長1 004.76 m；12號支洞長2 606.758 m(均由雇主提供的工程坐標系求得水平距離長度)。10號支洞至11號支洞貫通面的單向掘進長度12.8 km(包括10號支洞長度在內)，相向開挖長度13.8 km(含支洞)。11號支洞至12號支洞貫通面的單向掘進長度為10.5 km(包括11號支洞在內),相向開挖長度為13.2 km。

2. 問題的提出

從上述工程情況可見，大伙房水庫輸水工程的主體工程隧洞較長(85.3 km)，沿線地形復雜，隧洞埋深大，合同段多，支洞長(最長2.6 km)且高差大(最大高差254 m)，兩支洞之間相向開挖距離長(最長13.8 km)。如何做好長大深埋隧洞的測量控制，保證相鄰合同段(相鄰支洞)之間相向開挖的主洞高精度貫通，是工程建設中的重大技術難題之一。

另外查《水利水電工程施工測量規范》(SL 52—93)可以看出，本工程中無論是單向掘進還是雙向掘進長度，都超出了規范中給定貫通誤差限差的長度范圍。針對合同中提出的水工隧洞開挖極限貫通誤差表(見表1)及貫通中誤差分配值的要求，當時國內外采用TBM機施工單向掘進長度在10 km以上的隧洞還沒有。在無可借鑒的施工經驗、規范和規程的情況下，控制好貫通精度將成為工程施工的難點，也是保證工期按時完成，使工程發揮應有效益的關鍵節點。

表1 水工隧洞開挖極限貫通誤差

因此，非常有必要對各合同段貫通的誤差精度進行合理的分析與估算，保證隧洞貫通施工的限差控制在規定允許的范圍內，使工程進度按計劃順利完成。并為以后類似的隧洞工程TBM施工積累經驗和提供技術參考。

二、貫通的誤差精度估算

下面以TBM1合同段為例來說明。

1. 基本情況說明

TBM1合同標段主洞總長約為20.8 km(不含上游人工鉆爆法施工的1.9 km)，本合同標段中第一段單向掘進長度為12.8 km(包括10號支洞長度在內)。第二段單向掘進長度為10.5 km(包括11號支洞在內)。以規定的限差為基礎，結合隧洞的具體地質條件，合理分析與估算該合同標段的貫通中誤差，使其滿足貫通施工的精度要求。

2. 估算依據

(1) 所用規范

1) 《水利水電工程施工測量規范》(SL52—93)；

2) 《工程測量規范》(GB 50026—93)。

(2) 所用儀器標稱精度

mβ=±1″，ml=±(2+2×10-6D)(全站儀標稱測量精度)。

(3) 中誤差選擇

取極限貫通誤差的1/2作為貫通中誤差的控制指標，見表2。具體到本合同標段：10號支洞至11號支洞與主洞交叉點選用表2中12～14 km的貫通中誤差的要求。11號支洞到12號支洞與主洞叉點選用表2中8～12 km的貫通中誤差的要求。洞外：10號支洞口至11號支洞口選用表2中8～12 km的貫通中誤差的要求。11號支洞到12號支洞口選用表2中8～12 km的貫通中誤差的要求。

表2 貫通中誤差分配值

(4) 貫通面的選擇

結合施工組織設計及TBM施工的特點，主洞第一個貫通面選在11號支洞與主洞的交點處，第二個貫通面選擇在12號支洞與主洞交點處，具體見圖1。

圖1 本合同標段平面布置示意圖

3. 估算的條件

由于是雇主提供本合同標段在勘測設計階段的1/5000～1/10 000的帶狀地形圖，致使無法在圖上很好地結合實地地形條件進行合理的布點估算，因此只能在米格紙上將主、支洞的主點及拐點按1/10 000的比例展繪成圖，然后在洞外、內布點進行估算，這樣估算的結果可能與實際有所出入，從而影響估算的精度與可靠度。

4. 洞內外控制網形的選擇

(1) 洞外控制網的布設

該工程的洞外控制測量中主要使用了GPS測量技術。洞外控制網作為工程主要控制網，平面控制網使用GPS靜態相對測量，高程控制網采用二等水準測量。該工程可使用兩種坐標系統坐標，即1954北京坐標系與工程坐標系。《工程測量規范》中規定測區內長度變形值需小于等于2.5 cm/km，若按常規高斯投影3°帶坐標估算分析，因為測區離中央子午線較遠，隧洞出口處長度投影變形為14 cm/km，這遠遠超過規范規定值的要求。為了保證投影變形最小，建立一個工程坐標系，中央子午線選在測區(工程區)中央，高程基準面采用測區平均高程面211.9 m。

設計院采用GPS技術完成了洞外整體施工控制網的布設，武漢大學教授參與了外業的數據采集和內業的數據解算和平差；2002年11月設計院委托國家基礎地理信息中心對重點網的30個GPS點進行了第一次抽測；2003年9月，潤中公司聘請武漢測繪科技大學獨立對洞外施工控制網進行了第二次抽測；2004年11月，設計院完成了對洞外控制網的第一次全面復測。兩次抽測及一次復測成果均表明整體施工控制網的布設精度滿足規范要求。

(2) 洞內控制網的選擇

由于隧洞具有長且寬度窄的特點，本估算擬采用支導線將基本導線點布設在隧洞兩側。設定估算時洞內基本導線邊長選定為50 m，由于受洞內照明、煙霧、粉塵等諸多客觀條件的限制，選此基本導線的邊長略顯保守，當然如上述條件得到很好的改善，基本導線的邊長可能會更長一點。這樣橫向貫通的誤差就會更小一點。

5. 導線點的布設

(1) 基本導線點的布設

基本導線點的位置要求選定在洞兩側堅固的基巖上，在基巖上澆筑一個混凝土平臺，作為基本導線點的標石，平臺高于周圍基巖5～10 cm，中間布置一根不銹鋼錨筋，錨筋入巖20 cm，外露頭0.5 cm作為點位標志，上有護蓋，以防控制點在施工中被破壞，其埋設方法見圖2。

圖2 基本導線點埋設示意圖

(2) 施工導線的布設

洞內貫通導線點將根據洞內實際情況，選在隧洞中心線上，為了進行檢核，將洞內導線布設為狹長的多環導線，且依據洞內通視條件，盡可能布設為邊長大致相等的長邊導線，并要求直線地段邊長不能小于300 m，曲線段邊長不能小于80 m。

洞內施工導線點的布設(施工放樣用)主要用于指導施工，間斷性地延伸洞軸線，將在基本導線的基礎上加密，每隔50 m左右選埋一點。同時，根據洞內實際情況，布置形式可靈活機動，間隔幾點與基本導線點重合，施工導線點由上一個基本導線點施測，注意校核。

高程標石與基本導線點標石合一，以光電測距三角高程方式和基本導線點同步觀測。各級導線均明確編號，在現場洞壁上做有明顯的標記，便于尋找使用；導線點成果均計算出其樁號及偏離值(工程坐標)，現場施工中視情況加以考慮和改正。

6. 估算公式

由于影響隧洞的貫通，主要是橫向貫通誤差及豎向貫通誤差，因此本次估算只對橫向及豎向貫通誤差進行估算。

1) 洞外控制橫向貫通誤差估算所采用公式為

式中，myβ為因測角誤差而產生在貫通面上的橫向中誤差，單位為mm；myl為因量距誤差而產生在貫通面上的橫向誤差，單位為mm；mβ為導線測角中誤差；ml/l為導線邊長相對中誤差；Rx、dy分別為導線(環)點至貫通面的垂直距離和投影長度；n為測量組數。

2) 洞內導線測量控制對橫向貫通誤差的影響為My2，其計算過程及方法同上。

3) 洞外、洞內控制測量對橫向貫通面中誤差總的影響為

4) 洞外和洞內高程測量誤差，對豎向貫通的影響，按下式計算

三、結束語

綜上所述，該工程屬超長、大直徑隧洞，還有較長一段為軟弱圍巖，存在斷層破碎帶等不良地質問題，再加上大直徑TBM掘進機易使其在掘進過程中發生刀盤下沉等問題，使TBM掘進方向不易控制。因此，要保證其施工掘進貫通的測量精度符合要求有較大的技術難度，這也使得TBM掘進方向測量控制技術成為該工程的施工關鍵技術之一。搞好這項技術的研究對保證超長及軟弱圍巖隧洞的施工掘進貫通精度，保證該重大輸水工程能按期、高質量、順利地完成是非常重要的，對今后我國長大深埋隧洞TBM施工也可提供寶貴經驗和實踐指導。

如此長大深埋隧洞的TBM施工測量和掘進方向控制在我國還屬首次，在國內外其他類似工程的施工中都很少見。我國的“引黃工程”中采用了雙護盾TBM施工，控制長度也很長，為89. 5 km，但工程的施工主要由國外承包商為主來承擔，我國工程技術人員并沒有掌握掘進方向測量和控制的核心技術。雖然秦嶺Ⅰ線隧道(18.45 km)、桃花鋪Ⅰ線隧道 (7.234 km)和磨溝嶺隧道(6.114 km)均為我國TBM自主施工的項目， 在掘進方向施工測量控制方

面積累了一些經驗和一定的技術成果，但其技術還需作更進一步的完善和創新。同時，本工程所用TBM直徑8 m，屬于大直徑掘進機，調向技術難度也大，需要創造性探索。采用大直徑、超長隧洞的施工測量技術、TBM掘進方向測量技術和調向技術仍然是TBM施工技術的重要研究課題。經本工程實踐，洞外采用GPS網控制、洞內采用高精度導線測量與TBM激光導向系統相結合是TBM掘進方向測量控制技術的重要發展趨勢。

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