特長隧道整體貫通前先期鋪設無砟軌道施工測量方法探討

巨邦強，付宏平，陳光金，李志平

(1.青藏鐵路有限公司，青海 西寧 810006;2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043;3.中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

0 引言

隨著高標準大規模鐵路建設的不斷推進，國內出現了很多特長隧道。如已經貫通的石太客專太行山隧道(全長28 km)、正在修建的蘭渝鐵路西秦嶺特長隧道(全長28 km)和西格二線關角特長隧道(全長33 km)等。目前正在施工的西成客專、向莆鐵路、蘭渝鐵路、貴廣鐵路等均設計了大量的特長隧道。為了保證線路運行平穩，減少運營養護，這些特長隧道全部按鋪設無砟軌道設計。根據國內在建的幾條特長隧道施工情況來看，這些特長隧道建設規模巨大，修建工期較長，為加快施工進度，全部采用“長隧短打”施工方法，一般在隧道全部貫通后，才開始鋪設無砟軌道，這對于非常緊張的施工工期是非常不利的。特長隧道整體貫通前，已貫通段落提前鋪設無砟軌道的研究工作目前在國內沒有先例，也沒有針對性的科學研究成果，是一項突破規范的創新性工作，值得開展進一步研究探討。

本文以西格二線關角特長隧道為加快施工進度所做的科研為基礎，在不完全突破現有鐵路測量規范的前提下，從面臨的技術問題入手，對實施測量的可行性進行研究分析，提出一套解決問題的整體思路和方案，并對項目實施應注意的幾個方面的問題進行總結，從理論上建設性地提出特長隧道整體貫通前先期鋪設無砟軌道的施工測量方法。

1 面臨的技術難題

1.1 規范的限制

無砟軌道工程施工前應按規范要求在CPⅠ、CPⅡ的基礎上建立軌道控制網CPⅢ，軌道施工應以軌道控制網CPⅢ為基準。對于隧道洞內施工測量而言，CPⅡ、CPⅢ將作為鋪設無砟軌道的基準。

TB 10601—2009《高速鐵路工程測量規范》規定:CPⅢ平面網測量應在線下工程竣工并通過沉降變形評估后施測;軌道施工前應對線下工程竣工測量成果進行評估，檢查線路平、縱斷面是否滿足軌道鋪設條件。必要時應對線路平、縱斷面進行調整，以滿足鋪軌要求［1］。

鐵建設［2006］158號《客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南》規定:對隧道基礎沉降作出系統評估，隧道主體工程完工后，變形觀測期一般不少于3個月。

隧道全線沒有貫通，洞內CPⅡ、CPⅢ以及高程控制網無法整體建立，無砟軌道鋪設前的評估工作不能整體進行，隧道整體貫通前先期鋪設無砟軌道的必備條件無法滿足。

1.2 隧道貫通誤差的影響

盡管在隧道施工前已建立了高精度的獨立施工控制網，洞內也建立了施工控制導線網，但由于洞外施工控制測量、洞內施工測量不可避免地存在誤差，導致相向開挖的隧道存在一定的貫通誤差，主要影響包括橫向貫通誤差和高程貫通誤差。一般而言，隧道洞內測量受觀測條件、觀測儀器、觀測方法等因素影響，實際貫通誤差受洞內測量誤差的影響比較顯著。如果貫通誤差滿足貫通限差的要求，貫通誤差在滿足線路設計規范和軌道平順性要求的原則下進行適當調整，就具備了無砟軌道鋪設的條件。隧道貫通誤差是客觀存在的，其大小在隧道貫通前無法準確測量，故隧道的準確貫通是鋪設無砟軌道的前提［1－2］。

1.3 施工中線的多樣性

目前，特長隧道施工基本采用“長隧短打”多個開挖斷面施工，由于測量誤差的存在，各個段落施工中線嚴格而言不在一條線上，與隧道設計的理論中線均有偏差。如果按照已貫通段落施工中線鋪設無砟軌道，將導致與以后段落鋪設的無砟軌道無法平順銜接，甚至根本無法進行調整，可能引起工程修正、返工、甚至廢棄，造成浪費和工期延誤。隧道全線未貫通前，提前實施貫通段落的無砟軌道鋪設，具有一定施工難度，可能將面臨一定的施工風險。

2 實施測量的可行性研究分析

針對上述技術難題，研究人員暫時拋開規范的限制，通過認真仔細地研究分析，結合現有測量方法，從技術理論角度提出了解決問題的思路和方法。

研究發現，解決這一問題的核心就是最大限度地減少測量誤差，建立高精度隧道洞外、洞內施工控制網以及無砟軌道施工控制網，合理確定鋪軌中線。建立隧道貫通誤差最小、無砟軌道鋪設測量誤差最小的保證體系，是解決這一問題的關鍵。涉及到的測量問題包括:

1)隧道洞外施工控制網的建立。包括布網設計、測量精度、各井口間整體建網等［3］。

2)隧道洞內施工控制網的建立。包括測量精度設計、提高洞內測量精度的措施、洞內外銜接測量、各段落導線間銜接測量等。

3)隧道貫通誤差的控制和調整。實現線路平、縱斷面平順銜接。

4)隧道實際施工中線的擬合調整。包括施工中線與理論中線的偏差測量、鋪軌中線的擬合調整、后貫通段落的施工導向、隧道建筑限界核查等。

5)隧道洞內無砟軌道鋪設控制網的建立。包括洞內CPⅢ軌道控制網的建立。

6)無砟軌道施工測量。包括測量精度、分段鋪軌段落銜接測量等。

以上問題研究解決好后，特長隧道整體貫通前先期鋪設無砟軌道施工測量工作就可以實現。

3 解決方案

3.1 整體解決思路

建立和維持高精度的洞外測量控制網，建立隧道洞內專用控制網取代原洞內導線控制網，建立洞內軌道控制網用于軌道鋪設。提高施工測量精度，保證各開挖隧道貫通誤差最小。同時在滿足建筑限界和規范要求的前提下建立線位擬合的數學模型，進行中線擬合，確定隧道貫通中線與原理論中線的偏差，并進行評估，確定后貫通地段中線的理論位置及控制方法。貫通段落無砟軌道鋪設以擬合的線路中線施工，正在施工開挖段落按擬合的中線進行測量導向，保證后貫通段落的中線與已鋪軌段落的中線一致，從而確保隧道整體貫通前先期鋪設無砟軌道的條件。

3.2 洞外施工控制網的復測、加密

隧道洞外獨立施工控制網一般是開工前建立的，控制網建立時間較長，盡管施工過程中也定時復測，但在無砟軌道施工前必須同精度整體復測一次，避免或減弱洞外控制網測量誤差對隧道貫通和無砟軌道鋪設產生不良影響，這也是規范規定。對個別原隧道洞外丟失的控制點需重新埋樁，恢復測量;對個別原控制點不通視、邊長不滿足要求或圖形結構不好的控制點，進行加密測量。復測完成后，需要對以前施測的隧道獨立施工控制網進行系統評價，評價內容包括:1)原隧道控制網建網理論的適宜性、合規性;2)原隧道施工控制網選點、布網、觀測的整體性、合理性;3)原隧道控制測量數據處理的統一性、可靠性;4)原隧道控制網經歷次復測后控制點的穩定性，判斷方法的合理性;5)原隧道控制網成果的可利用性。評價結果作為復測控制測量成果如何采用的依據。一般情況下，隧道貫通后實施的洞外控制網成果將作為洞內控制網的起算依據。

3.3 洞內線路控制網(CPⅡ)的建立

隧道洞內布設專用控制網(CPⅡ)取代原洞內施工導線控制網［4］，CPⅡ點埋設在水溝電纜槽頂部，便于長期保存。建網時考慮兩期網之間的聯測，以便對原洞內施工導線控制網進行檢查。由于隧道尚未整體貫通，洞內線路控制網(CPⅡ)只能通過洞口與斜井口或斜井口之間進行聯測，建立附合條件［5］。可以在隧道貫通段選取最大附合段落進行。正洞和斜井平面控制網采用交叉雙導線方式布設，測量時可以采取補強測量措施，如斜井內短邊設置固定觀測墩或固定觀測簡易支架;適當加大導線邊長;采用高精度、自動化的觀測儀器，提高測角、測距精度;控制點布設要遠離隧道側壁，以減弱旁折光的影響［6］;選取2條最佳進洞聯系邊向洞內同時傳遞方向和坐標，提高傳遞精度等。分段測量的CPⅡ控制網段落之間必須進行銜接測量，將兩段落間相鄰點在上一段落平差成果用于下一段落平差約束點進行平差，以保證CPⅡ控制網成果銜接的一致性。

3.4 洞內中線測量

隧道洞內施工控制網測量誤差會造成隧道施工中線(實際中線)與設計線路中線(理論中線)產生一定的偏差。以CPⅡ為基準實測隧道中線，檢查隧道施工中線橫向偏差，確定是否滿足限界要求［7］。比較隧道洞內高程與原測高程的較差，根據差值大小，可以考慮在預留的施工誤差內解決，或由相關設計專業處理。中線測量要求:1)已掘進地段，每隔一段距離(1 km左右)，實測中線點組的坐標和高程。每處測量3個以上中線點，中線點間距以100～200 m一個為宜;2)從CPⅡ上用導線法或交會法聯測連續2～3個原洞內施工控制導線點，在這些導線點上置鏡，恢復原設計線路中線;3)分中隧道，確定隧道施工中線實際位置，丈量并記錄其與設計線路中線兩者的間距;利用附近CPⅢ或CPⅡ控制點，重新測量并記錄隧道線路中線與隧道施工中線的坐標及高程;4)在隧道進、出口地段、斜井與正線交叉處以及貫通面前后必須聯測施工導線并測量中線點組。

3.5 中線擬合以及鋪軌中線的確定

對隧道已貫通段落施工中線與原設計線路中線平面、高程偏差進行分析、評估，在滿足建筑限界和規范要求的前提下建立線位擬合的數學模型進行中線擬合，確定隧道鋪軌中線以及后貫通地段中線的理論位置及控制方法。與線路、隧道等相關專業結合，對其進行修正或調整。隧道貫通后的鋪軌中線，根據實際貫通誤差大小和設計凈空與建筑限界的富余量來確定:貫通誤差較小時，在該段兩端的相鄰段落約束點之間通過控制網平差直接調整。貫通誤差較大時，在貫通面未襯砌地段局部進行貫通誤差調整，調整包括襯砌、溝槽和無砟軌道中線。隧道貫通段落無砟軌道鋪設以擬合的線路中線 (鋪軌中線)進行施工，正在施工開挖段落按擬合的中線 (鋪軌中線)成果進行測量導向，保證后續貫通段落的中線與已鋪軌段落的中線一致。施工中線與理論中線關系如圖1所示。鋪設段落中線與后貫通段落的中線關系如圖2所示。

圖1 施工中線與理論中線關系圖Fig.1 Relationship between theoretical tunnel centerline and actual tunnel centerline

圖2 鋪軌段落中線與后貫通段落的中線關系圖Fig.2 Relationship between centerline of tunnel section with track laid and that of tunnel section before breakthrough

3.6 隧道關鍵段落凈空斷面以及建筑限界核查測量

隧道鋪軌中線確定后，需要對隧道關鍵段落凈空斷面以及建筑限界進行核查測量［8］，保證鋪軌中線的合理性以及無砟軌道施工的安全性。測量段落主要考慮隧道各個貫通面前后、洞內施工誤差較大段落以及襯砌后可能影響建筑限界的段落。測量要求:1)利用隧道斷面儀或全站儀進行測量;2)關鍵段落凈空斷面密度應增大;3)每個斷面應至少測量8個點;4)測量完成后繪出隧道斷面圖。根據核查測量后的隧道斷面圖與隧道設計斷面圖進行比較，核查隧道施工凈空斷面的實際位置，檢查是否滿足建筑限界規定。其他核查工作還應考慮單洞雙線隧道線間距檢查，水溝電纜槽施工侵限檢查等。

3.7 洞內軌道控制網(CPⅢ)的建立

隧道洞內軌道控制點沿隧道壁兩側間隔50～70 m以點對形式布設，埋設觀測棱鏡強制對中標志，標志離電纜溝頂部30 cm。控制點埋設位置見圖3。

圖3 軌道控制點埋設位置圖Fig.3 Location of track survey control points

洞內軌道控制網(CPⅢ)平面控制測量在洞內CPⅡ控制網的基礎上按照自由設站邊角交會法測量。采用具有自動目標搜索、自動照準、自動觀測、自動記錄功能的全站儀，其標稱精度應滿足:方向測量中誤差不大于 ±1″，測距中誤差不大于 ±(1 mm+2×10－6)。控制網的測量標志采用專用棱鏡與配套的標志連接件，其加工誤差應符合規范規定。洞內CPⅢ高程按照精密水準測量方法和技術要求建立，以矩形環單程水準網進行觀測。

軌道控制網數據處理軟件采用經鐵道部評審的CPⅢ軟件進行。分段測量的CPⅢ控制網段落之間需要進行銜接測量［9］，CPⅢ網區段與區段之間重復觀測應不少于6對CPⅢ點。將兩段落間相鄰點在上一段落平差成果用于下一段落平差約束點進行平差，保證CPⅢ控制網成果銜接的一致性。

4 項目實施應注意的幾個問題

1)特長隧道整體貫通前，對分段已貫通段的隧道先期施作整體道床及鋪設無砟軌道，必須保證分段貫通段的橫向和高程貫通誤差“足夠小”，施工中線才能在設計規范容許的范圍內和較短區間進行中線和坡度調整，這是項目實施的前提條件。

2)項目實施前，應編制詳細實施技術方案，通過建設單位組織的專家評審會評審，保證施工程序合規。正式實施時，施測單位嚴格按照實施技術方案重新復測洞外平面、高程控制網，構建洞內專用平面、高程控制網，用于隧道洞內無砟軌道施工測量。

3)鋪軌中線的確定是項目實施的關鍵環節，應結合洞內中線測量以及建筑限界核查情況，與隧道、線路專業人員充分溝通后，通過中線擬合調整確定，調整后的中線要滿足設計規范原則性規定。隧道后貫通段落以擬合后的中線(鋪軌中線)進行測量導向，使后貫通段落的中線與已鋪軌段落的中線一致。

4)開展洞內控制測量時，要解決施工干擾問題，隧道施工應停止、運砟車輛應停運，保證洞內無明顯震動、無灰塵和光源影響，觀測視線無遮擋物，為洞內測量提供最佳觀測條件。CPⅢ觀測應選擇在陰天或夜間進行，在水霧較大時不應進行觀測。

5)因洞內CPⅡ、CPⅢ控制網為分段測量，分段測設產生的測量誤差會影響無砟軌道鋪設精度。應特別注意各段落間的銜接測量，兩段落間相鄰點在上一段落平差成果用于下一段落平差約束點進行平差，保證各段落間CPⅡ、CPⅢ成果銜接的一致性、整體性。

6)安全起見，已貫通段落無砟軌道鋪設時，與未貫通段落之間應留出一段(不短于500 m)暫不施工，以便進行段與段之間的順接。

7)所有洞外、洞內平面、高程控制點施工單位應妥善保管，定期巡查，避免施工破壞。定期復測，確保成果可靠。

5 結論與建議

綜上所述，在隧道整體未貫通前，先期分段鋪設無砟軌道面臨隧道貫通誤差調整、施工中線的多樣性導致不同段落的無砟軌道無法平順銜接、洞內控制網分段測設帶來的測量誤差，還有洞內測量條件無法滿足對無砟軌道鋪設精度的影響等施工影響和施工風險問題。

特長隧道分段施工無砟軌道在國內尚沒有先例，是一項突破現行鐵路行業測量、打破常規施工組織的新課題。特長隧道整體貫通前能否分段施工無砟軌道，首先要保證滿足規范的要求，同時必須考慮隧道實際貫通誤差大小、洞內測量條件、施工單位的儀器設備精度和測量技術水平能否滿足要求。

本文針對特長隧道整體貫通前先期鋪設無砟軌道施工測量方法進行理論分析和探討，建設性地提出一個整體實施解決方案，旨在促進廣大鐵路設計、測量和施工技術人員通過工程項目實施驗證，不斷研究分析，積累工程經驗，達到加快特長隧道施工進度，縮短建設工期、節約施工成本的目的。

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