山西省中部引黃工程施工測量監測原理及方法

劉瑛,史國強(太原市勘察測繪研究院,山西太原 030002)

山西省中部引黃工程施工測量監測原理及方法

劉瑛?,史國強
(太原市勘察測繪研究院,山西太原 030002)

摘 要:山西省中部引黃工程包括取水工程、總干線、東干線、西干線以及各供水支線輸水工程。大部分工程為隧洞工程,線路總長384．5km,屬于長距離隧洞工程。為了保證隧洞能夠正確貫通,有必要對施工過程進行及時、準確的監測,包括控制點及隧洞軸線監測。針對該工程本文提出了具體的監測方法和評價標準,利用精密全站儀對施工控制點、隧洞設計關鍵坐標進行復測,對工程建設參與者的施工測量工作進行監控、監督和評價,并提出相應的管理措施,確保隧洞工程能夠順利貫通。

關鍵詞:施工測量監測;導線測量;三角高程測量;正確貫通

1 工程概述

山西省中部引黃工程是山西省“十二五規劃”大水網建設中一項重要的工程,包括取水工程和輸水工程。取水工程位于保德縣境內,進水塔位于天橋水電站庫區上游棗林溝入黃河溝口處左岸,距天橋水電站樞紐約1．4 km。輸水工程包括總干線、東干線、西干線以及各供水支線輸水。輸水線路總長384．5 km,總干線長200．22 km,東干線長28．76 km,西干線長85．70 km,支線長69．82 km。

本工程以隧洞為主,穿越呂梁山脈,山大溝深、地形條件復雜,設計中很難完全掌握工程地質、水文地質狀況,在整個隧洞施工測量過程中,僅僅簡單地遵循規范規定、設計文件顯然不夠。在充分理解規范本意和設計意圖的基礎上,根據調查、分析的結果以及隧洞工程施工的特點,提出符合工程實際的施工及測量方案,進而確保工程施工質量。

受山西省中部引黃工程管理局委托,我院承擔了山西省中部引黃工程全線的施工測量監測,主要是監測各施工單位所做洞內導線控制點的平面和高程精度是否符合設計和水利水電規范要求,保證隧洞能夠順利貫通,不出現重大測量事故。

2 監測的主要內容

監測的主要內容包括隧洞外首級控制點的精度、埋設情況和洞內所做導線點的精度、埋設情況是否滿足施工設計要求。其中,洞外控制點一般都在山頂不帶水準高程,只檢測平面精度;由于引黃工程主要以隧洞為主,大多通過支洞進行對向開挖。主洞平均坡度為1/3000,而支洞坡度較大,一般可達到20%甚至40%以上,高程測量難度較大,故此次高程監測主要是對支洞口到支洞主洞交叉點的高差進行監測。另外,我院還針對施工方所使用的測繪資料的正確性、完整性以及測量方法的正確性等進行監督,在本文中不做過多的闡述。

2．1隧洞外首級控制點監測

按照水利水電工程測量規范,隧洞外需埋設至少三個首級控制點,一般為GPS點。洞外主要是通過靜態觀測,測定三個點的兩條邊長以及兩邊夾角是否滿足首級點的精度要求,并計算控制點的位移,綜合判定是否需要重新進行復測。

邊長監測值精度應滿足水利水電施工各等級GPS控制點的精度要求,測角與測邊的精度匹配應符合式(1)[1]:

式中:mβ為相應等級控制網的測角中誤差,單位為″;ms為測距中誤差,單位為m;S測距邊長,單位為m;ρ為常數,其值為206265″。

2．2隧洞內導線點監測

(1)平面監測

平面監測主要監測導線點的埋設是否合理。用支導線的方法測出導線點的坐標,再根據導線點與隧洞軸線的相對位置關系,確定主洞軸線的,計算當前測量軸線與設計軸線的偏差,判斷是否滿足規范要求。

(2)高程監測

高程監測主要監測支洞口到支洞主洞交叉處的高差。

3 監測原理及方法

3．1監測的原理

為了提高監測的精度,必須考慮溫度、氣壓及相對濕度對測距的影響,進而對邊長進行改正;施工坐標系投影面與控制點高度不一致,因此需要進行投影改正;另外三角高程測量必須考慮地球曲率與大氣折光對測距及測角的影響。下文將詳細闡述三者對導線測量精度的影響以及改正方法。

(1)投影改正

由于全線主洞高程在940 m左右,故施工坐標系的投影面選擇高程為940 m的平面。由于工程全線大多屬于山區,地表高度遠超過主洞高程,因此必須把實測邊長投影到施工坐標系所在的平面上,投影公式如下:

式中,S為實測邊長,△S為邊長投影改正數,H為兩控制點的平均高程,R為地球平均曲率半徑,該值為6 371 km。

(2)氣象改正

隧洞外控制點之間的距離一般都較遠,為了提高導線邊長的精度,須進行氣象改正即TPS改正。氣象條件包括溫度、氣壓及相對濕度,其中相對濕度對測距的影響很小,這里主要討論溫度和氣壓對測距的影響。溫度和氣壓對距離的影響如式(3)所示:

式中,t為溫度,單位為℃;P為氣壓,以hPa(百帕)為單位;D′為觀測距離,以km為單位;Dtp為改正數,以mm為單位。

由式(3)可以看出,一般氣象條件下,對于1 km的距離,溫度變化1℃所產生的測距誤差為0．95 mm;氣壓變化1 hPa所產生的測距誤差為0．27 mm。

(3)球氣折光改正

球氣折光改正是地球曲率與大氣折光改正的簡稱,主要對三角高程測量影像比較大,二者對高差的影響稱為球氣差。考慮到球氣差計算三角高程的公式[2]如下:

式中:hAB為儀器與目標之間的高差;S0為兩點之間的水平距離;K稱為大氣垂直折光系數,另1-K=C, 2R 則C一般稱為球氣差系數;i為儀器高,v為棱鏡高。K值是隨地區、氣候、季節、地面覆蓋物等條件不同而變化的,要精確確定它的數值,目前尚無相關辦法。K值一般取0．08～0．14之間。

3．2監測的方法

(1)監測的技術指標

洞內導線點按照水利水電施工測量四等導線的技術標準實測,主要技術指標[1]如表1～表3所示:

水平角方向觀測法技術要求 表1

測距作業技術要求 表2

垂直角觀測技術要求 表3

(2)監測的方法

洞內控制網觀測采用單程雙轉點法進行。先在全站儀中將觀測程序和限差設置好,然后按照控制網圖由洞外向洞內逐站觀測。

如圖1所示:設支洞A已進入主洞,需要檢測。檢測時,由洞外已知點A開始,測洞內導線點a1,a2并記錄,測至a2時,必須測量支洞A和主洞交接處的坐標;隧洞繼續向前延伸,當是施工至主洞拐點處時,需進行檢測。此時,在確保a2點無誤情況下,從a2點開始,測量a3,a4導線點,測至a4時,須測量主洞拐點坐標;當主洞施工至離貫通面100 m左右時,需要檢測。此時,在確保a4點無誤情況下,從a4點開始,測量a5導線點,并測定主洞中線;測定主線時至少測3個點。

觀測時一定要注意以下事項:

①觀測前應先檢查電池電壓是否符合要求,應待儀器溫度與外界氣溫一致后開始觀測。另外,測距前在儀器里輸入正確的氣壓、溫度、相對濕度。

②應在成像清晰、穩定的情況下進行。

③反射棱鏡背面應避免有散射光的干擾,鏡面不得有水珠或灰塵沾污。

圖1　實地監測示意圖

④觀測時各項觀測限差應符合表的規定,若出現超限時,應重新觀測。

⑤當觀測數據出現分群現象時,應分析原因,待儀器或環境穩定后重新進行觀測。

⑥量取儀器高、目標高一定應進行三次測量,互差最大不應超過2 mm,然后進行取平均值。

(3)導線計算

導線計算按照導線計算公式,采用左角或右角。計算過程中角度、距離必須采用平均值,其中距離采用正反測平均值。如果導線點的高程與施工坐標系所投影的平面高差比較大必須進行邊長改正,改正方法如式(2)所示。

三角高程計算公式參照式(4),計算所采用的數據必須是均值,由于三角高程采用的是對向觀測,最終兩點的高差采用正向和反向的平均值,對向觀測兩點之間的閉合差必須滿足國家二等水準規范,L為兩點間的平距。

4 監測方法的精度

《水利水電工程施工測量規范》(SL52-93)中表4對貫通誤差的限差及貫通中誤差分配值有明確規定[1]。

工隧洞開挖貫通誤差 表4

在進行貫通測量設計時,可取極限誤差的1/2,作為貫通面上的貫通中誤差,根據隧洞長度,各項測量中誤差的分配,應符合表5的規定。=0．7″,我們假設中誤差設影響為1″,誤差全部分布在橫向上,對橫向的影響每站為1．6 mm,11站共計影響為17．6 mm,小于限差40 mm,能夠達到精度要求。

通中誤差分配值 表5

4．2高程監測的精度

三角高程測量的精度有式(4)可知,影響三角高程的因素主要球氣折光系數、儀高、鏡高的量測精度,由于距離比較近地球垂線偏差影響較小[4,5],暫不考慮。

由于是對向觀測,則A、B兩點的高差為:

4．1平面監測的精度

此次監測使用的儀器型號為徠卡TS30,精度指標0．6+2 ppm×D,測角中誤差0．5″。設相鄰導線點間的距離為300 m,支洞口到貫通面的距離一般為3．5 km,共需架設11站。由于對中誤差,設每站對測距的影響為0．2 mm,由于是單程雙轉以及對向觀測,同一條邊我們觀測四次,故對中誤差對一條邊的影響為0．1 mm,11站共計11 mm。按照TS30自身的精度11站共計對邊長的影響為16．6 mm,兩者相加共計為27．6 mm,全部分配到縱向上由表6可以看出能夠滿足要求。角度每站影響為0．5″,因為對中誤差能夠控制在1 mm以內,可得每站對中誤差對測角的影響為

將式(4)帶入式(5)得:

由式(6)可以看出,采用對向觀測高差的影響是受△K的影響而不是K值取值,如果對向觀測時間相距較短,則K值不會發生太大的變化,故其對高差的影響可以忽略不計。由儀高、鏡高量取造成的誤差,我們可以通過多次測量實質降低到最小,在下面暫不考慮。

根據誤差傳播定律[3],對式(6)進行微分整理得:

式中:mh為對向觀測高差中誤差,單位為mm;mL為測距中誤差,單位為mm;mα為測角中誤差,單位為s;L為平均距離,單位為km;ρ為常數206 265 s。

觀測時我們采用多測回測角測距,測回數為4,儀器型號為TS30,精度指標為0．6+2ppm×D,測角中誤差為0．5″。根據誤差傳播定律[3]得,測角中誤差為mα= 0．25″;同理測距精度mL=0．3+1 ppm×D。

將以上理論精度帶入式(7)得表6:

不同邊長不同垂直角的對向觀測中誤差(mm) 表6

由表6可知,在距離小于1 km的情況下,對向觀測中誤差在垂直角不超過17°時高差中誤差mh為0．880 mm,小于國家二等水準規定的1 mm。此次監測,主要監測支洞口到交叉處的高差,支洞長度一般不超過1 km,能夠滿足工程的精度要求。

5 結 論

通過近兩年的現場實地監測,發現各個標段測量人員技術水平參差不齊,測量精度較差的標段往往是測量部門管理比較混亂,測量人員不按照相關規范進行作業。如出現最大誤差的標段,主洞掘進1．8 km,偏離值已經達到40 cm,主要原因是測量員不按規范以導線形式進行布設導線點,只是簡單的采用對中桿測定導線點的坐標,且儀器不按規范定期進行檢校。為確保引黃工程的順利貫通,防止出現重大測量誤差,很有必要進行第三方監測,堅強對施工方測量資料的準確性以及測量精度的監測。

本工程所采用的監測方法在滿足工程精度要求的情況下,能大大提高工作效率。在實際監測中,及時發現了測量精度嚴重超限問題,避免了重大測量事故的發生。另外所監測隧洞,已有部分順利貫通,如21標2#與3#支洞,勘探實驗標12#支洞與出口,蒲大支線進口與出口等,貫通誤差均在限差之內。

參考文獻

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The Construction Measuring Principle and Method for Monitoring of Middle Yellow River Diversion Project in Shanxi Province

Liu Ying,Shi Guoqiang
(Taiyuan Institute of Surveying and Mapping,Taiyuan 030002,China)

Abstract:The middle diversion project of Yellow River in Shanxi Province includes the water taking project,main line, east line,west line the other water conveyance project of each water supply branch．The total length 384．5 km,and most of work is in tunnel,which is a long-distance tunnel project．In order to make sure that the project can be finished smoothly,it is necessary to monitor the project accurately and timely,including the survey of control points and tunnel axis．In this paper,we provide a specific monitoring method and evaluation criterion for the project,including the way of the repetition measurement of construction control points and critical design points of the tunnel,and the evaluation method for workers who participate the project,providing the management measures to make sure the successful completion of the tunnel．

Key words:construction survey monitoring;traverse survey;trigonometric leveling;cut-through

文章編號:1672-8262(2015)06-143-04中圖分類號:P258

文獻標識碼:B

收稿日期:?2015—09—21

作者簡介:劉瑛(1979—),男,工程師,主要從事工程測量工作和測量項目管理工作。