水利工程長隧洞貫通測量方法研究

向垂規 李有華

摘要：本文根據水利工程隧洞貫通誤差值的最新規范要求，分析了隧洞貫通測量誤差的主要來源及減小誤差的方法，結合工程案例對隧洞貫通測量的測量方案、測量儀器、誤差值估算等方面進行了研究，對隧洞貫通測量的技術設計及施工放樣有一定的借鑒作用。

Absrtact： According to the latest specification requirements of tunnel penetrating measurement error in hydraulic engineering， this paper analyzes the main sources of tunnel penetrating measurement error and the methods to reduce the error， and combined with engineering cases， the measurement scheme， measuring instrument and error value estimation of tunnel holing survey are studied， which is a reference for technical design and construction of tunnel penetrating measurement.

關鍵詞：水利工程；長隧洞測量；貫通誤差

Key words： hydraulic engineering；long tunnel measurement；penetrating error

中圖分類號：TV221.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）10-0120-03

0 引言

水工隧洞是水利工程建設中為滿足導流、泄洪、灌溉、引水、排沙等需要修建的水工建筑物。按用途可分為引水洞，導流洞，泄洪洞，排沙洞，放空洞等。隨著中、大型水利項目的開工，越來越多的長大水工隧洞被相繼開挖，而測量工作是水工隧洞順利貫通的重要保障。在設計階段，要進行洞外控制網的布設；在施工階段，要復核原有洞外控制網是否滿足貫通要求，隧洞開挖時要布設隧洞內的施工控制網。

目前，涉及水利工程隧洞測量的規范[1、2]一般只對相向開挖長度介于0～20km的隧洞貫通精度進行了規定，如長度超出20km的隧洞則要求單獨做控制測量技術設計，而新的《水利水電施工測量規范》[3]（SL52-2015）對相向開挖長度0～50km的隧洞貫通測量極限誤差值做出了明確要求，并對相向開挖長度0～50km的水工隧洞貫通中誤差值進行了分配。本文根據水工隧洞測量新技術、布網新方法，就減小貫通誤差影響進行了研究，并結合工程實例對新規范中貫通中誤差值的分配進行了驗證。

1 隧洞貫通誤差

1.1 隧洞貫通誤差的來源

目前，隧洞洞外平面控制測量一般采用GNSS網取代傳統的導線網及三角形網，洞內平面控制測量一般采用導線網或邊角網；洞內、洞外高程控制測量，一般采用精密電子水準測量或光電測距三角高程測量進行。

隧洞測量時，由于受地面、地下控制測量誤差的影響，使得隧洞貫通面的中線與設計產生偏移，即產生貫通誤差。隧洞的貫通誤差包括橫向、縱向及豎向三個方向的貫通誤差。按來源環境又分為洞外貫通誤差及洞內貫通誤差。

縱向和橫向貫通誤差主要由洞外GNSS網誤差、聯系測量誤差及洞內導線測量誤差引起。其中，縱向貫通誤差主要由洞外的GNSS網測量及洞內的測距引起，對工程貫通影響不大，也能較好地控制，本文不做分析。豎向貫通誤差主要由采用精密電子水準測量時水準儀的精度、大氣折光等因素引起或采用三角高程測量時的照準誤差、折光系數誤差及地球曲率影響引起，由于水工隧洞的特殊性，如豎向誤差超出限差，會引起水流變緩或出現倒坡，導致隧洞的過流及承壓發生改變，甚至使隧洞不能順利貫通。橫向貫通誤差主要由洞外GNSS網測量、聯系測量及洞內導線測量引起，主要誤差有測距誤差、測角誤差、垂線偏差、對中誤差及旁折光誤差。其中，測距誤差對橫向誤差影響極小，測角誤差和對中誤差對橫向誤差影響較大，隧洞的主支洞高差較大時，垂線偏差對方位角有影響，而氣象因素引起的旁折光對控制網的橫向誤差也有一定影響[5]。

1.2 隧洞貫通誤差值得確定

一般情況，根據隧洞相向開挖長度（包括支洞長度）來確定橫向、縱向及豎向相應的貫通中誤差值的大小[3]，最新的《水利水電施工測量規范》（SL52-2015）是國內首個對長度超過20km的隧洞貫通精度做出明確要求的規范，給出了相向開挖長度50km以下水利工程隧洞貫通容許誤差值的分配，其值如表1所示。如相向開挖長度大于50km的隧道則需做專門技術設計。當在主斜洞內貫通時，縱向誤差按橫向誤差值的大小確定，對于上下兩端相向開挖的豎井，其極限誤差值不超過±200mm。

從表1中可以看出，橫向和縱向貫通容許極限誤差取值相同，豎向貫通要求極其嚴格，極限誤差值為橫向及縱向貫通極限誤差值的三分之一左右。

進行隧道貫通測量設計時，一般取極限誤差的二分之一作為貫通面上的貫通中誤差。在《水利水電施工測量規范》（SL52-2015）中，根據隧洞相向開挖的長度，橫向、豎向及縱向的貫通容許極限誤差值和貫通測量中誤差值按權函數法進行分配并做了適當的調整[6]。隧洞開挖時各項貫通中誤差分配值如表2所示。

1.3 減小貫通誤差影響的方法

對于洞外GNSS網，通過優化控制點布設、采用雙頻三星接收機、進行星歷預報、增加觀測時段、增長觀測時間和利用精密星歷解算等措施，可大大減小洞外GNSS網對橫向貫通誤差的影響[6]。

水工隧洞斷面一般較小，測量時要面臨高溫、高壓、高濕度及多粉塵的影響，洞內平面控制只能布設成邊長短而狹長的導線網，測量時可通過增加照明度、通風降塵、保持儀器干燥、嚴格規范操作、增加檢核條件等方法減小貫通誤差影響。操作儀器時，每站限差檢核合格后再搬站。為增加檢核條件，洞內平面控制網可布設為洞內交叉雙導線網或自由測站邊角交會網；布點時盡量避開洞壁側邊，減小旁折光的影響。

聯系測量時洞外高等級控制點至少有一點與洞內通視，高差不要相差太大，定向邊應有足夠的長度，以減小洞內橫向貫通誤差的影響。為避免施工的影響，洞口的控制點應布置在不受施工影響的位置，并埋設強制對中觀測墩。

洞內導線點分別埋設貫通用的基本導線點和放線用的施工導線點，基本導線的邊長應盡量的長且近似相等，施工期間應定期檢核基本控制點的精度。當隧洞單向開挖長度大于8km時，加測陀螺方位角能減小橫向誤差的影響[3]。

光電測距三角高程觀測時，采用對向觀測，能有效的消除球氣差的影響；往返測選取氣象條件相近的時段進行，能削弱大氣折光的影響。

2 應用實例

2.1 工程簡介

蒙自市楊柳河引水隧洞工程位于蒙自市鳴鷲鎮，地理位置為東經103°33′～103°40′，北緯23°25′～23°28′，隧洞全長9.88km，隧洞軸線平均高程1830m，洞內設計坡比1/1000，隧洞穿越區地形復雜，植被茂密，最高海拔2030m。云南省紅河州水利水勘察設計研究院承擔了該工程的勘察設計工作，通過該工程引水入菲白水庫，為蒙自市城區供水提供保障。

2.2 洞外平面控制測量

引水隧洞坐標系統采用獨立平面直角坐標系，投影面為隧洞平均高程面，中央子午線采用過測區中央的子午線103°35′。洞外平面控制測量采用GNSS測量，施測等級按三等進行，儀器采用南方測繪S82-T型GNSS雙頻接收機，靜態標稱精度為5mm+1ppm，滿足《水利水電工程測量規范》（SL197-2013）[4]要求的10mm+5ppm技術要求。

洞外控制網布設在滿足精度要求時主要考慮網型的可靠性，作業效率，施工階段方便對洞外控制點的使用及聯測[7]。GNSS控制點選在土質堅實，視野開闊，遠離高壓線，便于加密、交通便利的地方。洞口控制點滿足導線測量進洞引測需要，視線距障礙物的距離不受旁折光的影響。靜態觀測時，先檢查接收機，進行儀器的自測試，每站記錄測站名，儀器編號，天線高及觀測時間等信息，同步觀測時間長度大于90分鐘。

在GNSS控制網基線解算前，先進行外業數據質量的檢查，再進行基線解算；基線解算合格后，進行無約束平差及約束平差計算；最后進行精度分析與評定[8]。該工程根據地形條件采用邊連式共布設12個GNSS控制點，網中共有32條基線參與平差計算，閉合環最大節點數為3個，閉合環總數32個，其中，同步環總數20個，異步環總數12個。二維網約束平差后最弱邊相對中誤差1/362607，精度滿足《水利水電工程測量規范》（SL197-2013）中小于1/80000的要求；對于近10km長的隧洞，對貫通誤差的影響值中誤差為10km×1/362607=±28mm，小于規范要求的±30mm，且控制網中其它邊的精度均高于最弱邊相對中誤差，因而洞外GNSS控制網對貫通誤差影響值中誤差要小于±30mm。

2.3 洞內平面控制測量

洞內平面控制測量基本導線布設為交叉雙導線網，控制網的等級按三等施測，儀器采用徠卡TS09型全站儀進行，測角標稱精度為1″，測距標稱精度1.5mm+1.5ppm。觀測時，角度至少進行2～3次重復觀測，每次照準讀數差小于4″；角度測回數為6個，一測回讀數較差小于3mm；邊長進行往返各2次測量，往返較差小于5mm，滿足測角中誤差小于1.8″，導線平均邊長相對中誤差小于1/150000的技術要求。

洞內三等導線網橫向貫通誤差估算按下列公式計算[3、9]：

該工程為直線型隧洞，中誤差估算時洞內平均導線邊長按500m計，洞徑為3m，設貫通面位于隧洞中間，采用交叉雙導線對橫向貫通的誤差影響值可按單導線的1/計，把數值代入上式計算得洞內橫向貫通中誤差為±52mm，小于規范要求的±75mm。從上面計算中可得，對于直線型隧洞，測距對橫向貫通的影響可忽略，橫向誤差主要誤差來源是測角的影響。如要減小測角引起的貫通中誤差，可從增加導線邊長、增加獨立觀測次數、采用更高精度測量儀器等方面進行。

該工程在施工階段，設計方對施工方進行了技術指導，并在臨近貫通面時進行了洞內外控制點的復測、聯測及統一平差，隧洞貫通時貫通面中誤差小于規范容許值的要求。

2.4 高程控制測量

由于該工程地處高原、地形復雜，洞外，洞內高程控制測量采用三等光電測距三角高程測量代替水準測量[3、4]。洞外測量路線滿足交通便利、盡量利用平面控制點，洞內高程控制點與平面控制點共用。測量時，采用對向觀測方法進行，以消除大氣折光和地球曲率對高差的影響。平差計算時，要進行氣象、邊長投影、邊長加乘常數等項改正。

洞外，洞內高程測量誤差對豎向貫通誤差的影響按下列公式計算[3、5]：

該工程洞外高程控制測量平距長度為12km，洞內高程控制測量平距長度為10km，三等每千米高差中數中誤差為6mm，代入上式得洞外豎向貫通中誤差mh外=±20.8mm，洞內橫向貫通中誤差mh內=±19.0mm，豎向貫通中誤差Mh=±28.2mm。其中，洞外豎向貫通中誤差值稍大于容許值±20mm，但小于容許極限誤差值±40mm，所以，洞外、洞內高程控制測量可用光電測距三角高程測量代替相應等級的水準測量進行。

3 結束語

水利工程隧洞貫通測量是按設計的要求，將洞外控制點引測至洞內，并按照貫通誤差的估算，在建立地面和地下平面及高程控制網的前提下進行施工放線及指導施工開挖。由于采用GNSS技術，測量精度有了很大的提高，洞外平面控制點數量大大減少，使得洞外控制測量誤差引起的貫通誤差也相應減小。在嚴格控制洞外平面控制測量精度的前提下，洞內平面控制測量對于隧洞的順利貫通起決定性作用。高程控制測量采用光電測距三角高程測量代替三、四等水準測量，在山區及復雜地形條件下能較好的提高工作效率。結合新規范要求在工程實例中進行水利工程長隧道誤差值的估算，對隧洞貫通測量的技術設計及施工放樣有一定的借鑒作用。

參考文獻：

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[5]劉永林，陳永彰，李曉明，等.特長輸水隧洞工程設計研究[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[6]張正祿，張松林，伍志剛，王衛國，周通，張國良.20～50km超長隧道（洞）橫向貫通誤差允許值研究[J].測繪學報，2004，33（1），83-88.

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