特長輸水隧洞洞內控制測量關鍵技術研究與應用

賈曉堂

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

隨著測繪技術的迅速發展，隧洞洞外控制測量已經從傳統的導線、三角網測量模式發展到基于GNSS、電子水準等高精度測量模式為主的階段，使得洞外控制點數量大大減少，洞外控制測量誤差引起的洞內橫向和縱向貫通誤差也大大減小。

1 工程概況

某輸水隧洞全長100km，工程主體采用以TBM為主、鉆爆法為輔的聯合施工方法，單向貫通長度最長為15km。隧洞施工中能否在貫通面上精確貫通，隧洞洞內控制測量起著決定性作用。在水利工程測量中，針對100km輸水隧洞進行洞內控制測量的方案研究和設計實踐并不多見。在本工程中，通過建立了特長輸水隧洞洞內施工控制網，使得隧洞精確貫通，實踐證明，這項測量工作切實可行且精度可靠。

2 洞內控制測量方案

2.1 工作內容

輸水隧洞洞內控制測量技術的研究包括五個部分，分別為控制網布設、選點埋石、儀器設備選擇、數據采集和平差計算。搜集國內外長隧洞工程的相關資料，在保證隧洞高精度貫通的前提下，制定一套技術先進、質量可靠、經濟合理而且最適合、最穩妥的控制測量方案。

2.1.1 控制網布設

輸水隧洞洞內控制測量常用的布網方案包括支導線、雙導線網、虛擬導線網、導線環網和自由測站邊角交會網等。根據工程特點，結合現場實際情況選擇應用。

2.1.2 選點埋石

控制點點位的選擇主要考慮三個方面，即距洞壁的最佳距離、不影響施工、便于觀測。標石可分為地面標、觀測墩、洞壁強制對中裝置等，在保證控制點穩固并能夠長期保存的前提下進行標石埋設和建造。

2.1.3 儀器設備選擇

為了確保隧洞精確貫通，選擇的儀器設備有：①Leica TCA2003全站儀，標稱精度：測距±(1+1×d)mm，測角0.5″；②Leica TS30全站儀，標稱精度：測距±(0.6+1×d)mm，測角0.5″。

2.1.4 數據采集

數據采集方法包括方向觀測法、分組方向觀測法、全組合測角法和多測回測角法等。

2.1.5 平差計算

平差計算方法有很多種，例如：經典測量平差方法、序貫平差方法、秩虧自由網平差方法和附加系統參數的平差方法，通過平差結果的對比分析選擇最優的平差計算方法。

2.2 控制網布設

輸水隧洞洞內控制測量因受隧洞形狀和空間的限制，洞內控制網一般采用直伸導線布網方式。但為了克服傳統支導線的缺點，提高導線最弱點精度，目前國內外洞內導線主要以旁點導線、多邊形閉合導線和交叉導線為主，這些布網方式都存在各自的優缺點，但都可提高洞內導線的精度與可靠性。

2.2.1 方案對比

方案1：布設導線環網，如圖1所示。導線環網是一種比較傳統的布網形式，在隧洞控制測量中被廣泛應用，布設簡單，有一定的多余觀測量，控制網的精度均勻，通過較高等級的施測精度，可以保證隧洞貫通。但該觀測方法相對固定，儀器必須架設在控制點上，洞內空間狹窄，觀測視線易被遮擋。

圖1 導線環網示意圖

方案2：布設虛擬導線網，如圖2所示。虛擬導線網布設簡單、靈活，測量工作量小，在國內完成的短距離隧洞工程有許多成功的案例。但對于長隧洞，該方案的多余觀測量少，檢核條件少，控制網精度低，對中誤差偏大，不利于隧洞正確貫通。

圖2 虛擬導線網示意圖

方案3：布設自由設站邊角交會網，如圖3所示。自由設站邊角交會網近年來被高鐵隧洞工程廣泛使用，是較先進的布網方案。控制網圖形強度高，檢核條件多，控制網的精度高且均勻。困難地區也可用其代替三等高程控制網。本方案觀測量較多，對觀測條件要求較高，缺點是外業工作量較大。

圖3 自由測站邊角交會網示意圖

方案4：導線環網與自由測站邊角交會網融合方案，如圖4所示。結合本工程實際特點，為獲得更加優化的方案設計，將方案1與方案3融合使用，揚長避短，在主支洞交叉位置、擴大洞室位置等重點洞段布設自由測站邊角交會網，一般洞段布設導線環網，這樣既保證了控制網的精度不降低，又在一定程度上壓縮了外業工作量。經過論證和實踐，將導線環網與自由測站邊角交會網融合使用，建立如圖4所示的布網方式。

圖4 導線環網與自由測站邊角交會網融合示意圖

方案4具有如下優點：控制網圖形強度較高，多余觀測量多，控制網的精度高且均勻，可保證隧洞的正確貫通。在洞內積水段，可布設自由測站邊角交會網，免去了水準測量工作，提高了外業測量效率。控制網建立后，不會因為洞內施工以及車輛運行導致個別控制點破壞而對整個控制網產生影響。根據洞內條件，可靈活實施數據采集，即保證了測量進度，又不影響施工。本方案相對于其他方案前期投入工作量大，但隨著控制網建立后，后期工作量會逐步減少，在保證了施工精度的同時，提高了整個工程的進度，在一定程度上縮短了工期，具有一定的經濟效益。

所以導線環網與自由測站邊角交會網融合方案為本隧洞洞內施工控制網布設的首選方案。

2.2.2 等級的確定

SL 197—2013《水利水電施工測量規范》中關于隧洞開挖極限貫通誤差、貫通中誤差的分配值見表1、表2。

表1 水工隧洞開挖貫通誤差

表2 貫通中誤差分配值

本工程隧洞最大開挖長度達到15km，已超出SL 197—2013中相向開挖最大長度8km的限制。根據水工設計的要求，參考SL 378—2007《水工建筑物地下開挖工程施工規范》擬定出8km至20km隧洞的貫通極限誤差，見表3。

表3 貫通測量容許極限誤差值

控制網等級應根據控制網的精度對貫通誤差的影響值來確定。隧洞貫通誤差包括橫向、縱向和豎向3個方向的誤差。一般而言，縱向限差要求容易達到，豎向誤差影響隧洞的坡度，應用精密水準測量的方法，也容易達到所需要求。隧洞貫通最關鍵的是解決橫向貫通誤差問題。

洞內導線測量誤差對橫向貫通誤差影響值My，可以通過下式計算：

(1)

(2)

(3)

隧洞單向掘進按最大長度15km進行精度估算，支洞導線平均邊長取300m，主洞內導線平均邊長取600m，邊長相對精度為1/100000，測量組數按一組計算。測距誤差引起的貫通誤差精度影響值myL=±0.0105m，排除掉測距誤差影響值后，分配至測角誤差引起的貫通精度影響值myβ=±0.1997m。

由上述影響值可得：洞內角度測量中誤差達到myβ=±1.78″，規范規定三等精度為±1.8″，滿足貫通精度要求。通過上述分析，可按三等導線精度布設洞內施工控制網。

2.3 選點埋石

2.3.1 選點

選好點位是提高控制網觀測精度、保證成果可靠性、使觀測工作能夠順利進行的重要環節。洞內選點時充分考慮了以下事項：點位盡量設置在施工范圍以外；點位的基礎堅實穩固，易于保存，并有利于安全作業；點位選在便于安置儀器設備的地方；點位距地面及洞壁的距離最佳。

受隧洞洞徑和施工的限制，隧洞洞內導線網均沿隧洞洞壁直伸布設，導致各導線點緊靠隧洞側壁。當在靠近隧洞側壁的導線點上進行觀測時，水平方向觀測值受旁折光的影響顯著，且旁折光對水平方向觀測的影響是系統性的，該誤差具有累積性。經過對大量觀測數據的匯總分析后，確定點位距離地面及洞壁40cm以上，旁折光對測量精度的影響可以忽略不計。因此，點位均選在距地面100～120cm之間，距洞壁40cm以上位置。

2.3.2 埋石

標石可分為不同的類型，如地面標、觀測墩、洞壁強制對中裝置等，在保證其穩固和能夠長期保存的前提下進行標石埋設。根據輸水隧洞的現場條件，采用懸掛洞壁帶有強制對中裝置的觀測墩，或者現場澆筑混凝土標石，其上安裝強制對中基盤。

2.4 儀器設備

儀器設備的選擇對控制網的精度起著至關重要的作用。本工程采用Leica TS30全站儀，同時配備空盒氣壓表3個，溫度計3個。

Leica TS30全站儀具有以下優點：儀器標稱精度高；自動化程度高；可以自動對目標點進行搜索，照準目標，對中觀測，減少人為照準誤差；對洞內的光線強弱沒有要求，可以在黑暗環境下進行工作；工作效率高，相對于其他設備，工作效率提高50%以上。

2.5 數據采集

數據采集方法主要有四種，即方向觀測法、分組方向觀測法、全組合測角法和多測回測角法。根據上述控制網的布網方案以及控制網施測的等級，采用多測回測角法進行數據采集最為適宜。該方法比較靈活，可根據洞內條件選擇測回數及觀測目標，所有目標可同時觀測，數據集中，數據關系清晰。作業時現場測定溫度、氣壓，并輸入到儀器內，儀器自動進行氣象改正。外業觀測過程中要待儀器溫度與外界氣溫一致、成象清晰、目標穩定的情況下開始觀測，如受外界因素(如震動)的影響，儀器的補償器無法正常工作或超出補償器的補償范圍時，停止觀測。儀器與反射棱鏡應按出廠要求配套使用，未經驗證，不得與其他型號的相應設備互換使用。

表4 部分隧洞導線環導線測量精度評定表

3 測量數據平差及精度計算

3.1 平差計算

因隧洞洞內控制網布設成導線環網與自由設站邊角交會網融合的形式，導致觀測量和觀測值種類增加。根據隧洞洞內導線網呈帶狀分布的特殊性，若按常規的洞內控制網數據處理方式，對隧洞洞內導線網進行數據處理，將無法正確反映洞內導線網的實際精度，影響隧洞的正確貫通，甚至對隧洞施工造成影響。因此，應對融合導線網平差進行優化設計，確定最適合本工程隧洞洞內導線網數據處理的平差方法。

為了符合隧洞洞內導線網方向觀測的實際情況，利用各測站的方向觀測數據，通過測站平差計算出各測站內每一個方向觀測值的權，以此來形成間接平差中方向觀測值的權陣，而距離觀測值的權值保持不變。然后，再分別應用常規約束平差算法和赫爾莫特約束平差算法對隧洞洞內導線網進行數據處理，最后采用控制網測量數據處理通用平差軟件包COSA_CODAPS V6.0進行整體平差。結果表明，經過優化設計的整體平差方法與常規平差方法相比，得到的控制網成果精度提高了20%。另外，在平差前需將外業測得的斜距經過加、乘常數改正后的平距按下式歸算到洞線平均高程面上，邊長歸算到工程面后進行導線整體平差。

(4)

式中，D—測距邊水平距離,m；D0—歸算到洞線平均高程面上的測距邊長度,m；Hp—本隧洞洞線平均高程面；Hm—測距邊兩端點的平均海拔高程,m；RA—本區域法截線平均曲率半徑。

3.2 精度評定

最終的精度評定結果見表4，洞內控制網成果中最弱點點位中誤差為10.8mm，測角中誤差最大值為1.6″，導線全長閉合差最大值為1/9.7萬，均高于設計精度要求，充分證明了洞內控制測量方案科學合理、精度可靠，滿足工程需要。

4 結語

特長輸水隧洞洞內控制測量在指導隧洞施工以及隧洞精確貫通方面起著舉足輕重的作用。該輸水隧洞的精確貫通也充分證明了本方案設計科學合理，有較強的應用價值。

在實際應用中，本方案不適宜在長度較短、洞徑較小的隧洞施工中應用。伴隨著我國國民經濟的高速增長，基礎設施建設的投入逐年加大，無論是在水利水電行業，還是在交通、煤炭、高鐵等行業，隧洞工程會越來越多，隧洞的長度越來越長，測量難度也會越來越大，本項目的設計實施能夠為以后的特長隧洞洞內施工控制網測量提供一定的理論依據。