長大隧道控制網設計技術探析

韓黨軍 沈延峰

(中鐵一局集團第四工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

在鐵路建設過程中，一般把單座隧道兩端洞門之間長度大于5 000 m以上的稱為長大隧道。此類隧道的準確掘進、貫通誤差以及建成后的線形和輪廓與設計標準是否相符,是隧道施工技術中最起碼的要求，其中貫通誤差是衡量隧道正確施工和控制測量精度的重要指標，對隧道的中線和高程控制有著舉足輕重的影響。而在隧道施工過程中，影響貫通誤差的因素主要有洞外控制測量精度等級、洞內控制測量精度等級、隧道長度。本文根據長大隧道控制測量的建網理論，以大柱山長大隧道工程為例，詳細分析了隧道洞外平面控制網和洞內導線控制網的設計過程，并估算其對貫通誤差的影響，以期為此類隧道施工控制最優方案的選擇和順利貫通提供技術保障。

1 施工隧道工程概況

1.1 總體概況

大柱山隧道是新建鐵路大理至瑞麗大保段站前工程的第三標段的難點工程，位于云南省保山市境內，起始里程DK104+100，終點里程DK135+600，隧道全長14.5 km，屬于長大隧道，輔助正洞施工的平行導洞與隧道正洞基本平行，間距30 m，并沿里程方向每隔500 m與正洞設有橫通道，正洞與平導均由進口與出口相向掘進，中間無斜井及豎井，隧道控制測量難度大，技術要求高，是長大隧道控制網設計的典型案例和突出代表。

1.2 施工隧道控制網的布設情況

1.2.1隧道洞外控制網布設情況

根據設計交樁資料及地形情況，大柱山隧道正洞進口布設3個GPS控制點D278，D279，ZD1；平導進口布設4個GPS控制點：PD1，PD2，PD4，PDW-1；正洞出口與平導出口布設共用4個GPS控制點D313-A,D313-E,CHD,CHD1,布設示意圖如圖1所示。

1.2.2隧道洞內控制網布設情況

大柱山隧道洞內控制網按照傳統的導線網形式布設，正洞進口和平導進口端的導線點分別由洞外GPS控制點引測，正洞出口和平導出口由共用洞外GPS控制點引測，洞內導線點布設成4條邊閉合的導線環，導線點的邊長間距通過方案設計進行確定，布設示意圖如圖1所示。

2 長大隧道控制測量的基本要求

布設長大隧道控制測量時，除了滿足應有統一的坐標基準、先整體后局部等一些基本原則外，隧道洞外控制網和隧道洞內控制網還應滿足下述相關要求。

2.1 隧道洞外控制網的布設要求

目前隧道洞外控制網已基本采用GPS進行控制測量，控制點布設時主要應滿足以下幾點要求：

1)應布設在土質堅硬、視野開闊、不易破壞的地方進行；2)應沿兩洞口連線方向布設成多邊形組合圖形，構成閉合檢核條件；3)每個洞口應至少布設3個平面控制點；4)用于向洞內傳遞方向的洞外聯系邊的邊距不宜小于300 m；5)各控制點之間應盡可能的保證能夠相互通視，以便于向隧道洞內引測導線。

2.2 隧道洞內控制網的布設要求

從實際的施工過程來看，對于長大隧道洞內控制網的設計應多采用傳統的導線網形式，而且導線點布設時應滿足下述幾點要求：

1)布設應在處于施工干擾小、穩固可靠、便于設站的地方；2)點間視線應離旁洞內設施0.2 m以上；3)導線網應布設成多邊形閉合環，每個環由4條～6條邊構成，尤其是長大隧道的布設應成交叉雙導線，以增加內部檢核條件，如圖2所示；4)每個導線邊長應根據實際測量設計確定。

3 施工隧道控制網的優化設計

對于長大隧道而言，進行控制測量的基本原理和方法均大同小異，但各個隧道的施工環境和影響因素又不盡相同，實施的具體方法和手段也存在差異。在隧道縱向橫向、方向和高程貫通誤差中，以目前的測量方法來說，橫向貫通誤差對隧道建筑限界及各建筑物的使用功能影響最大，因此，本文均主要以橫向貫通誤差作為衡量隧道控制測量精度是否滿足隧道施工要求的重要指標，并分別分析計算洞外GPS控制網和洞內導線控制網對隧道橫向貫通誤差影響的大小，優化設計隧道控制網。

3.1 隧道洞外GPS控制網的優化設計

隧道洞外控制網采用GPS進行測量，其洞外橫向貫通誤差主要根據GPS測量的洞口聯系邊測量精度及其定位點坐標精度計算求得，其計算公式如式(1)所示：

(1)

其中，mJ,mC分別為進、出口GPS控制點的Y坐標誤差；LJ,LC分別為進、出口GPS控制點至貫通點的長度；mαJ,mαC分別為進、出口GPS聯系邊的方位中誤差；θ,φ分別為進、出口控制點至貫通點連線與貫通點線路切線的夾角。

大柱山隧道根據隧道各施工的洞口地形條件確定的進洞聯系邊分別為：正洞進口ZD1-D278；平導進口PD1-PD4、正洞出口與平導出口CHD-D313-A，控制網布測時利用GPS按照靜態模式對洞口進洞聯系邊以及其他洞外控制點進行了聯測，以及其他洞外控制點進行了聯測，對所采集的原始數據分析處理后，計算得到的大柱山隧道正洞和平導的貫通誤差如表1所示。

表1 隧道洞外控制網貫通誤差表

由表1可知：隧道洞外所選GPS控制點對貫通誤差的影響均小于規范中65 mm的要求，說明洞外GPS控制點位置合理，能夠滿足規范中貫通誤差的要求，其坐標成果，可以作為隧道洞內控制測量的起算數據。在此基礎上，隧道洞外GPS外業測量時，應注意滿足最少觀測衛星數、采樣間隔、觀測模式、衛星高度截止角、觀測時段長、時段數等要求，并盡量減少由多路徑效應的影響；內業數據處理時，必須在檢核已知點間的兼容性，方可通過檢查重復基線較差、異步環閉合差，進一步進行三維約束平差、二維約束平差后，進行精度統計，確定各項成果。

3.2 隧道洞內導線控制網的優化設計

由于隧道洞內控制網采用導線網進行測量，導線邊間距過長或過短，都會影響導線測量的精度，如何設計好隧道洞內導線網及其導線點間的邊長，對于保證隧道準確貫通至關重要，而隧道洞內橫向貫通誤差主要受測角誤差和測邊誤差影響，其對貫通誤差的影響可按照式(2)～式(4)進行計算：

(2)

(3)

(4)

大柱山隧道洞內導線網在進行優化設計時，借鑒以往施工隧道的經驗，計算導線邊間距為300 m和500 m的情況下，隧道正洞和平導的橫向貫通誤差，以及導線邊間距為300 m，隧道正洞和平導的導線網通過設計橫通道聯測的情況下，隧道正洞和平導的橫向貫通誤差，并進行相互比較，以期確定出導線網測量的最佳邊長間距，計算結果如表2所示。

表2 隧道洞內導線網貫通誤差分析表

由以上比較可以看出：若在大柱山隧道內布設300 m導線邊的雙支導線，隧道正洞的橫向貫通誤差將超過規范要求的105 mm；若在布設500 m導線邊的情況下，隧道的橫向貫通誤差基本能滿足要求；但在布設300 m導線邊的交叉雙導線情況下，通過橫通道聯測正洞導線網與平導導線網間的安全距離后，能夠有效降低隧道橫向的貫通誤差，且在聯測距離和角度后，橫向貫通誤差相對于只聯測距離后的誤差降低較小，因此，對于只從進口與出口兩端掘進的大柱山隧道，在布設洞內導線點時，間距應以500 m為宜，在邊坡點、平曲線半徑影響的區域，可以適當縮短導線點間距，但不得低于300 m。

另外，長大隧道受通風條件的限制，洞內空間分布的粉塵、煙霧、水汽、巖熱、溫差等因素，對精密測角、測距質量的影響極大，如大柱山隧道施工過程中，正洞安裝射流風機通風，正洞與平導的溫差多達7 ℃～8 ℃，形成的氣流對精密測角影響極大，而隧道洞內溫度也不斷變化，最高達35 ℃，導線邊距離測量時，也不容忽視，對于此類影響應采取有效的手段最大化的加以消除或者削弱，可采取以下措施：1)測量前，應提前進行停工，并加強隧道通風，盡可能做到隧道內觀測視線良好，少煙、少塵等情況，使觀測目標成像清晰；2)改善照明環境，防止測量視線上有強光源等、造成旁折光影響；3)在測量過程中，由于通風設備造成的氣流影響測角時，應關閉通風設備；4)測量時，應盡量進行連續測量，防止因為各次環境因素差異，造成測量結果差異。在隧道洞口進行洞內外聯測時：1)應選在夜間或陰天、氣溫穩定的情況下，進行測量；2)隧道洞口置鏡點，宜在每次測量時，重新架設儀器，采集兩組觀測數據。

4 長大隧道控制網復測與調控

在隧道控制網首次建網完成后，還應根據隧道施工情況，定期進行控制網的復測，并不斷發現過程中存在的問題，優化方案，以期達到更好的效果。

1)隧道每開挖到一定長度后，要按照方案設計及時增設導線控制點，增設指導開挖的臨時控制點時，應檢核已知點間的相互關系；

2)應確保需使用的各儀器處于完好狀態，并在檢定有效期內，測量時要做到儀器和外界環境適應后，準確記錄和設置儀器氣象數據，方可開始測量；

3)應按照原設計控制網等級的相關技術要求進行同等級的復測；

4)應充分避免測量過程中的系統誤差的影響，如對點器的對中誤差；

5)在隧道開挖到一定長度后，還應增加陀螺儀測量進行方位角的校正，防止累積誤差過大；

6)數據處理時，應正確設置好中央子午線，投影面高程等信息，進行距離改化后，方可進行平差計算；

7)對于丟失、有位移的控制點應采用同等內插的方法及時新設或更新；

8)應認真分析每次復測完成后的成果資料，統計各項誤差與往期進行比較，發現異常情況查明原因、調整優化方案；

9)隧道貫通時，應聯測貫通面兩端的導線點，并進行精度評定，合限時方可進行貫通誤差的分配，平差處理后的新坐標成果作為未襯砌段隧道的施工依據。

5 結語

對于長大隧道而言，在確保其準確、安全、高效貫通的同時，必須在前期進行準確的隧道控制網方案設計且估算貫通誤差，隨后在施工過程中應根據實際情況不斷按照已經實施的測量結果計算實際誤差，估算貫通誤差與計算的實際誤差進行比較，有異常情況時調整、優化方案，從而確保在實際隧道施工控制過程中，既不會因盲目而提高或降低隧道控制測量的精度，又能保證隧道建筑物如期安全的進行施工。