青草沙島域段隧道貫通控制測量技術研究

鄒錕

摘? 要：青草沙島域段隧道工作井深度大、圓弧多，貫通測量難度較大，本文首先對本工程分析了控制測量中每個環節的設計精度。以1-2井東線地下導線的實際測量數據為例，通過各種導線分析方法，判斷出1-2井東線導線的測量成果中的問題，并證明地面GPS控制測量和地下導線聯系測量的完成和偏差均符合設計要求。文末提出保證隧道控制測量精度的幾點措施，保證了剩余隧道的橫向貫通誤差控制在±50mm之內。

關鍵詞：橫向貫通誤差? 豎井聯系測量? 精度分析? 質量控制

中圖分類號：U452.1 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（c）-0029-04

Abstract： The tunnel working well in Qingcaosha island area has a large depth， many arcs， and it is difficult to make through survey. Firstly， this paper analyzes the design accuracy of each link in the control survey of the project. Taking the actual measurement of the underground traverse data of the east line of well 1-2 as an example， through a variety of traverse analysis methods， it is concluded that the connection survey of the east line of well 1-2 has obvious deviation， while the underground traverse survey and the ground GPS have obvious deviation conclusion that the control measurement meets the design requirements. Finally， the measures to ensure the accuracy of the tunnel control survey are put forward， which can ensure that the transverse through error of the other sections of the tunnel is within 5cm.

Key Words： Horizontal penetration error; Shaft connection measurement; Accuracy analysis; Quality control

青草沙島輸水管道工程位于長興島，是連接長江過江原水管道工程與上海青草沙水庫的重要設施。項目起于青草沙水庫大壩的閘門，至長江原水交叉管井。其中，主體工程隧道內徑為Φ5500mm，外徑為Φ6400mm。包含過江管島域工作井[1號井]，盾構中間風井[2號井]以及水庫出水輸水閘井[3號井]，東線和西線共計4個盾構隧道區間長度分別為2.5km和2.8km。1號井（豎井聯系測量井）深36m，凈寬21m。其中1號井至2號井區間軸線有多個不同曲率半徑的圓弧，且均位于盾構推進起始端的1km內，采用由我國自主研制生產的外徑6.62m盾構機，隧道洞門圈直徑為6.8m，與盾構機外徑空隙為90mm。由于隧道工作井深度較深，所以使測量工作非常困難。本項目測量的橫向貫通誤差為《城市軌道交通測量規范》中規定的±50mm。隧道貫通誤差預設組成為：（1）地面控制測量誤差m1為±25mm;（2）豎井聯系測量值誤差m2為±20mm;（3）井下導線測量誤差m3為±30mm;（4）盾構機姿態測量誤差m4為±20mm;（5）洞門圈中心測量誤差m5為±10mm，5個部分。

1? 控制測量環節設計精度分析

由于盾構機姿態測量誤差、洞門圈中心測量誤差為固定誤差，且不具備傳遞性。本文主要討論控制測量誤差產生的其他主要環節，即（1）地面控制測量誤差（m1）;（2）豎井聯系測量誤差（m2）;（3）井下導線測量誤差（m3），現在根據各個誤差的分解分析這些部分中的關鍵測量過程，確定適當的測量方式。

1.1 地面控制測量

本項目首級控制采用GPS控制網，其技術指標采用《城市軌道交通測量規范》中規定的衛星定位控制網的主要技術指標和基本技術要求，其中平均邊長不小于2km、最弱點的點位中誤差不超過±12mm、相鄰點的相對點位中誤差不超過±10mm、最弱邊的相對中誤差不超過1/100000、與現有城市控制點的坐標誤差不大于50mm，保證了地面控制網測量產生的誤差對最終貫通誤差的影響值控制在±25mm之內。

1.2 豎井聯系測量

豎井聯系測量包括將兩根鋼纜懸掛在軸上，并確定鋼纜與軸上控制點的距離和角度，以便計算出軸的坐標、鋼絲的坐標以及它們之間的方位角。眾所周知，可以通過測量和計算獲得地下導體點的坐標和方位角，如圖1所示。井下標點的初始位置為：

如圖1所示井上測量值為：W，γ，α，b，c。α由計算得到，井下相同。

實際測量時，由于γ角是近似0°的角，而必需控制在1.5以內，因此α角也近似0°，則cosγ≈1，cosα≈1，代入上式并顧及，得：

按照誤差傳播定律，測距誤差及測角誤差為影響α角精度誤差的兩個部分：

取本項目近似數據，γ值取30′，c值取20m，取0.5，ms取1mm，則可得mα1=0.1"，由此可得α角的誤差值主要取決于γ角的測角精度，而受測距誤差影響很小。如設測距誤差忽略不計，則：

設由于豎井聯系測量造成的井下起始邊方位中誤差為m2α（即A'M'邊的方位中誤差），則可得·ρ=1.65"（其中m2值取±20mm，L值取2.5km）。設豎井聯系測量中測角中誤差為m2β（即γ角的測角中誤差），則可根據誤差傳播定律、式（2）及式（6）可得：

按照以上分析可以看到，在豎井聯系測量中，水平角觀測必須按照國家《精密工程測量規范》中二級測角控制技術之要求施測，才能達到豎井聯系測量的預設精度要求，即測角中誤差不得大于±0.71"。

1.3 井下導線測量

在井下導線測量中，以目前采用的高精度全站儀精度水平，在保證導線長度、測量環境（無高溫、振動影響）、通視良好的情況下，測距誤差較小，且主要為縱向誤差的產生，因此本文對井下導線測量中測角誤差對橫向貫通誤差的影響進行分析。

支導線端點橫向誤差mu1公式為：

式中m3β為井下導線測角中誤差，根據實際工況L值為導線總長度，取2.5km，n為導線條數取15，mu1取井下導線貫通橫向誤差設計值±30mm，得：

按照以上分析可以看到，在井下導線測量中，水平角的觀測也必須按照國家《精密工程測量規范》中二級測角控制技術之要求施測，才能達到井下導線測量的預設精度要求，即測角中誤差不得大于±0.71〞。

2? 實測數據分析

實際施工中1號井至2號井區間東線率先貫通，盾構機到達2號井時，實測的橫向貫通誤差87mm，可以看出貫通過程中側向偏移較大（洞門預留間隙為90mm），因此盾構機吊拆之后，將1號井至2號井區間東線井下導線K1～K16連接至2號井的井下起始邊K2-1～K2-2以形成附合導線（總長度約為2.5km）進行復測，并分析誤差。連接的導體上總共有18個點，點號為K1～K16，K2-1，K2-2，其中K1～K2是1號井東線井下導線起始邊。K2-1～K2-2是2井的井下導線起始邊（即2號井～3號井區間東線的起始邊）。

2.1 附合導線數據分析法

將K2-1～K2-2及K1～K2設定為起始邊，以附合導線線路方式對導線進行平差計算，得到附合導線角度閉合差為11.7"。設角度閉合差為△β，其計算公式為：

假定附合導線兩端起始邊由于豎井聯系測量引起的方位中誤差相同，均為mα起·ρ=1.65''則可得mα起;地面控制測量造成的角度閉合差設為mα控，則可得mα控·ρ=2.06";因此，如井下導線角度測量的設計最大中誤差m3β=1.1"，則可得導線角度閉合差中誤差，=5.39"而根據前文對該導線的平差計算，實際角度閉合差為11.7"，大于2m△β，由此判斷導線中必定存在較大的誤差。

2.2 支導線數據分析法

按照上述判斷導線中存在較大的誤差，分析有兩個可能的誤差原因：（1）導線兩端方位角由于豎井聯系測量而存在起始誤差;（2）井下導線測量中產生的累積誤差。利用導線一端的起始邊，應用支導線方式分別計算另一端點的坐標并得出坐標差，分析并確定導線中最大誤差的來源。如導線兩端實際坐標差相近，在兩條起始邊方位角的精度相等且在設計誤差范圍內，那么如果最大誤差主要來自井下導線測量中產生累積誤差，否則可以判定為起始邊方位角存在重大誤差。計算結果如下：

從表1結果可以判斷，導線起始邊K1～K2存在明顯的誤差。由此可以初步判斷在1號豎井聯系測量中得到的成果井下初始邊方位角存在較大誤差，同時也證明了，地面GPS控制測量成果、2號井豎井聯系測量成果（起始邊K2-2～K2-1方位角誤差）及井下導線測量成果均符合預設精度要求。而此處坐標差也可以等同為該區間最大橫向貫通誤差。

2.3 無定向導線數據分析法

假設固定導線中K2-1及K1點的坐標數據，分別并以無定向導線方式進行復算，得到的井下導線起始邊方位角與提供成果的方位角對比差值如表2所示。

從表2中方位角差值結果亦可以判斷K1～K2起始邊存在明顯誤差，從而得到前述結論。

3? 貫通精度控制措施

除去盾構機姿態測量誤差、洞門圈中心測量誤差為固定誤差外，地面控制測量、豎井聯系測量和井下導線測量是隧道貫通測量中的主要環節。地面控制測量由于目前GPS技術已經成熟，只要按照相關技術指標進行施測，不容易出現明顯的誤差或粗差，所以，以當前的設備及技術水平，地面GPS控制測量對隧道貫通誤差的影響值遠小于25mm。而井下導線測量環節中，借助目前高精度全站儀和自動觀測技術，實際測量中，地下導線測量誤差對貫通誤差的影響值也易于控制在30mm左右。

技術難點主要集中在豎井聯系測量環節，由于井深較大，井口較小，全手工觀察以及環境變化等因素而難以控制。豎井聯系測量控制質量成為影響隧道貫通進度的最重要環節。在該項目1號井至2號井區間東線貫通后，在其余三個區間的豎井聯系測量中（見表3），采取了以下質量控制措施：

減小的比值，充分利用豎井寬度增加c值距離。

優化鋼絲，鋼絲直徑須小于0.5mm，重錘質量大于10kg，穩定液的稠度適中確保錘體擺動自由。

鋼絲懸架應牢固，不晃動，測量時施工暫停，禁止重型機具、車輛移動。保證各測量點通視條件。

選擇最佳的觀測環境，避免風、雨、強光影響及強烈溫差變化。

內三角計算結果偏差控制在2″之內，上下鋼絲間距偏差控制在1mm以內，確保單次聯系測量的內角附合。

隧道貫通前增加豎井聯系測量次數，以3″為合格成果標準，合理加權平均處理后采用。

豎井聯系測量中細節的優化，顯著提高后續區間豎井聯系測量的精度，使得隧道橫向貫通誤差也都在設計允許范圍之內。

4? 結語

本文通過實際工程數據分析了影響隧道橫向貫通誤差的控制測量的各個方面。通過對1號井～2號井區間東線的實際井下導線數據采用多種導線數據分析方法得出由于豎井聯系測量出現較大偏差導致最終貫通誤差較大，同時也判斷出井下導線測量和地面GPS控制測量結果均達到設計要求。總結了改善的措施及方法，提高了后續豎井聯系測量精度，最終保證了本項目其余隧道區間的橫向貫通誤差在±50mm之內。

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