金屬礦山隧道相向貫通測量誤差調整方法研究

黃保澤

（云南華聯鋅銦股份有限公司，云南 文山 663701）

金屬礦山的開采離不開隧道的貫通，而相向貫通測量是尤為關鍵的一步。相向貫通對測量的精度要求很高，若測量出現偏差值超過限度，將造成隧道無法貫通，直接導致后續開采等工作無法繼續進行，是很嚴重的事故，經濟損失巨大[1]。因此調整測量方法，降低測量誤差是工程工作者們一直研究的重難點問題。傳統測量方法在高程控制與平面控制兩方面存在問題，雖滿足工程基本精度要求，但不足以實現高效工程作業，且對日后礦山開采工作也有一定影響。因此在保證測量誤差在規程范圍內的基礎上，努力減小測量誤差，不僅對隧道貫通具有積極作用，而且對礦山后續資源的開采也有十分重要的意義。貫通測量方面的研究，海外礦業發達國家起步較早，上世紀90 年代左右，海外國家已經有了“智能礦山”等發展規劃[2]，我國雖起步較晚，但通過測量技術人員的大量研究勘測，目前已經有了許多優秀的技術方法。本次研究在前人的基礎上，針對相向貫通測量誤差較難控制的方面，提出了優化方案。

1 隧道相向貫通測量概述

隧道相向貫通測量分為洞外測量與洞內測量，布設精度符合要求的洞外控制網是首要任務。國內常用且精度較高的平面控制測量方法為GPS 測量，在使用GPS 進行觀測時，由于GPS信號會受到礦山山體與周圍林木的影響，應盡可能延長觀測時間，天氣狀況不理想時，需加測時段數，以滿足觀測精度的需求。完成洞外平面控制網的布設后，用導線測量的方式，把洞外布設好的坐標系統引測進洞內，實現洞內外的坐標和方位的轉換。之后在控制網的基礎上，進行高程控制，找好控制點高程位置。由于實際操作中導線測角與側邊都會存在一定誤差，累計起來會導致貫通點的實際位置與設計位置并不相符，產生貫通誤差。按照《工程測量規范》中的規定，隧道貫通的限差為：橫向貫通誤差100mm，高程貫通誤差50mm[3]。

本次研究中，通過對礦業公司的歷史相向貫通測量數據進行分析，發現在高程控制測量方面，電子精密設備的應用仍不完善，而在平面控制測量方面，對加測陀螺邊認識不足，考慮針對這兩方面進行優化。全站儀是目前在地理空間信息采集等方面應用十分廣泛的電子儀器，有先進的電光系統，其同時具備測距、測角、計算、存儲等功能[4]，能極大簡化貫通測量工作，可以隨時對貫通作業方向進行把控，對提高貫通測量精度有積極意義。根據以往的數據顯示，陀螺儀在控制導線網的橫向擺動方面有著不錯的效果，且具有可以任意選擇定向位置的特點，導線測量基本不影響其定向，能有效降低方向誤差，考慮加測陀螺邊對控制誤差的可行性。

2 優化隧道相向貫通測量誤差調整方法

相向貫通測量誤差一般會發生在三個方向上，包括縱向、橫向與高程誤差，如圖1 所示。在目前隧道相向貫通的技術中，縱向誤差比較容易滿足精度要求，本次研究暫不做考慮，主要針對高程誤差與橫向誤差進行控制優化。

圖1 貫通測量誤差示意圖

2.1 高程控制測量誤差調整方法優化

針對傳統二等水準測量面對礦山地形效率低、精度不足的問題，本次選擇在三角高程測量的基礎上，加裝智能型全站儀，對高程測量進行優化。如圖2 所示，以A 為線路起始點，以N為線路結束點，在兩點上安裝帶有特制棱鏡的測量基座，在B、C……點上，利用基座與腳架等工具設置棱鏡，將智能型全站儀設置在Z1Z2……Zn 點上。測量時，首先將A 點上的測量基座調節至與水平線平行，規定測量的前進方向為正，根據現場通視情況確定B 的位置，若條件較好，二者距離可在八百米至一千米之間，以靠近起始點A 的B 棱鏡點作為前視棱鏡，正方向設置；再將z1 的智能型全站儀設置在距A 點15m 左右的位置，將z2 的儀器設置在距B 點15m 的位置，使四點大約成直線排布。調整好后啟動智能型全站儀進行自動觀測記錄，根據其給出的數據進行計算得出AB 之間的高差。依照AB 兩點高差測量的操作流程，觀測后續所有相鄰的點之間的高差，完成整條線路的高程觀測。

圖2 三角高程測量示意圖

三角高程測量AB 兩點間的高差如公式（1）所示，應用了往返測高差平均值的算法，且對向同時觀測的實行，可以基本上避免硬件高度與大氣折光的影響[5]。

式中，S 表示斜距，V 表示豎直角，v 表示棱鏡高。

根據公式（1）推導出線路整段的總高差hAN 為：

考慮金屬礦山隧道一般較長，交換起始點與結束點位置，再次進行測量以提高精度。

2.2 平面控制測量誤差調整方法優化

常用的隧道洞內平面控制測量布網方法是交叉導線網，本研究基于交叉導線網，利用陀螺全站儀加測陀螺邊。首先要測定儀器常數?，利用GPS 已知地面定向邊至少測量三次陀螺方位角，根據公式（3）計算陀螺儀常數。按照規程要求，各次測得數據間應保證40″以下的互差，以保證儀器測量的精度。對洞內導線進行多次對向陀螺方位角測量，再回到洞口地面，重新利用GPS 已知地面定向邊進行多次對向陀螺方位角測量，再次確定儀器常數，與第一次得到的常數進行對比，保證陀螺儀的穩定性。

式中，A0表示：已知邊的真方位角，且 A0=α0+γ0；α0表示：地面導向已知邊坐標方位角；0γ 表示：測站處子午線收斂角；αT0表示：已知邊上測量的陀螺方位角。

之后根據公式（4）計算定向導線邊坐標方位角。

式中，A 表示：待定導線邊的真方位角；γ 表示：待定導線邊測站點子午線收斂角； Ta 表示：洞內待定邊測量的陀螺方位角。

整理公式（3）與公式（4），得出公式（5），用作洞內導線邊坐標方位角α 的計算。

子午線收斂角差 ?γ值可以根據 ?γ= γ0? γ計算得出。

計算出洞內導線坐標方位角后，以導線控制網起點為原點，三分之一與五分之四處分別加測兩條陀螺邊，完成貫通橫向測量。

3 實測論證分析

3.1 準備工作

選取某金屬礦山隧道M 作為實測分析點，起點AH1 與終點AH2 均為國家二等水準點，已知二等水準高差為143.5233m。選取OS-602G 智能型全站儀、特制高精密棱鏡與TJ9000 陀螺全站儀，進行外業測量，與文獻[1]提出的傳統測量方法進行對比。

3.2 高程測量結果及分析

從起點AH1到終點AH2，分別按照兩種測量方案進行高程測量，測量的高差數據與已知二等水準高差比較如表1、表2 所示。

表1 優化后高程測量高差比較

表2 傳統高程測量高差比較

由表1、表2 可知，本研優化后的高程測量方法精度符合二等水準測量精度要求，且優化后的高程測量方法高差較差為-3.0mm 與2.5mm，相比于傳統高程測量方法高差較差的-8.0與6.5mm，分別有了5mm、4mm 的精度提升。

3.3 平面測量結果及分析

在隧道M 內，分別按照兩種測量方案進行貫通平面測量，設計坐標與控制網導線具體貫通點的貫通誤差數據如表3 所示。

表3 兩種測量方法貫通誤差對比

由表3 可知，加測陀螺邊交叉導線控制網測量方法的貫通誤差為1.9mm，比傳統交叉導線網測量方法的貫通誤差小51.2mm。

4 結語

由實測結果可知，本研究提出的高程測量優化方案與平面測量優化方案均具有實際意義，可以減小高差較差，加測陀螺邊可以有效控制導線網的橫向擺動，減小貫通誤差，對金屬礦山隧道相向貫通測量的誤差調整提供了有效方法。今后將會對相向貫通測量進行進一步研究，結合以往礦業公司金屬礦山隧道相向貫通經驗，以期為日后礦山隧道的貫通測量提供更優思路。