山西省中部引黃工程總干線平面控制網(wǎng)方案設計

楊 全 剛

(山西省水利水電勘測設計研究院有限公司， 太原 030024)

1 工程概述

山西省中部引黃工程是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設中一項重要的工程，本工程干線自天橋水電站庫區(qū)取水，供水范圍包括四市十六個縣(市/區(qū))，涉及忻州市保德縣；呂梁市：興縣、臨縣、離石、柳林、中陽、石樓、交口、孝義、汾陽九個縣(市/區(qū))；臨汾市：隰縣、蒲縣、大寧、汾西四個縣；晉中市有靈石縣和介休市兩縣(市)。

中部引黃工程規(guī)模為大(Ⅱ)型，包括取水工程和輸水工程。

輸水工程包括總干線、東干線、西干線以及各供水支線輸水。

輸水總干線起于取水泵站出水池(設計洞底高程1 023.34 m)，設計縱坡1/3 000，經(jīng)保德縣、興縣、臨縣、方山縣、離石區(qū)后，在離石區(qū)東側穿過東川河后，向南至中陽縣城東側，在邢家?guī)X(樁號總200+217.14，設計洞底高程954.07 m)處分為東、西干線。

總干線(約K0+000～K77+040)和(約K118+400～K200+217.14)采用人工掘進法施工，隧洞長度約158.8 km，有47個支洞口、3個洞進口和2個洞出口。

該工程在總干線(約K77+040～K118+400)采用2臺TBM相向掘進法施工，隧洞長度約41.4 km，有2個進洞支洞、2個通風支洞、1個分水口和1個拆卸支洞。

工程作業(yè)區(qū)域位于山西省的西部高原，是以呂梁山脈為骨干的山地型高原，測區(qū)內(nèi)海拔在830～1 500 m之間，由蘆芽山、云中山、呂梁山等山系和晉西黃土高原組成，最高峰關帝山海拔2 830 m，山高溝深，地形、地貌較為破碎。施工支洞均位于狹長的山谷內(nèi)，通視困難，建立施工控制網(wǎng)工作難度較大。

受山西省中部引黃工程管理局的委托，山西省水利水電勘測設計研究院有限公司承擔了總干線施工控制網(wǎng)測量任務，目的是為了向業(yè)主提供準確、統(tǒng)一的控制點測量成果，以保證總干線隧洞正確貫通。

2 平面控制網(wǎng)精度的確定

2.1 人工掘進法平面控制網(wǎng)等級的確定

2.1.1 人工掘進法平面控制網(wǎng)精度的技術設計

(1)本工程主要是隧洞部分，根據(jù)本工程隧洞的設計長度和施工的設計方案，每個施工支洞大概開挖4.0 km左右(已包括施工支洞長度，施工支洞長度按0.5 km估計)，依據(jù)《水利水電工程施工測量規(guī)范》(SL52-93)地下洞室貫通中誤差,見表1。4 km以下隧洞，相向開挖洞外測量的橫向誤差為±30 mm[1]。

表1 隧洞貫通中誤差分配值

注：相向開挖長度為4 km以下。

綜合以上分析，我們選定人工掘進支洞平面放樣精度為±30 mm，隧洞縱向貫通誤差只影響隧洞長度，可不予考慮，這當然是偏于安全的。

因為要求平面放樣精度為±30 mm，其中包含起始數(shù)據(jù)誤差和測量誤差即：

(1)

式中：M為平面位置總誤差， mm;M1為起始數(shù)據(jù)誤差，mm;M2為測量數(shù)據(jù)誤差，mm。

2 km(預估的平面控制網(wǎng)平均邊長)邊長相對中誤差為8/2 000 000=1/(25×104)

可得測角中誤差為1.0″。

(2) 根據(jù)以上論述，依據(jù)《水利水電工程施工測量規(guī)范》(SL52-93)，結合中部引黃工程施工的迫切需要，采用GNSS作業(yè)方法，建立人工掘進法平面控制網(wǎng)，其精度如下：測角中誤差為1.0″；邊長相對中誤差為1/(25×104)；平面點位中誤差為±12 mm，限差為±24 mm；相鄰點邊長中誤差為±8 mm，限差為±16 mm。

2.1.2 人工掘進法平面控制網(wǎng)等級的確定

根據(jù)以上分析，設計采用二等GNSS作業(yè)方法，可以滿足本工程施工的需要。

2.2 TBM掘進法平面控制網(wǎng)等級的確定

2.2.1 TBM掘進法施工控制網(wǎng)精度的技術設計

(1)本工程在總干線(約K77+040～K118+400)采用TBM掘進法施工。

總干線(約K77+040～K118+400)采用兩臺TBM相向掘進，在上游進口和下游進口兩者中間，設置了2個TBM檢修支洞和1個TBM拆卸支洞，因此總干線每臺TBM控制的隧洞長度大約為10 km，就可以進行校核。

依據(jù)《水電水利工程施工測量規(guī)范》(DL/T 5173-2003)地下洞室貫通中誤差,見表2，5～10 km以下隧洞，相向開挖洞外測量的橫向誤差為±45 mm[3]。

表2 隧洞貫通中誤差分配原則

注：相向開挖長度為5～10 km。

綜合以上分析，我們選定TBM掘進支洞平面放樣精度為±45 mm，隧洞縱向貫通誤差只影響隧洞長度，可不予考慮，這當然是偏于安全的。

因為要求平面放樣精度為±45 mm，其中包含起始數(shù)據(jù)誤差和測量誤差計算見式(1)。

3 km(預估的平面控制網(wǎng)平均邊長)邊長相對中誤差為13/3 000 000=1/(23×104)

可得測角中誤差為1.0″。

(2)根據(jù)以上論述，依據(jù)《水利水電工程施工測量規(guī)范》(SL52-93)，參考我院在山西省萬家寨引黃工程聯(lián)接段所作施工控制網(wǎng)的精度，結合中部引黃工程施工的迫切需要，采用GNSS作業(yè)方法，建立TBM掘進法施工測量控制網(wǎng)，其精度如下：測角中誤差為1.0″；邊長相對中誤差為1/(23×104)；平面點位中誤差為±18 mm，限差為±36 mm；相鄰點邊長中誤差為±13 mm，限差為±26 mm。

2.2.2 TBM掘進法平面控制網(wǎng)等級的確定

綜上所述，依據(jù)《水利水電工程施工測量規(guī)范》(SL52-93)的規(guī)定，TBM掘進法平面控制網(wǎng)布設二等GNSS平面控制網(wǎng)，可以滿足山西省中部引黃工程總干線TBM掘進法隧洞貫通的精度要求。

2.3 首級平面控制網(wǎng)等級的確定

由于設計進度還在可研設計階段，隧洞的洞進出口和支洞口的具體位置還沒有確定，中部引黃工程管理局對于開工要求又比較迫切，初設報告批復后，馬上就要求開工。在這種情況下，首級網(wǎng)也按二等GNSS布設。待隧洞的洞進出口和支洞口的具體位置確定后，能及時進行后續(xù)控制測量。

3 平面控制設計方案

選點埋石以及觀測平差計算按照有關國家規(guī)范執(zhí)行。

(1)首級平面控制網(wǎng)。利用國家A級、B級、C級GNSS 控制點作為控制的起算數(shù)據(jù)。布設C級平面控制網(wǎng)。C級GNSS網(wǎng)沿引水線路布設，盡可能靠近線路，其圖形以邊連接方式連接。

(2)人工掘進法和TBM掘進法平面控制網(wǎng)。利用國家GNSS 高等級控制點和施測的首級控制網(wǎng)作為控制的起算數(shù)據(jù)，布設二等平面控制網(wǎng)。

每個支洞口布設3個GNSS控制點(布成三角形或導線形)并且互相通視，邊長原則上不短于300 m，每個洞口相鄰GNSS控制點保證同步觀測，并盡量有控制點能直接觀測到洞口或水工建筑物位置。

4 平面控制網(wǎng)的投影改算

為了提高隧洞施工放樣的精度，減少邊長投影誤差，需對1980西安坐標系進行改算。為了不損失本次GNSS觀測精度，改算采用的1980西安坐標成果，按單點無約束進行平差。

4.1 改算精度

(1)采用TBM掘進的平面控制網(wǎng)邊長每千米理論變形值不大于1.5 mm。

(2)采用人工掘進支洞的施工控制網(wǎng)邊長每千米理論變形值不大于3.0 mm。

(3)1980西安坐標系統(tǒng)的坐標和施工坐標系統(tǒng)的坐標具有嚴密的轉換關系。

(4)施工坐標系統(tǒng)方便工程應用，采用有效的方法避免不同標段之間坐標值的誤用。

4.2 改算的方法

按照山西省中部引黃工程施工坐標系統(tǒng)建立原則，經(jīng)過驗算比較，考慮到施工的方便，山西省中部引黃工程總干線總共建立3個施工坐標系統(tǒng)。

(1)山西省中部引黃工程取水口-總干22號支洞施工坐標系統(tǒng)，控制范圍：取水口至總干22號支洞距離約70 km。參考點：X0=4 290 000 m，Y0=520 000 m，H0=1 006 m。Y坐標最大值為520 354 m，Y坐標最小值為513 594 m，施工坐標系統(tǒng)邊長理論變形值小于等于1.9 mm/km。

(2)山西省中部引黃工程總干TBM(22號支洞-27號支洞)施工坐標系統(tǒng)，控制范圍：22號支洞-27號支洞距離約40 km。參考點：X0=4 230 000 m，Y0=514 000 m，H0=986 m。Y坐標最大值為520 873 m，Y坐標最小值為514 936 m，施工坐標系統(tǒng)邊長理論變形值小于等于0.9 mm/km。

(3)山西省中部引黃工程總干27號支洞-總干51號支洞施工坐標系統(tǒng)，控制范圍：27號支洞-總干51號支洞距離約80 km。參考點：X0=4 170 000 m，Y0=525 000 m，H0=962 m。Y坐標最大值為520 643 m，Y坐標最小值為512 487 m，施工坐標系統(tǒng)邊長理論變形值小于等于1.8 mm/km。

為了對GNSS測量成果的可靠性進行外部檢核，應采用高精度全站儀對部分邊長、角度進行檢測。

5 結 語

本工程充分利用GNSS定位技術，為中部引黃工程總干線隧洞施工建立了正確可靠的測量控制基準，為隧洞施工順利放線、正確貫通提供了可靠的技術保障，對于類似的工程也有一定的參考價值。

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