TS60全站儀在特長隧洞貫通測量中的應用

凡建林 姚 輝 林建濤

（浙江省測繪科學技術(shù)研究院，浙江 溫州325000）

0.引言

近年來，隨著我國工業(yè)、制造業(yè)技術(shù)的發(fā)展，水利、鐵路等施工技術(shù)得到了快速進步，各種工程建設(shè)中特長隧洞（單向掘進大于8km的隧洞）也越來越多。例如，已經(jīng)建成的遼寧大伙房引水Ⅰ期工程長85km，在建的新疆北部引水工程單座隧洞長283km，2018年建成且投入運營的港珠澳大橋海底沉管隧洞長達5664m[1]，秦嶺隧洞長81.779km[2]。與地面測量不同的是隧洞測量不能使用GNSS方法，洞內(nèi)平面控制測量一般采用導線測量的方式建立，高程控制測量通過水準測量的方式進行，碎步放樣采用全站儀極坐標法。隧洞掘進過程中，洞內(nèi)控制測量是隧洞的“眼睛”，指導著隧洞的掘進方向，其中，高程控制測量可通過水準測量的方法實現(xiàn)，精度容易控制。由于隧洞內(nèi)測量檢核條件少、網(wǎng)形強度低、施工干擾大，平面控制測量的精度直接關(guān)系到隧洞的順利貫通，是隧洞測量的關(guān)鍵，高精度的導線測量可以為工程施工提供各種保障。

1.隧洞地面施工控制網(wǎng)的布設(shè)

1.1 隧洞洞外控制網(wǎng)的布設(shè)

隧洞洞外平面控制網(wǎng)與其他地面工程相同，一般采用GNSS靜態(tài)測量方式布設(shè)[3]，可參考文獻[4]中的技術(shù)要求布網(wǎng)。高程控制網(wǎng)采用水準測量方式布設(shè)。

1.1.1 坐標系統(tǒng)和高程基準

隧洞平面施工坐標系建立方法為：選擇投影面為測區(qū)平均高程面的任意帶高斯投影平面直角坐標系。具體建立步驟如下：（1）GNSS靜態(tài)相對定位觀測得到的基線數(shù)據(jù)通過約束平差得到投影面為參考橢球面的3°分帶高斯投影坐標；（2）選擇測區(qū)中央的大地經(jīng)度作為中央子午線，選取分段測區(qū)中的一控制點為中心點，以該點至控制網(wǎng)中較遠的一點在CGCS2000國家坐標系下的方位角為起始方向，進行測區(qū)平均高程面上的坐標投影計算得到施工坐標。高程基準為1985國家高程基準。建立坐標系數(shù)學模型如下：設(shè)地面固定點在工程坐標系下的平面坐標為此點對應高斯投影后的平面坐標為（x0，y0）；特定方向方位角為α'，其對應由高斯投影后平面坐標反算的方位角為α，那么各GNSS點在“一點一方向”平差后工程坐標系下的平面坐標為：

1.1.2 地面控制網(wǎng)測量儀器設(shè)備

地面平面控制網(wǎng)采用GNSS測量方式進行，高程控制網(wǎng)通過水準測量進行，選用儀器如下：

（1）雙頻GNSS 接收機若干臺，用于靜態(tài)相對定位測量；

（2）自動安平電子水準儀若干臺，用于聯(lián)測高程；

（3）GNSS 網(wǎng)基線解算軟件；

（4）GNSS 網(wǎng)平差軟件；

（5）水準網(wǎng)平差軟件。

2.隧洞洞內(nèi)導線布設(shè)形式

2.1 支導線形式布設(shè)

支導線的布設(shè)方式是沿著隧洞掘進方向布設(shè)一條單導線，其優(yōu)點是工作量小、布設(shè)靈活，缺點是沒有檢核條件，不易發(fā)現(xiàn)粗差，存在誤差的累積，只適合于較短距離的導線測量。

2.2 全導線網(wǎng)的布設(shè)形式

全導線網(wǎng)形式增加了控制網(wǎng)的強度，檢核條件多，精度較高，缺點是工作量大，成本較高。

2.3 交叉雙導線

交叉雙導線布設(shè)形式（如圖1 所示），相對于全導線網(wǎng)工作量減半，并且有較多的檢核條件，在一定程度上也能減小旁折光的影響，被廣泛應用于隧洞工程建設(shè)中。

圖1 交叉雙導線布設(shè)形式

3.導線邊長改化

高精度測距儀測量得到的距離為兩點在空間直角坐標系中的空間距離。該距離需要經(jīng)過氣象改正、儀器加乘常數(shù)改正。空間斜距化為平距一般采用天頂距法或高差法化為平距。

3.1 氣象改正值的計算

氣象改正主要包括測站和鏡站之間環(huán)境溫度和氣壓對測距的影響，計算公式可參照儀器說明書。

3.2 儀器加乘常數(shù)改正值的計算

主要指儀器的校準參數(shù)，包括固定誤差和比例誤差。

3.3 平距計算

測距儀觀測的斜距化為平距，可采用下列兩種方法：

方法一：用高差計算

方法二：用天頂距計算

3.4 測區(qū)平距高程面上邊長的歸算

當測區(qū)內(nèi)投影變形超過2.5cm/km 時，需要將測量的邊長歸算到投影面。全站儀測量的距離是空間兩點的距離，需要將其換算到測區(qū)高程抵償面上。其可通過式（5）計算：

4.平面貫通測量誤差來源

平面貫通測量誤差主要來源可分為下列幾種：

（1）地面控制測量對橫向貫通誤差的影響；

（2）地下控制測量對橫向貫通誤差的影響；

（3）陀螺方位角精度對橫向貫通誤差的影響。

5.工程實例分析

5.1 工程概況

某單向掘進15.2km 的無壓輸水隧洞，平均埋深300m，設(shè)計縱坡比為1/5000，采用TBM 法施工，隧洞設(shè)計尺寸為5.5m 的圓形斷面，隧洞圍巖類型以Ⅲ類居多。由于隧洞半徑較小且常伴有大量涌水現(xiàn)象，對測量工作帶來了較大困難。TBM 機長約200m，調(diào)整方向困難，必須確保掘進誤差在限差以內(nèi)，才能保證隧洞的精準貫通。

5.2 洞內(nèi)平面控制測量

控制網(wǎng)等級按照文獻 [6] 中9.3.2 章節(jié)的表格選擇。可知本工程平面控制測量應選擇二等導線測量。

施工控制點的布設(shè)，沿洞壁兩側(cè)布設(shè)含強制對中裝置的控制點，由于洞內(nèi)水蒸氣和灰塵較大且測量過程中常伴有施工干擾。經(jīng)實踐，控制點間距離宜在250～350m 之間，距離太短會增加測站數(shù)，存在測量誤差的積累，距離太長會導致全站儀受到洞內(nèi)灰塵影響無法讀出數(shù)據(jù)。

5.3 洞內(nèi)高程控制測量

洞內(nèi)高程控制測量與地面控制測量相同，該工程按照二等水準觀測要求進行。水準點布設(shè)在平面控制點附件，以便及時將水準高傳遞到平面控制點上。

5.4 儀器設(shè)備選擇

（1）徠卡TS60 全站儀一臺，該型號采用全新的ATRplus 自動照準技術(shù)，用全新的光斑分析法優(yōu)化棱鏡驗證方法，可以在超遠距離自動學習目標棱鏡，讓觀測者不再將精力浪費在重復的學習棱鏡工作中，可以自動識別有效棱鏡，排除環(huán)境中的干擾因素（燈光、水蒸氣、日照等）和無效目標。有效地提高自動測量的距離精度和效率。其測角精度為0.5″，測距精度能達到0.6mm+1ppm；

（2） 徠卡 LS10 電子水準儀一臺（精度為0.3mm/km），用于二等水準測量；

（3）氣壓計、溫度計各一支；

（4）陀螺全站儀一臺（精度為5″），用于測定真北方位角；

（5）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和平差軟件若干套。

5.5 導線測量限差的要求

導線測量按照二等要求觀測，各項限差（如表1所示）：

表1 0.5″級全站儀二等導線觀測精度要求

5.6 導線測量數(shù)據(jù)預處理

在測量過程中，溫度、氣壓已經(jīng)輸入機載多測回測角軟件，測量過程中已經(jīng)完成了氣象改正，表2 主要完成儀器加、乘常數(shù)改正（加常數(shù)為-0.58mm，乘常數(shù)1.03mm/km），天頂距法將斜距化為平距，測區(qū)平距高程面上邊長的歸算。

表2 觀測斜距改正

5.7 導線精度的影響因素分析及防范措施

經(jīng)過該工程中導線測量得出如下結(jié)論：

（1）溫度和氣壓對距離測量有較大影響，測量過程中應選擇經(jīng)鑒定合格的氣壓計和溫度計；

（2）當測量視線離墻壁或障礙物較近時，會引起旁折光的影響，一般建議控制點距離洞壁及障礙物0.5m 以上；

（3）儀器對中誤差的影響：采用帶強制對中裝置的控制點或采用三聯(lián)腳架法觀測，能提高觀測效率及測量精度；

（4）隧洞內(nèi)灰塵的影響：選擇適宜的時間，如隧洞內(nèi)無噴錨、掘進作業(yè)，通風條件良好的時段；

（5）儀器本身的誤差：每隔一定周期在國家認可的計量部門檢定求得儀器的加、乘常數(shù)。

5.8 提高導線測量精度的措施

（1）剔除角度閉合環(huán)較大的閉合環(huán)；

（2）每隔一段時間復測洞內(nèi)導線；

（3）在適當位置加測陀螺方位角并用于平差；

（4）選擇測角測距精度較高儀器設(shè)備；

（5）對往返測邊長差值較大的導線邊進行重測。

6.結(jié)束語

本文以特長隧洞為例，論述了隧洞外和隧洞內(nèi)控制網(wǎng)布設(shè)形式及方法，主要論述了隧洞內(nèi)導線的布設(shè)形式、作業(yè)流程和數(shù)據(jù)后處理方法，對導線邊長改化為平距進行了詳細分析；最后以工程數(shù)據(jù)為例總結(jié)了導線測量影響因素及減弱措施，為特長隧洞測量提供參考依據(jù)。