分段施測隧道內CPⅡ控制網關鍵技術探討

譙生有 安義兵 白芝勇

(1.中鐵一局集團第五工程有限公司,陜西寶雞 721006; 2.寶雞文理學院,陜西寶雞 721013;3.寶雞地環科技有限公司,陜西寶雞 721013)

高速鐵路及普通鐵路長大隧道無砟軌道施工前,需在隧道全面貫通后統一布設隧道內CPⅡ控制網,作為軌道控制網CPⅢ的測量依據[1-2]。巨邦強等提出,特長隧道全面貫后再施作無砟軌道對工期極其不利,在具備條件的段落,可先期鋪設無砟軌道;王建成等認為,采用自由測站邊角交會網與交叉導線混合構網可提高分段測量隧道洞內CPⅡ控制網精度。以上研究說明,隧道未全面貫通前分段測設隧道內CPⅡ控制網具有可行性,但對其施工風險、段落劃分、網形優化及平差原則等關鍵技術研究有待完善。

在實際施工中,長大隧道圍巖地質復雜,若某個施工面地質條件較差,開挖面貫通時間往往滯后于施工組織設計,若等所有貫通面全部貫通后再施測隧道洞內CPⅡ控制網,將造成工期嚴重滯后,給工程建設帶來巨大經濟損失。

在鐵路長大隧道施工中,多采用“長隧短打”施工方案,部分施工面滯后設計工期的情況較為常見,基于工期壓力和施工成本控制,采取分段施測洞內CPⅡ控制網的工程案例愈來愈多,如西格二線新關角隧道,甘青高鐵達坂山、陳家山、照壁山隧道及玉墨鐵路安定隧道等,在隧道全面貫通前,采取分段施測洞內CPⅡ控制網方案,可節約無砟軌道施工工期,經濟效益非常顯著。因此,研究鐵路長大隧道在全面貫通前分段施測隧道洞內CPⅡ控制網技術非常必要。

1 施測隧道洞內CPⅡ平面控制網

隧道無砟軌道施工前,需布設洞內CPⅡ平面控制網,然后在洞內CPⅡ平面控制網基礎上,施測CPⅢ平面控制網,作為無砟軌道施工精調、軌道精調的測量基準。因此,洞內CPⅡ平面控制網測量是隧道無砟軌道施工的關鍵環節,隧道洞內如不具備CPⅡ平面控制網測量條件,則隧道內無砟軌道施工將無法開展。

1.1 貫通后施測隧道內CPⅡ平面控制網

隧道各開挖面全面貫通后,隧道線下工程基本結束,施工干擾小、通風條件好,具有良好的觀測條件。貫通誤差可根據全隧貫通情況統一調整,隧道洞內CPⅡ控制網可整體布設、整體平差,誤差分布均勻,相對精度較好,有利于為CPⅢ測量提供高精度起算基準,因此,宜在隧道全面貫通后施測隧道洞內CPⅡ控制網。

隧道全面貫通后施測洞內CPⅡ平面控制網應具備以下基本條件。

(1)隧道二襯、水溝電纜槽施工完畢,具備洞內CPⅡ自由測站邊角交會網、交叉導線網、或自由測站邊角交會與交叉導線混合網控制點布設條件。

(2)洞內保留有不少于1個/km完整穩定的施工控制點。便于洞內CPⅡ平面控制網與施工控制網聯測,調整洞內CPⅡ控制網平差方案,避免出現洞內CPⅡ平面控制網與施工控制網“兩張皮”現象[5]。

(3)具備良好的觀測條件。洞內CPⅡ控制網精度受隧道旁遮光、洞內水氣、煙塵、大型機械行走擾動、觀測視線障礙物等因素影響,不易測設閉合。因此,必須創造良好的觀測條件,才能保證洞內CPⅡ控制網順利測設。

1.2 貫通前分段施測隧道洞內CPⅡ控制網

對于中短隧道或者非關鍵工期的長大隧道,可在隧道各開挖面全面貫通后再施測洞內CPⅡ控制網,此時測量條件最好,測量風險最低,但對于地質情況復雜或關鍵工期不能保證的長大隧道,須根據節點工期和隧道開挖面實際貫通情況,制定分段測設洞內CPⅡ控制網專項方案,在隧道未全面貫通前,分段施工無砟軌道,可降低隧道內無砟軌道施工的工期風險。

隧道未全面貫通前分段施測洞內CPⅡ控制網應具備以下基本條件。

(1)隧道開挖完成至少80%以上,僅有部分工作面不能按期貫通,如圖1所示。

圖1 隧道貫通情況示意

(2)未貫通段地質復雜,工期滯后,影響全線關鍵工期。

(3)部分貫通面已通過隧道進口、出口、平導、橫洞、斜井、豎井或橫通道等輔助導坑(洞)開挖貫通,已貫通段分段施工無砟軌道能夠顯著縮短工期。

(4)具備控制點埋設、控制網聯測和觀測條件。

2 分段施測隧道內CPⅡ控制網的測量風險

2.1 施測條件較差

由于隧道未全面貫通,隧道內部分開挖面施工尚未結束,受開挖、出渣、支護、鋪底、二襯、水溝電纜槽等施工影響,通風排煙效果較差,對測量目標的照準精度影響大,交通車輛行走頻繁,隧道內施工干擾大,容易造成觀測中斷或無法觀測,觀測精度受施工影響較大。

2.2 不同階段施測的分段之間搭接誤差過大

洞內CPⅡ網根據施工進度分階段施測,各分段相對獨立,后期測設的CPⅡ網與先期測設的CPⅡ網之間的搭接誤差可能導致平差精度指標難以合格。因此,必須提高各分段CPⅡ網的測設精度,減小各分段之間的銜接誤差,確保各分段測量成果均能滿足精度要求。

2.3 對軌道平面線形平順性的影響

分段測設時,宜根據施工進展將整個隧道洞內CPⅡ控制網劃分成多個測段,各測段分別獨立測設,相較于隧道貫通后整網布設、整體平差,控制網之間的銜接誤差可能較大,對后續CPⅢ測量精度會產生一定影響,從而影響軌道平面線形的平順性。

2.4 可能引起隧道凈空侵界

受施工干擾、觀測條件、不能整體平差等因素影響,分段施測隧道洞內CPⅡ控制網測量誤差容易積累,若測量方案制定不合理,相關技術措施不到位,可能導致測量誤差積累過大,引起隧道凈空侵界。

3 分段施測隧道內CPⅡ控制網關鍵措施

3.1 制定專項測量設計方案

分段施測隧道洞內CPⅡ控制網超出了規范要求的基本條件,施工風險大,必須制定專項測量設計方案,專項方案的內容一般應包含隧道內CPⅡ控制網分段的劃分、洞外控制網優化設計、洞內CPⅡ控制網精度設計、洞內CPⅡ控制網網型設計、洞內CPⅡ控制網平差原則等,測量專項設計方案需經專家評審論證,通過方可實施。

3.2 合理劃分分段段落

根據施工現狀和施工組織安排,分階段劃分洞內CPⅡ控制網段落,分段時應盡量減少分段數量,加大分段長度,減少分段搭接。如圖1所示工況,第一階段宜施測進口至1號斜井及3號斜井至出口,第二階段施測2號斜井至3號斜井,第三階段施測1號斜井至2號斜井。

3.3 動態優化分段段落

分段段落應根據實際施工進度進行動態優化,貫通時間相近,或不在關鍵工期路線的相鄰段落可以作為一個整體段落,如圖1所示工況,若2號斜井至3號斜井與1號斜井至2號斜井貫通時間相近,可將1號斜井至3號斜井優化為一個分段。

3.4 對洞外施工控制網進行優化

為確保分段洞內CPⅡ控制網的測量精度,對隧道洞外施工控制網進行升級改造,對洞口進洞邊進行優化。洞口視線開闊,具備GNSS觀測條件的,可將進洞點直接設置在洞口路基上或洞口橋臺防護墻頂面,以優化進洞邊,減小進洞邊俯仰角;若后視邊長度大于500m,為降低垂線偏差影響,可提高進洞邊方位角傳遞精度。實踐證明,對洞外控制網進行優化是提高洞內CPⅡ控制網精度的關鍵措施。

3.5 洞內控制網布網方案優化

一般情況下,控制點宜沿隧道兩側水溝電纜槽中隔墻成對布設,導線邊長宜大于300m,觀測視線應遠離障礙物,以減小旁折光影響[6]。洞內導線網可布設為多邊形導線網、交叉導線網、加測自由測站的交叉導線網、導線鎖與交叉導線混合網等多種類型。應根據精度要求、隧道曲線半徑、斷面大小、通視條件等因素進行優化設計。

一般洞內導線網應布設為交叉導線網[7],斜井、平洞或橫通道與正洞交叉口處的短邊應采取強制對中措施,并加測自由測站邊角交會,以增強網形強度[8-10],網形如圖2所示。

圖2 加測自由測站的洞內交叉導線網

洞內CPⅡ控制網角度測量精度受旁遮光影響非常顯著,在不利條件下旁遮光誤差可能超過3倍測角中誤差,導致導線角度閉合差超限,旁遮光誤差在洞內呈現出系統誤差的特性,即使對導線角度進行重測,也不能有效削弱或抵消。當曲線半徑較小視線緊貼隧道壁時,應對洞內CPⅡ控制網網形進一步優化。

一種優化方案是優化觀測網形,取消曲線內側靠近隧道壁一側的觀測邊,將洞內CPⅡ控制網優化為四邊形導線鎖與交叉導線結合的混合網,該網形的缺點是降低了導線網的圖形強度,優點是可通過內業取消貼近隧道壁的觀測邊即可實現優化,不必額外增加外業觀測量,也無需對點位重新埋設,實際應用較多,如圖3所示。

圖3 導線鎖與交叉導線混合網

另一種優化方案是優化曲線內側CPⅡ控制點對的埋設位置,將交叉導線網點對按一組設置在曲線兩側,下一組設置在曲線外側,依次間隔設置,如圖4所示。

圖4 間隔設置點對的交叉導線網

該網形的優點是導線網圖形強度較好,具有較多的冗余觀測。

3.6 聯測施工控制點

為檢核洞內CPⅡ控制網與施工控制網之間的差異,宜每隔1km聯測不少于1個施工控制點,施工控制點至少通過2個測站聯測,聯測方式如圖5所示。

圖5 施工控制點聯測示意

3.7 創造良好的觀測條件

分段施測洞內CPⅡ控制網時,部分開挖面尚未貫通,洞內通風排煙效果差,機械通行干擾大,這些因素是影響洞內CPⅡ控制網觀測精度的主要因素。洞內CPⅡ控制網外業觀測期間,應停止洞內所有施工,清除影響觀測視線的障礙物,關閉隧道內照明燈光,禁止機械車輛通行,提前打開風機通風除塵;在煙塵和水汽聚集地段,必要時可增加射流風機,以加強空氣流動,創造良好的洞內觀測條件,確保觀測質量[11-15]。

3.8 不同分段之間搭接

宜將搭接段落向未貫通端掌子面延伸1個測站,為前期無砟軌道施工區間增加可施工的長度,分段劃分時,應為后期貫通的測段留有足夠長度(一般不宜小于4km),以避免因不同階段施測的分段之間搭接誤差過大而引起設計隧道中線的調整。

3.9 分段控制網平差原則

洞內各分段CPⅡ控制網平差時應遵循如下原則:

(1)各分段洞內CPⅡ控制網平差各項精度指標應滿足專項測量設計方案要求。

(2)分段洞內CPⅡ控制網平差應按“三步法”原則平差。第一步僅約束洞外已知點進行平差試算,第二步利用試算成果檢查隧道凈空斷面,第三步根據隧道凈空檢查結果合理確定最終平差方案,避免出現因平差方案不合理造成隧道凈空侵界。

(3)必要時可約束部分施工控制點,或約束施工控制點的某一分量,使分段CPⅡ控制網與施工導線網成果有良好的一致性,避免出現洞內CPⅡ控制網與施工控制網出現“兩張皮”現象。

(4)分段洞內CPⅡ控制網平差成果的精度應滿足施測軌道控制網CPⅢ的要求。

4 工程案例

新建蘭州至烏魯木齊第二雙線達坂山隧道全長15.879km,采用“長隧短打”方案施工,共設斜井3座、平導1座,隧道進口與1號斜井、2號斜井與3號斜井、3號斜井與隧道出口段均已貫通,1號斜井與2號斜井施工段因隧道圍巖較差,工期滯后7個月,嚴重制約全線鋪軌進度,需在1號斜井與2號斜井貫通前分段施測隧道洞內CPⅡ控制網,以加快隧道無砟軌道施工進度。該隧道洞內CPⅡ控制網分兩期測設,采取了優化洞外、洞內控制網布網方案和提高測量精度等技術措施,測量方案經專家論證后施測,各分段銜接平順,測量精度均滿足要求,縮短鋪軌工期7.5個月,取得了顯著的經濟效益。

5 結論

對隧道未全面貫通分段施測洞內CPⅡ控制網測量條件、測量風險、關鍵措施、無砟軌道施工工期壓力等方面進行研究,得到以下幾點結論。

(1)長大隧道工程地質比較復雜,部分貫通面工期滯后的情況較為常見,通過分段測設洞內CPⅡ控制網,可縮短洞內無砟軌道施工工期,經濟效益顯著。

(2)分段施測洞內CPⅡ控制網時,隧道內施工干擾大,通風排煙效果差,交通車輛行走頻繁,容易造成觀測中斷或無法觀測,對提高分段施測洞內CPⅡ平面控制網精度不利。

(3)通過采取合理劃分分段測量區間、優化洞外控制網進洞條件、增加洞內CPⅡ控制網圖形強度、改善觀測條件、合理確定平差約束條件等措施,在部分開挖面貫通的情況下分段施測洞內CPⅡ控制網的技術方案可行。

(4)“分段法”施測洞內CPⅡ控制網是一種特殊情況下采取的施工措施,具有施測緊迫性、必要性、經濟性的特點,只有在大部分貫通面已經貫通、僅個別貫通面未貫通且已成為影響關鍵工期的“掐脖子”工程的情況下方可使用,不得濫用。