隧道施工測量方法精度及適用性分析

曾致，劉恒

（1.西安市勘察測繪院，陜西 西安 710054；2.中煤航測遙感集團有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

近年來，隨著我國隧道工程技術水平的提升，隧道測量技術和測量儀器得到了長足發展，也使測量技術在自動化、測量儀器以及效率等方面大幅度提高［1-2］。而新興技術GPS和全站儀的廣泛應用以及交叉融合，使測量工作范圍越來越廣，也對隧道質量建設帶來了新的發展。另外隧道測量技術的多樣化、動態化以及安全可靠，克服了隧道施工中不穩定因素的影響，成為隧道建設不可或缺的關鍵［3-4］。但同時，在實際施工測量放樣技術中，測量工作會受到隧道內外各種因素的影響，使放樣精度大大減弱，對隧道建設造成一定影響。本論述針對隧道工程施工的測量放樣方法，深入分析隧道平面控制測量、高程控制測量以及隧道貫通誤差的注意事項，在此基礎上布設施工測量控制網，并利用平差軟件對測量數據進行處理，從精度和適用性兩方面對測量技術進行綜合分析，這對提高國內隧道測量技術的認識和了解具有一定意義。

1 隧道外平面測量

在隧道施工測量工作中，進行隧道開挖時，需要建立符合設計要求和精度的平面控制網，這成為隧道洞內施工放樣的依據；較短隧道，不需要布設控制網，主要以隧道中線精確放樣，符合設計要求后，作為引測進洞的依據，而較長隧道工程則主要依據GPS網、導線網和三角網進行布設［5-8］。

1.1 精密導線法

精密導線網如圖1所示，四等精密導線網應該根據精度指標、地形條件和網型等因素確定，其由正副導線組成平面控制網，主導線應沿兩洞口中線方向布設。其中點1和點8為洞口的導線點，其他的點布設在洞頂，兩洞口組成多邊形閉合導線環，從而在隧道洞口間建立平面控制網。控制網導線邊的相鄰比為1∶3，邊長不短于300 m來限制誤差積累；用測回法或者方向觀測法觀測水平角，往返測分別按奇、偶數觀測左右角，這樣能更好地發現誤差并削弱或消除誤差；導線內業計算時，保證觀測成果滿足要求，再通過科傻軟件進行嚴密平差。

圖1 精密導線網

注意事項：

（1）導線點位置的選擇。在滿足設計要求的前提下，需要考慮實地情況。控制樁要可靠穩定，施測制度完善，能長久使用。控制點與洞口點高差不應相差太大，點間距離應不小于300 m。

（2）導線網施測需聯測隧道洞口點以及洞外中線樁，作為進洞的依據。其中，在曲線隧道中，應該處理好直線與曲線的銜接，以及聯測洞外路線。施測所得的結果處理后應該與設計相差不大，否則會加大隧道貫通誤差，導致隧道貫通銜接出錯。

（3）對隧道貫通誤差產生最大影響的因素是測角、測距精度降低和各種誤差積累，有效提高各項精度可減少貫通誤差的影響。

（4）測量導線視線應禁止靠近地物延伸，當導線樁施測應考慮視線穿過溫度突變地域。所有的導線點應該在隧道中線上或者接近中線。

（5）布設導線控制點應減弱周圍建筑物的影響，削弱水平角觀測誤差，導線控制網應避免在不利因素下觀測。

1.2 三角鎖法

當隧道較長，地貌不便用精密導線法作洞外平面控制測量，常采用三角鎖法測量［9］。三角鎖控制測量，主要是三角網點位置的布設，要求三角網形剛強簡單。隧道三角網延伸應布設成與線路同方向，隧道全長及進、出洞口點均在控制測量范圍內，三角點布設均勻，并要考慮到測角、測距簡單和誤差最小。三角鎖網如圖2所示，1為進洞口的控制點，8為出洞口的控制點，其他點布設在洞外，構成了閉合的四等三角鎖。

圖2 三角鎖網

注意事項：

（1）三角鎖應沿兩洞口的連線方向布設，靠近隧道中線的三角鎖邊應盡量與隧道貫通面垂直，避免有較大的曲折。

（2）三角鎖的組成主要是以近似等邊三角形為主，其他三角形為輔。對于有些地形可適當采用大地四邊形來加強圖形強度和穩定性；對于曲線隧道，也可以適當采用中點多邊形。

（3）組成三角網的三角形數量不應太多，最弱邊到起始邊的三角形的個數不應超過6個，否則，則需要加設三角網的起始邊。整個隧道三角形的個數不應超過12個。

1.3 GPS網法

目前，由于科技迅速發展，GPS技術由最初的軍事應用發展到農業、交通、天氣預報等方面，使GPS技術應用越來越廣泛。在隧道控制測量中，GPS技術相對于常規測量，具有全天候、高精度、選點靈活、不受環境影響和獲得三維坐標等優點。根據收集到的資料，GPS網如圖3所示，在隧道兩端入口處分別選取3個平面控制點，建立D級GPS網。此次GPS控制測量，共采用了6臺LGN-200接收機，標稱精度為±（5 mm+0.5×D）。采用靜態測量模式測量，每個時段觀測2 h，觀測2個時段。

圖3 GPS網

注意事項：

（1）選點布設要求點位穩定、交通方便，便于使用和保存，高度角上障礙較少，遠離高壓電線或強電磁波輻射源，遠離大面積水面或平坦光滑地面。

（2）應在隧道各開挖洞口附近布設不少于4個點的洞口點。

（3）對于直線隧道，應在進、出洞口的施測中線上布設2個控制點，另外再布設2個定向點；對于曲線隧道，應把曲線的主要控制點和每條切線上布設的2點包含在網中。

（4）隧道GPS網由若干個獨立異步環構成，每個點至少有3條獨立基線通過，至少觀測2個時段。GPS觀測時間短，當測站間的距離不大于30 km時，同步觀測2 h左右便能得到較好的觀測成果。

1.4 精度及適用性分析

1.4.1 點位誤差分析

見表1所列，通過點位誤差對比可發現，GPS網點位誤差最小，導線網點位誤差較小，三角網點位誤差最大，同時從點位誤差分布均勻看，GPS網和導線網點位誤差大小分布均勻，這有利于控制測量降低測量誤差，提高控制網型穩定性。為分析誤差較大的點位對控制網的影響，通過科傻軟件平差獲得最弱點的點位誤差，分別為0.34，0.71，0.66，發現誤差較大的點位對整個網型控制影響較大，其中GPS網相比于常規測量的優勢以及不受環境影響，使個別點位影響較小，而導線網和三角網影響因素較多，從而影響整體的控制測量精度。

表1 點位誤差

1.4.2 邊長誤差分析

見表2所列，通過平差計算3個網型的邊長中誤差及最弱邊誤差，其中，GPS網最弱邊為3、4，導線網和三角網均為8、7，但邊長中誤差相差不大。GPS網的點位穩定可靠、觀測次數多，并且受到環境影響因素較少，使其精度優于導線網和三角網，但導線網和三角網也可互相替換，3個方案都適用于大型工程建設。

表2 最弱邊及精度

2 高程控制測量

目前，國內隧道高程控制測量的方法和途徑主要是水準測量和三角高程測量，測定各等級隧道水準點和平面網的高程［10-11］。通常情況下，隧道越長、交通條件越差，則高程控制測量誤差也較大。往往通過隧道高程控制測量長度選擇相應的貫通精度，減少相應的隧道誤差，提高測量精度，使隧道測量符合施工要求。

2.1 三角高程測量

近年來，三角高程發展迅速，不但測距精度高，而且使用方便，同時可以測距和測角，使其應用越來越廣泛，尤其在地形起伏區域內，常采用三角高程施測。三角高程測量通常是通過測定由測站到覘標的豎角（天頂距）和距離，計算測站點與覘標之間的高差。在地面上測定1、2兩點的高差h12，1點布設儀器，2點豎立標尺，量取儀器高i，通過望遠鏡讀出目標高V，以及兩點之間的豎角a和水平距離S，則1、2兩點的高差為：

如圖4所示，DX01為高程已知點，通過已知高程點利用公式（1）施測其他點的高程，成為向隧道洞內延伸的依據。

圖4 高程網

注意事項：

（1）三角高程測量的主要誤差是大氣垂直遮光誤差、豎角觀測誤差、邊長誤差等，往往為了使精度提高，采用對向觀測削弱誤差影響。

（2）測量時，應盡量避免各種不利因素影響測距精度，目標的形狀、顏色，空氣以及陽光折射等，并且遠離高壓線和反光物體，防止陽光直射儀器的望遠鏡。

2.2 水準測量

水準測量是高程測量的主要方法之一，目前已經廣泛應用于線路測量、變形監測、工業測量等各種領域。一般情況下，從一已知高程點出發，利用水準儀和水準尺，根據水平視線測定兩點之間的高差，從而由已知點高程推算出各個未知點的高程。如圖4所示，DX01為已知水準點，DX02-DX06為待測點，從而布設水準網。

注意事項：

（1）在進行整條線路水準嚴密平差時，平差距離取隧道的矢量長度，不能是整個水準網的長度，從而提高隧道水準控制點間的相對精度。

（2）整個水準網的往測與返測，其測站數均應是偶數，否則要加入相應的標尺零點差改正。

（3）除路線轉彎處外，每一測站上儀器與前后視標尺的三個位置應接近一條直線，在同一測站上，不得重復調焦。

（4）隧道進、出口應布設至少3個高程控制點，主要是為了在隧道施工前或隧道施工期間可以便捷地檢測高程控制網的精度，同時，當個別高程控制點被破壞時，可利用其它高程控制點進行補設。

2.3 精度分析

2.3.1 高程貫通誤差

按照《工程測量規范》要求，兩個洞口間開挖長度小于4 km，洞外高程控制測量所引起的貫通中誤差不能大于25 mm。通過模擬網型，兩洞口間的長度為0.7 km，總路線長為2.11 km。

三角高程貫通誤差可以通過下式計算：

其中，h為每公里高差中數偶然中誤差，L為洞外高程路線總長。

水準高程貫通誤差可以通過下式計算：

其中，M為每公里高差中誤差，S為兩洞口之間的路線長。

2.3.2 高程閉合差

四等水準測量閉合限差為4L=3.8 mm，其中L為路線長度。

2.3.3 測段高差中誤差

在此次高程測量中，我們用兩種不同的測量方法進行測量。用平差易軟件進行精密平差計算，從而得到所有控制點的精確高程。這3種方法均采用DX01點為已知控制點來計算其余控制點的高程，并多次對DX01點進行復測，保證了起算點的穩定性，從而提高了起算數據的可靠性。

在高程貫通誤差中，通過計算公式（2）、（3）計算誤差。見表3所列，在山地進行隧道高程測量，三角高程精度比水準精度相差較大；見表4所列，在閉合差中，兩個方法閉合差相差太大；見表5所列，三角高程測段中誤差相比水準高程中誤差，誤差相差為5.3～6.7 mm。為進一步驗證兩種方法適用性，通過精密平差獲得結果，點位相差最大為4 mm，這說明了兩種方法經過數據處理后，可以在一些測區條件較差、GPS信號較弱的地區，采用三角高程測量方法來代替水準測量。

表3 高程貫通誤差

表4 高程閉合差

表5 高差中誤差

綜上所述，三角高程可以在一定程度上代替水準進行測量，由于利用三角高程測量比較方便、快捷，在節省人力、物力上都有很大的優勢，并且測量精度也可以滿足工程要求。

3 結論

基于隧道施工測量技術，在深入分析布設控制網的基礎上，通過平差和相應的規范技術要求，從精度和適用性分析了隧道施工方法。其中，平面測量3種測量技術中，GPS網影響因素較少，使其測量精度遠遠優于導線網和三角網，但是導線網和三角網也可互相替換；三角高程測量方便、快捷的優勢，并且測量精度也可以滿足工程要求，可在一定程度上代替水準進行測量。