大型過江隧道控制測量關鍵技術研究

白芝勇

(中鐵一局集團第五工程有限公司,陜西寶雞 721006)

隨著我國城市化快速發展,交通擁堵已成為國內各大城市的通病。由于城市用地緊張,交通立體化解決方案得到越來越多的應用。相較于地面的大型工程,隧道工程深埋于地下,施工過程中的測量工作存在較多技術難題[1-2]。根據誤差傳播定律,隨著隧道洞內導線延伸,誤差會越來越大。因此,如何控制洞內控制測量的精度,從而保證隧道掘進方向的精度,是隧道工程施工中需要解決的難題[3-5]。以南京市定淮門過江通道工程為例,對大型過江隧道控制測量關鍵技術進行研究。

1 工程背景

南京市定淮門過江通道工程為雙管雙層八車道規模,設計速度80km/h,該工程起于浦珠路與定向河交叉口附近,按左、右線分離布置,作用是連接南京主城區與浦東規劃新市區中心。工程全長約7.7km,其中,地下隧道部分長約5.6km。過江通道工程區段位于長江河床、高河漫灘及長江一級階地,施工內容包括浦口明挖段、盾構段、定淮門大街明挖段和揚子街大道明挖段。江北接線長1990m,北線隧道長4962.6m,其中盾構段長3557.2m;南線隧道長5330m,其中盾構段長4134.6m。浦口明挖段長473m,江南揚子江大道明挖暗埋段長697.6m,敞開段長120m,定淮門大街明挖暗埋段長452.6m,敞開段長155m。隧道位置及工程分布見圖1。

圖1 隧道位置示意

2 隧道內控制網精度影響因素分析

由于施工地點位于市區,綜合考慮各方面因素,采用單向盾構掘進的方式進行施工,這對盾構機姿態的三維坐標精度要求較高。因此,洞內導線的精度直接決定盾構機能否準確從預留洞門處貫通,且對貫通誤差有決定性影響。

一般情況下,貫通誤差在線路中線方向的投影長度稱為縱向貫通誤差,在垂直于中線方向的投影長度稱為橫向貫通誤差,在高程方向的投影長度稱為高程貫通誤差[6]。隧道貫通后,應及時進行貫通測量,測定實際的橫向貫通誤差。隧道貫通測量的誤差來源主要有:①地面控制測量誤差m1;②豎井聯系測量誤差m2;③地下導線測量誤差m3[7-11]。假定隧道貫通誤差為m0,則m0可表示為

選取2012年6月以及2015年3月的兩期控制網復測成果進行對比分析。受復雜地質條件、水文環境因素的影響,選取兩次復測坐標差值較大的點,平面坐標見表1,高程值見表2。

表2 地面控制網兩次復測結果高程值對比 mm

由表1、表2可知,受時間與外部條件影響,控制點坐標變化非常明顯。根據上述情況,結合施工現場情況,總結出該隧道的洞內控制測量存在以下的技術難點。

(1)由于施工隧道位于長江河床下,當測量高程由地面控制點引測至隧道洞內控制點時,受潮汐的影響,會導致測量高差值發生變化。

(2)隨著隧道不斷掘進,控制網隨之延伸,由于在江面以下施工,引測導線越長,其精度越低,并直接影響最終的貫通。

(3)隧道內外的溫度、氣壓、濕度均存在差異,易導致測量誤差變大。

3 測量關鍵技術研究

為減弱上述誤差的影響,經綜合研究分析,決定在該隧道控制測量中采取如下關鍵技術:①洞內平面控制網采用交叉導線網布設;②隧道掘進過程中通過江心洲通風豎井進行聯系測量;③隧道掘進過程中加測精密陀螺定向邊。下面對3種關鍵技術的應用進行詳細闡述。

3.1 交叉導線網布設

經比選,發現在隧道洞內控制測量中采用交叉導線網的布設模式有助于提高平面控制網精度[12-15]。因此,決定在隧道路面上交叉埋設控制點,其網形見圖2。

圖2 隧道洞內交叉控制點布設示意

為保證精度,洞內導線邊長不得小于200m,導線應布設在施工干擾小、穩固可靠的地方,點間視線應距離洞內設施0.2m以上。另外,為減弱旁遮光的影響,洞內導線點應距離洞壁0.5m以上。

洞內導線測量采用徠卡TCA2003型全站儀及配套的對點器、反射鏡,儀器標稱精度:測角±0.5″,測距±(1mm+1ppm×D),其中,D為測距邊長度。導線水平角采用方向觀測法觀測6測回,并按奇偶測回數進行左右角施測;邊長對向觀測3測回,并進行氣象改正、投影改正;角度觀測過程中,在測回間采用儀器和覘標多次置中的方法,以削弱對中誤差對測角精度的影響。

洞內交叉導線網基于地面控制網建立。為保證地面控制網基準的可靠性,應對地面控制網進行周期性復測,復測頻次由1次/a提高至4次/a。當復測地面控制網基準發生變化并超過限差時,應重新從洞外引測洞內控制導線,并以此指導后續隧道施工。

將交叉導線邊方位角與精密陀螺儀所測陀螺方位角進行對比,對比結果見表3。

表3 所測導線邊方位角精度對比

由表3可知,交叉導線網所測方位角與精密陀螺儀所測方位角的差值均在±2″以內。因此,交叉導線網所測得的數據精度可以滿足隧道內的施工需求,表明交叉導線網方法在該項目應用中精度可靠。

3.2 豎井聯系測量

南線通過江心洲,并設置1個江心洲風井,可利用該風井進行豎井聯系測量,采用聯系三角形定向法進行豎井平面聯系測量。通過地面上的近井點K1、K2,將地面坐標和方位角傳遞至井下導線點SY16、SY17,其布設示意見圖3。

圖3 豎井平面聯系測量示意

豎井高程聯系測量中,可采用高程傳遞的方式,在豎井口懸掛鋼絲,在井上、井下分別進行水準測量。

豎井聯系測量所測點SY16、SY17坐標與交叉導線網所測坐標對比見表4。

由表4可知,交叉導線網所測得的SY16、SY17點的坐標值與豎井定向所得點位的誤差均控制在厘米級,證明交叉導線網方案的可靠性。在滿足限差要求后,平差時以豎井聯系測量和交叉導線網所測得的SY16、SY17坐標均值為固定點對井下導線進行平差計算,減小點位誤差積累,以提高江南南線接收井的貫 通精度。

表4 豎井聯系測量所測坐標對比

3.3 精密陀螺儀定向

為保證隧道的準確貫通,在江南北線工作井和江南南線工作井貫通前,采用HGG05陀螺儀對隧道洞內的導線邊方位角進行定向測量。HGG05陀螺儀定向誤差為5″。

由于陀螺儀對外部觀測環境要求較高,水下隧道復雜的外部環境對觀測結果會造成一定影響,故決定采用對向觀測以及與全站儀所測夾角進行檢核的方式來提高陀螺定向精度。具體觀測方式見圖4。

圖4 精密陀螺邊施測方式

分別在B2-B1邊以及B2-B3邊采用陀螺儀進行定向觀測,根據同一條邊的正反方位角相差180°的條件進行第1次檢核;在B2處架設全站儀觀測邊B2-B1與邊B2-B3的夾角β,與陀螺測得的兩條邊方位角的夾角進行第2次檢核,以此來保證所測陀螺邊的精度。

陀螺儀定向施測過程如下:首先在選取已知地面邊SY1～SD2觀測2測回,然后分別在隧道內靠近掌子面并且比較穩固的位置觀測定向邊SZ9～SY10、SZ9～SZ10、HZ7～HZ6、HY7～HZ6各3測回,然后再回到已知地面邊SY1～SD2觀測2測回。測量過程中,同一邊任意兩測回陀螺方位角的互差不得超過(mβ為陀螺定向誤差)。通過對比分析、相互驗證,對交叉導線網所測導線邊的方位角進行改正。

4 精度分析

過江隧道交叉導線網共形成31個閉合環,導線邊的方位角中誤差均不超過±1″,靠近貫通面的導線點中誤差為4.81mm;說明控制網觀測精度較高,均未超過設計的限差要求,并達到預計精度。隧道最終貫通后,通過貫通測量,隧道橫向貫通精度為12mm,高程貫通精度為10mm,遠優于設計要求。

5 結論

(1)交叉導線網適合在長距離隧道內實施,其網形較為穩定,可有效保證控制網的精度。

(2)在隧道掘進過程中,控制網檢核條件受限,應采取合理檢核方式進行精度檢核以及誤差調整,如本研究中采用的精密陀螺定向邊以及豎井聯系測量。

(3)工程實踐證明,采用上述關鍵技術可以有效保證大型隧道洞內控制網的精度,并保證隧道的順利貫通。