長大隧道短邊斜井控制網施測及貫通精度分析

劉杰斌

（中鐵十六局集團第五工程有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

隧道工程在地形復雜地區的鐵路建設中十分常見。隧道的貫通誤差是隧道工程質量控制的關鍵環節，一般通過隧道測量控制網實現。所以隧道測量控制網的布設與觀測方法的選用尤為重要。隧道測量控制網主要分為兩大類：洞外測量控制網和洞內測量控制網，洞外測量控制網主要利用GPS定位系統，而洞內測量控制網主要利用角度及邊長的傳遞組成導線網，因此洞內導線網建立及測量方法決定了隧道貫通精度。長大隧道洞內導線網應布設成交叉雙導線，并形成至少由4～6條邊構成的閉合環,若存在短邊作為進洞聯系邊，為保證閉合環傳遞精度，可采用全圓觀測法，增加觀測邊數量，減小短邊測量引起的角度誤差，滿足隧道測量控制網整體精度指標，但對于存在短邊斜井進入正洞的隧道如何確定合適的控制測量方案設計非常關鍵[1]。

1 工程概況

1.1 線路設計情況

龍南隧道起訖里程DK91+530～DK101+770.225，正洞全長10240.225m，隧道線路曲線半徑9000m，曲線長7305.1m，即DK94+465.1～DK101+770.225位于左偏曲線上，其余地段全部位于直線上。1號斜井位于線路前進方向右側，與線路交于DK93+900，與大里程的夾角為117°，斜井全長1021m，為直線斜交進洞。2號斜井位于線路前進方向右側，與線路交于DK99+000，與大里程的夾角為50°，斜井全長528m，線路曲線半徑150m，曲線215.6m，即XDK0+022～XDK0+237.6位于曲線上，其余地段全部位于直線上。

1.2 平面坐標系統

贛深客專鐵路精測網平面采用國家2000坐標系統，橢球參數為：長半軸a=6378137，扁率1/f=298.257222101，中央子午線114°50′，投影面大地高260m。

2 隧道貫通規范要求

相向開挖隧道長度4km≤L≤7km，根據貫通誤差要求進行隧道平面和高程控制測量設計，隧道洞外、洞內平面和高程控制測量誤差對貫通面上的貫通誤差影響應符合洞外貫通誤差40mm，洞內貫通誤差50mm，洞內外綜合貫通誤差65mm，貫通限差130mm的要求[2]。

3 洞外測量控制

3.1 洞外平面測量控制

原設計精測網復測合格后，結合龍南隧道施工作業工點，以及洞口特殊地貌和GPS測量困難，分別在隧道1號斜井、2號斜井洞口位置布設一條GPS進洞聯系邊，洞外子控制網采用全站儀加密測量。本文主要以1號斜井與2號斜井之間的貫通面做為示例進行控制點的布設及貫通分析（如圖1）。

圖1 龍南隧道洞外測量控制點布設示意圖

本次GPS加密點按衛星定位三等測量，即得LNX04、LNX06方位角中誤差0.21″，邊長相對精度1/875651，CPI050、LNX07方位角中誤差0.22″，邊長相對精度1/884142，CPI052、LNC10方位角中誤差0.18″，邊長相對精度1/901402，均已滿足規范精度指標，因此可作為各斜井的進洞聯系邊。

3.2 洞外貫通估算

隧道長度大于4km，其洞外橫向貫通誤差值主要由GPS測量的洞外聯系邊測量精度及其定位點坐標精度影響，通過下式求得。

式中：

m1、m2——1斜、2斜GPS控制點的Y坐標誤差；

L1、L2——1斜、2斜GPS控制點至貫通點的長度；

W1、W2——1斜、2斜GPS聯系邊的方位角中誤差；

θ、φ——進、出口控制點至貫通點連線與貫通點線路切線角的夾角。

由公式（1）計算1、2號斜井至貫通面：M2=0.172+0.162+(3571cos169°6′8″×0.21/206265)2+(3078 cos352°28′6″×0.22/206265)2=54.5mm，即M=7.38mm。

由公式（1）計算1號斜井至2號斜井洞內：M2=0.182+0.182+(2550cos350°45′20″×0.24/206265)2+(2550cos170°45′20″×0.23/206265)2=64.8mm，即M=8.05mm。

本節計算分析：（1）斜井至貫通面誤差M=7.38mm＜30mm；

（2）1號斜井至2號斜井洞內貫通誤差M=8.05mm＜30mm；

（3）1號斜井、2號斜井洞外總貫通誤差M總=15.43mm＜40mm；

（4）洞外估算貫通總誤差滿足規范指標要求。

4 洞內測量控制

4.1 導線網布設

考慮隧道為長大隧道，洞內導線網按雙導線閉合環布設，每個閉合環由4～6條邊構成。由于斜井短邊進入正洞特殊情況，為增加網的內部檢核條件，提高網的可靠性，布設成交叉雙導線形式（如圖2）。

圖2 龍南隧道洞外導線網布設示意圖

4.2 導線網測量

導線網測量等級采用隧道二等，導線邊長宜控制在200～300m之間，使用0.5″級徠卡全站儀，具體執行指標如下：

（1）邊長測量技術要求：測距儀精度等級Ⅰ等，每邊往返4測回數，一測回讀數較差限值2mm，測回間較差限值3mm；

（2）水平角觀測要求：半測回歸零差4″，一測回內各方向2C互差6″，歸零后同一方向值各測回較差4″；

（3）導線測量精度指標：測角中誤差1.3″，方位角閉合差導線全長相對閉合差1/100000，測距相對中誤差1/250000。

4.3 洞內貫通估算

洞內導線按導線邊長直伸至貫通面估算引起的測角橫向貫通誤差，其計算公式如下：

式中：

mβ——測角中誤差；

ρ″——180×3600/π=206264.806247096≌206265″

Rx——測角、測邊網中鄰近隧道中線的一條側邊上的各點至隧道貫通面的垂直距離；

d y——測角、測邊網中鄰近隧道中線的一條側邊上的各邊相對于隧道貫通面上的投影長度；

ml/l——控制網設計的邊長相對中誤差，取1/80000。

龍南隧道設計為對稱曲線，對曲線部分以近似直線的方法計算橫向貫通誤差，控制導線點間距按照300m左右計算，見表1。

表1 1、2號斜井至貫通面R x2、d y2計算統計

經公式（2）計算1號斜井至貫通面：

求得洞內導線控制測量誤差影響所衍生到貫通面上的橫向中誤差為：

經公式（2）計算1號斜井至貫通面：

求得洞內導線控制測量誤差影響所產生在隧道貫通面上的橫向中誤差為：

本節計算分析：（1）1號斜井至洞內貫通面誤差m1=34.2mm＜40mm；

（2）2號斜井至洞內貫通面誤差m2=32.5mm＜40mm；

（3）隧道進、出口洞內總貫通誤差mq總=66.7mm＜130mm；

（4）洞內估算貫通總誤差滿足規范指標要求。

5 貫通綜合誤差分析

綜上計算分析：（1）龍南隧道1號斜井至2號斜井洞外綜合貫通誤差mq=15.4mm＜50mm；（2）龍南隧道1號斜井至2號斜井洞內綜合貫通誤差mq=66.7mm＜130mm；因此按照此方案執行控制測量，隧道綜合貫通誤差滿足規范指標，即可順利貫通。

6 正洞控制精度檢核及貫通精度評定

6.1 正洞控制精度檢核

為驗證正洞內導線控制點的方位角準確性，特聯合長安大學某教授團隊進行陀螺儀方位角驗證。作業儀器為陀螺全站儀：GAT-05B高精度磁懸浮陀羅全站儀。該儀器標稱精度±50s。

在洞外選取CPI050-LNX08作為地面儀器常數邊，確定洞內LND08-LND10作為陀螺定向邊待定邊。陀螺定向測量具體實施步驟如下：

（1）在CPI050點安置陀螺全站儀，照準LNX08方向，進行陀螺儀定向測量3個測回，全站儀觀測6個測回。

（2）在LND08點安置陀螺全站儀，照準LND10方向，進行2個測回陀螺儀定向測量，全站儀觀測4個測回。

（3）上洞后地面常數測量：在CPI050點安置陀螺全站儀，照準LNX08方向，進行陀螺儀定向測量3個測回，全站儀觀測6個測回。

（4）地面常數邊對向檢核測量。

經計算，陀螺一次定向中誤差為m=±2.1″，洞內陀螺邊定向精度為1.6″。已知LND08→LND10導線坐標方位角為161°42′27.5″，計算求得LND08→LND10洞內陀螺定向方位角成果161°42′30.2″，較差-2.7″。龍南隧道洞外、洞內陀螺定向觀測導圖見圖3。

圖3 龍南隧道洞外、洞內陀螺定向觀測圖

本次測量成果屬于高精度測量成果，滿足陀螺定向精度要求，方位角成果具有可靠性。

6.2 貫通精度評定

隧道掘進過程中，嚴格按照隧道二等要求進行施測，最終貫通精度為：龍南隧道1號斜井至2號斜井洞內綜合貫通誤差mq=56.2mm＜66.7mm＜130mm，貫通精度滿足規范指標要求。同時也驗證了貫通綜合分析結論的可靠性。

7 結束語

綜上所述，通過對龍南隧道洞外GPS控制網測量分析，以及洞內導線網布設、觀測方案的確定，計算過程結合工況條件對橫向中誤差進行分配，以長、短邊誤差權重分配原理進行貫通誤差估算分析，尤其是設有長斜井且短邊進入正洞的處理方法得到詮釋。長大隧道多個開挖工作面的施工控制測量均可采用此方法進行導線網觀測，貫通精度穩定可靠，為高鐵隧道控制測量提供有力的支持。