高鐵長大隧道洞內施工平面控制測量方法研究

鄧云鵬DENG Yun-peng

（四川川交路橋有限責任公司，德陽 618300）

0 引言

近年來，基于測量儀器、數據平差處理軟件的快速發展，為隧道工程洞外施工建設提供了極大幫助。且基于測量方案內容指導，測量工作的準確程度能夠與洞外平面測量需求吻合。但在隧道洞內施工階段，照明因素會較大程度地影響高程控制測量的精準程度。因洞內的高程變化不明顯，只需采用精準度較高的電子水準儀，就能夠合理控制測量結果的準確性。然而隧道工程洞內空間狹窄且長，內部空氣質量較差，很容易受多項施工工序影響而增加內空間平面控制測量的控制難度。為此，結合實際工程案例探討長大隧道洞內施工平面控制測量具體方法，以促進此類工程順利施工。

1 高鐵長大隧道洞內施工平面控制測量方法——以東華山隧道為例

1.1 項目概況

東華山隧道工程的起訖里程為DK145+754～D1K152+700，全長6946m，中心里程為D1K149+277。在隧道DK145+754～DK148+262.2595 段左線位于半徑R=4500m的左偏曲線上，而DK145+754～DK148+262.2587 段右線位于半徑R=4504.6m 左偏曲線之上。隧道的進口里程為DK145+754，出口里程為D1K152+700，而進口軌面高程是401.0910m，出口軌面高程是371.6006m。

1.2 測量方法

1.2.1 選擇網型

精密的導線測量是隧道工程洞內平面控制的主要方法，在長期施工實踐過程中，如果洞內單向掘進里程不超過3km，則應選取閉合導線測量方法。結合東華山隧道項目情況，導線布設形式則應選擇多邊形閉合環形式。長隧道盡量選擇交叉雙導線形式布設，使網內部檢核條件改善并增強其可靠性能[1]。開展此隧道施工期間，襯砌養護臺車、鉆爆臺車、防水板臺車與襯砌臺車等均停于與開挖作業面相近的位置，直接影響測量的通視性。于中心水溝兩側布點位置形成閉合環式導線，能夠對坐標傳遞產生積極影響。如果此段選擇交叉雙導線，通視寬度在2-3m 之間，會使各閉合環內存在不超過1°的角（2 個）。測量小角的精準度難以得到保障，更容易出現環的閉合差超限的情況[2]。

結合東華山隧道情況分析，將交叉雙導線布設在隧道洞口向內4km 的范圍，導線環的布設數量為16 個，且邊長均控制在250m。在進入隧道洞內4km 后，應以閉合導線為主要參考向前延伸，直至仰拱端頭的位置。在估算貫通誤差后明確此測量方案的應用，能夠使數據精準程度處于規定的誤差范圍之內[3]。此隧道項目的導線測量等級根據相關規范確定為二等，具體規范技術要求應滿足表1-表3 所示要求。

表1 導線測量技術要求（1"儀器）

表2 邊長測量技術要求

交叉雙導線的布設如圖1 所示。

圖1 交叉雙導線布設圖示

1.2.2 埋設控制點

控制點設置的過程中，要使用電鉆打孔，并選擇在隧道兩側的電纜槽部位進行固定，通常測量標志的材料應是不銹鋼，保證距離隧道側壁1.5m 的位置。需要注意的是，控制點的布設應成對進行，在一段里程中，控制點四周均應保持10m 距離，進而在導線測量期間參考距離完成（圖2）。

圖2 控制點埋設位置圖示

此外，要綜合考慮隧道工程內部環境等因素，洞內控制測量導線的長度最佳長度是250m。同時，要盡可能保證邊長接近，以免測量照準狀態下調焦操作出現較大的視覺誤差。通常選擇隧頂正中的部位布設通風管，若布設位置是兩側，則會對測量過程的通視感產生影響，也會影響監測襯砌沉降的效果[4]。以電纜槽水溝側壁頂端的位置為主完成控制點的埋設，能夠完全規避填充面的行車道，為避免測量準確度受到影響，應合理采取保護措施。洞內測量使用全站自動照準的過程中，在激光相位的基礎上完成計算，但計算結果很容易受影響，甚至還會有旁折光效應的發生。即便是采用人工觀測的手段，仍會在旁折光的作用下使視線受到影響。為此，在實際測量的過程中，測量的視線和構筑物旁離應不低于0.2m，在解決上述問題的同時亦可使角度測量結果更準確。測量隧道側壁時，其直線段測量視線、控制點均需與側壁保持合理距離，而曲線段則不同，需要保證控制點距離側壁小于控制點[5]。如圖3 所示，東華山隧道施工建設期間，在測量視線與側壁距離為0.2m 時，確定控制點與側壁最小距離的公式如下：

圖3 測線與隧道側壁距離計算圖示

（圓曲線的半徑用R 表示；導線邊長則通過S 表示）。參考以上公式，最小距離計算所得為0.98m。

對隧道工程洞內進行測量期間，由于內部環境的水蒸氣、煙塵等因素始終存在，使得測角檢測結果容易受到旁折光影響，難以得出相應的測量規律。但需要注意的是，控制點與側壁距離越遠，越不容易受到旁折光的影響，越能夠保證測角的精確性[6]。在東華山隧道高鐵長大隧道工程項目中，圓曲線段的控制點布設位置選擇于電纜槽水溝與隧中一側相近的側壁頂端。導線測量階段，測量儀器中心應當距離隧道側壁1.5m 遠，測量視線和側壁最小的距離為0.7m，規范距離是0.2m，能夠使旁折光所引起的測角誤差減小。

1.2.3 測量儀器的選用

為滿足東華山隧道洞內施工平面控制測量的技術要求，選擇全站儀時將1"級以上測量機器人作為首選，同時選擇自動照準智能全站儀[7]。上述選用的儀器設備均具有自動照準的功能，同時兼具搜索的自動化特點，在照準棱鏡的基礎上測量角度，有效減小了人工測量方式引起的誤差。

1.2.4 外業施測

在開展外業測量的過程中，要求嚴格遵循二等導線技術進行。但交叉雙導線測站的數量多，需在測量之前根據點位圖對轉站的順序提前編制，以免出現漏測或是少測的問題[8]。另外，測量前要系統檢查并矯正棱鏡與儀器基座等部位。值得注意的是，隧道洞內與洞外始終存在溫差，所以要求在測量之前將儀器靜置，且時間超過20min，確保其適應洞內的溫度，以免鏡頭與棱鏡出現水露。校正儀器和基座過程中，很難保證1mm 調校的效果。所以在儀器和棱鏡對中期間，要從多個方向進行檢查，以確保各方向偏差基本一致，盡可能減小對中誤差。每觀測完成一站，均需在現場對測回間等指標進行計算，一旦出現與規范要求不符的情況要重新測量。而閉合環測量完成后，應選擇可編程的計算器對其與規范要求的契合程度進行計算，如果存在超限的情況同樣需重新測量。因隧道洞內的施工工序相對復雜，直接影響了內部空氣質量，甚至會影響觀測條件。在這種情況下，測量控制網的過程中盡量停工，確保一次性完成觀測[9]。結合長期實踐了解到，一次性觀測的精準度更高。且控制網的精準度越高，隧道工程質量也越高，所以停工測量具有一定可行性。

1.3 數據處理與結果分析

第一，檢查修正。采集閉合環數據以后，即可檢查并修整相關數據。可通過對平差軟件的使用對所采集的數據進行計算處理，同時參考誤差標準，一旦出現不符合的情況，應當確定控制點具體編號，在重新測量后獲得更準確的數據。在處理數據過程中，一般需借助軟件實現清除粗差的目的，降低檢測的容錯率。對隧道工程洞內邊長測量結果修訂時，要確定基準面和基準線差異，并以高程比為依據矯正數據信息，使測量結果更準確。第二，精密平差。精密平差是數據處理的重點，為閉合測量精準度的提升提供了極大幫助。計算前要合理選擇平差軟件，常用軟件包括南方平差易與科達普施。上述測量軟件在準確計算單閉合環精準度的同時做出客觀評定，進而達到整網平差的目的[10]。前者能夠計算出閉合環的閉合差，并以“通過”、“好”、“很好”、“非常好”等表達形式顯示單環精準度。此外，針對與限差要求吻合但精準度不高的單閉合環要開展外業補測作業，保證單個閉合環精準度評價均滿足“非常好”，使整網精準度提升。結合東華山隧道項目實際情況，利用南方平差易軟件針對控制網實施整網平差，選用科達普施軟件對比檢驗平差結果。若計算期間出現較多數據迭代情況而收斂不明顯，軟件會自動暫停計算，并重新測量較差精準度數據，在合格的情況下才會開展后續平差的計算，進而提高數據計算的科學性。第三，測量成果。以上任務完成后即可開展數據整理工作，以對錯項和漏項內容展開重點檢查。一旦數據出現問題，應及時重新測量，以獲取可靠性更強的結果。而在整理期間，重點集中于控制網等級、控制點數量、待測數據數量、控制測量標準等等，在完成數據記錄與備份后，即可用于制定施工方案中，進而增強測量準確性。第四，貫通效果分析。東華山隧道工程在控制網布測方案制定完成后，選擇使用具有較高性能的測量機器人，并對隧道洞內與洞外細部工作環節重點把控，并實現了貫通目標。根據貫通測量結果，其橫向的誤差是3mm，而縱向誤差是2mm，比規范的限差要求小。

2 優化隧道洞內施工平面控制測量措施

2.1 使用新型測量方法 開展平面控制測量工作期間，合理采用新型測量方法能夠使測量速度加快，同樣可保證數據檢測結果的準確性。在測繪技術體系趨于完善的情況下，可選擇的測量方法也逐漸增多，以GPS、RTK、GNSS 等最常使用。在測量方法實際運用期間，依托大數據與信息技術優勢整理相關數據信息，以構建新型的測量應用機制。需在各體系內詳細標記不同方法應用要點與步驟，并于測量前期系統采集基礎資料，以分析結果為依據篩選相應的測量手段，使所選測量方法適用性更強。

2.2 科學管控測量誤差 測量實踐中，科學管控測量產生的誤差，能夠使實際采集的數據信息更加實用，在方案內容改進方面作用突出。所以，實際測量期間有必要及時調試測量儀器，使其精準性能滿足標準要求。此外，組織測量工作人員參與專業技術培訓和教育，盡可能避免人為因素引起的誤差而出現測量結果準確度偏低的情況發生。而且在測量期間加大監督力度，亦可使測量容錯率有所降低[11]。另外，應綜合考慮隧道工程洞內的環境，選取各個控制點測回次數增加的方式。尤其是除了正反鏡，保證控制點測回次數為2-3 次。獲取多個測量數據后計算平均數值，能夠有效降低數據的誤差。

2.3 測量設備調試保養 測量使用的儀器應定期接受調試并采取養護措施，使運行狀態更穩定，保證獲取的數據更實用。在實際測量過程中，因設置的控制點數量多，所以要采集大量數據。應在外業測量時對各控制點序號進行編制，按照順序完成數據信息的采集作業。在測量前，要對設備精準性進行校正，以保證所采集數據的準確性。完成測量工作后要合理保養測量儀器，在清除附著物后恢復初始狀態，使測量儀器實用性得到提升。

2.4 控制點保護 在合理保護控制點的基礎上，利于實現測量成本節省的目標，為后續測量操作的開展提供幫助。在選擇標志方面，需在質量達標的同時具備耐久性能，使用砂漿在鉆孔部位固定標志[12]。在復測之前，要嚴格檢查控制點的偏移狀況，如果偏移量較大，應對控制點進行更換，以免影響測量結果的準確度。

2.5 增強工作者專業水平 測量工作者綜合能力的提升可減少人為失誤的不良影響，使測量環境更穩定。測量作業開展前，針對參與項目測量工作人員展開系統培訓，對測量工序與細節進行梳理，確保其測量知識體系得以完善，謹遵體系要求操作。此外，合理分配測量工作人員責任，如果出現高容錯率的問題，需在重新測量的基礎上追責相應負責人，使測量工作人員提高重視度，促進測量環境的優化。

3 結束語

綜上所述，測量在隧道工程項目建設施工中的作用不容小覷，若經測量未獲取有價值的數據信息，將對隧道建設產生較大影響。研究選擇東華山隧道項目，并結合項目實際情況選擇洞內的施工平面測量方案，結合數據處理與結果分析，網型的選擇、控制點埋設、測量儀器、外業施測等均為洞內施工平面測量工作的順利開展提供了幫助，且通過針對性的數據處理方法，綜合測量結果得知洞內橫向的誤差是3mm，縱向誤差是2mm，比規范的限差要求小，證實此測量方案具有一定可行性。通過采取相關優化措施，能夠使隧道洞內平面控制測量獲取的數據信息更準確，且施工方案內容的可操作性更強，為隧道工程項目的施工建設提供必要保障。