程遠(yuǎn)達(dá)，傅曉明

(上海市測繪院，上海 200063)

1 引言

在城市范圍內(nèi)，為節(jié)約土地資源一般采用地下隧道來滿足軌道交通、公路工程和大型輸水管道的需要，為減少對(duì)城市運(yùn)營的影響，隧道絕大多數(shù)采用盾構(gòu)法施工。隧道貫通測量的目的就是確保盾構(gòu)按照設(shè)計(jì)的線路中心向前延伸，并準(zhǔn)確進(jìn)洞。一般的對(duì)采用盾構(gòu)法施工隧道的設(shè)計(jì)，貫通區(qū)間長度≤1.5 km，工作井深度≤20 m，中心平面曲線半徑不小于 500 m，這樣條件的隧道工程在貫通測量作業(yè)時(shí)按規(guī)范中相關(guān)技術(shù)要求施測，取得較好貫通精度已有許多成功的案例。而當(dāng)隧道設(shè)計(jì)長度加長至 2.5 km～2.8 km，工作井深度加深到 40 m，貫通區(qū)間中心線有多個(gè)半徑小于500 m的曲線段，而且貫通測量中誤差(≤±50 mm)的要求不變，按照規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求是難以滿足工程貫通的需要，必須對(duì)貫通測量誤差進(jìn)行估算，并對(duì)貫通測量中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制。本文主要討論小半徑、大深度隧道貫通測量的精度研究，并在關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了針對(duì)措施和在實(shí)際工程進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐。

2 隧道貫通測量的誤差來源

隧道工程施工一般是盾構(gòu)由一側(cè)豎井開始，掘進(jìn)至另一側(cè)豎井結(jié)束，在盾構(gòu)推進(jìn)線路的縱向、橫向及豎向會(huì)出現(xiàn)貫通誤差，其中縱向貫通誤差主要影響隧道中線的長度，而橫向誤差和高程貫通誤差對(duì)工程的貫通影響最大，已有隧道工程貫通測量的經(jīng)驗(yàn)證明高程貫通誤差容易控制，因此控制好橫向誤差是貫通測量的關(guān)鍵。

從隧道貫通測量的整體工藝看，主要包含了地面控制測量、聯(lián)系測量、地下平面控制測量、地下高程測量、盾構(gòu)姿態(tài)測量和洞門測量等，因此貫通測量的誤差主要來源如下幾方面:①地面控制測量所引起的橫向貫通中誤差m1;②盾構(gòu)出洞處豎井聯(lián)系測量中誤差m2;③地下導(dǎo)線測量所引起的橫向貫通中誤差m3;④盾構(gòu)姿態(tài)的定位測量中誤差m4;⑤盾構(gòu)進(jìn)洞處洞口中心坐標(biāo)測量中誤差m5。

《城市軌道交通工程測量規(guī)范》(GB50308－2008)規(guī)定，地面控制測量的中誤差為±25 mm，聯(lián)系測量的中誤差為 ±20 mm，地下導(dǎo)線的測量中誤差為 ±30 mm［5］。在貫通測量誤差來源中，地面控制測量、盾構(gòu)姿態(tài)和盾構(gòu)進(jìn)洞處洞口中心坐標(biāo)測量的誤差不受地下施工條件的影響，只有聯(lián)系測量、地下導(dǎo)線測量隨隧道的設(shè)計(jì)條件差異而采取不同的技術(shù)措施。工作井深度大，造成聯(lián)系測量成果不穩(wěn)定，而且聯(lián)系測量的橫向中誤差≤±20 mm，其值又與隧道的長度相關(guān)，長度越長必然要求聯(lián)系測量的起始邊方位角精度高;當(dāng)隧道區(qū)間長度長且中心線多個(gè)半徑小于 500 m曲線段時(shí)，地下導(dǎo)線點(diǎn)的平均邊長縮短、設(shè)站數(shù)隨之增加，地下導(dǎo)線的累積誤差明顯增大。因此針對(duì)小半徑、大深度隧道貫通測量必須控制好聯(lián)系測量、地下導(dǎo)線測量這兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過研究貫通的誤差，制訂科學(xué)合理的技術(shù)方案以滿足聯(lián)系測量的中誤差為±20 mm和地下導(dǎo)線的測量中誤差為 ±30 mm的要求，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)準(zhǔn)確進(jìn)洞。

3 關(guān)鍵測量環(huán)節(jié)的技術(shù)設(shè)計(jì)

在小半徑、大深度隧道工程條件下，研究分析聯(lián)系測量和地下導(dǎo)線測量工序的誤差來源，正確估算測量誤差，是制訂科學(xué)合理的技術(shù)方案和措施的基礎(chǔ)。

3.1 聯(lián)系測量傳遞至井下起始邊方向中誤差的確定

聯(lián)系測量的主要目的是把地面控制點(diǎn)的坐標(biāo)準(zhǔn)確

式中，mt為井下起始邊的方向中誤差，L為地下導(dǎo)線的長度，m2聯(lián)系測量的中誤差為 ±20 mm。

3.2 聯(lián)系三角形測量的誤差分析與觀測指標(biāo)設(shè)計(jì)

聯(lián)系三角形法測量要滿足井下起始邊的方向中誤差mt≤±1.65″的要求，對(duì)其測角測距的技術(shù)要求分析如下。聯(lián)系三角形定向測量(如圖1所示)是將工作井上的地面控制點(diǎn)(近井點(diǎn)A)和已知方向，通過3根豎直的鋼絲組成左右三角形，通過測量井上井下的γ、γ'角和測站至鋼絲的距離(a、b邊)、鋼絲間的距離(c邊)，按余弦定理校核三角形內(nèi)符合，在滿足限差要求后，計(jì)算α角和鋼絲的方位角和坐標(biāo)，將坐標(biāo)準(zhǔn)確地傳遞至井下地下導(dǎo)線起始點(diǎn)(A')，方位準(zhǔn)確地傳遞至起始邊。α按式(2)計(jì)算。傳遞至地下，作為地下導(dǎo)線的基準(zhǔn)。目前應(yīng)用較多的方法有陀螺定向法、鉆孔投點(diǎn)法、聯(lián)系三角形法和導(dǎo)線定向法。而要在工作井深度深的條件下取得高精度的坐標(biāo)傳遞和方位傳遞，經(jīng)常采用聯(lián)系三角形法實(shí)施。聯(lián)系測量的中誤差≤±20 mm，一般可理解為聯(lián)系測量坐標(biāo)、方位傳遞對(duì)地下導(dǎo)線最遠(yuǎn)端點(diǎn)引起的橫向誤差，施工隧道長度的長度越長要求井下起始邊方向中誤差應(yīng)越小。假使隧道長度為 2 500 m時(shí)，井下起始邊方向中誤差(mt)依據(jù)(1)式計(jì)算可得≤±1.65″。

圖1 聯(lián)系三角形定向示意圖

為了確定角度γ與邊長a、c邊的測量誤差對(duì)于角度α的影響，微分式(2)后可得:

式中ms為測距中誤差，mβ1為井上或井下測邊對(duì)α角引起的誤差，ρ取206265。角度γ測量對(duì)α引起的誤差為:

式中ma為角度γ的測角中誤差。

根據(jù)誤差傳播定理，推出地下導(dǎo)線起始邊方向中誤差mt為:

依據(jù)式(3)、式(4)、式(5)地下導(dǎo)線起始邊方向中誤差為:

當(dāng)聯(lián)系三角形定向中距離測量選用Ⅰ級(jí)測距精度(1 mm±1 ppm×D)的儀器和反射片以取代鋼尺量距時(shí)，其測距中誤差ms為 1 mm，而γ角一般控制在1°以內(nèi)，當(dāng)ρ取206265，依據(jù)式(6)可計(jì)算a、c邊長與角度測量中誤差對(duì)起始邊影響，結(jié)果如表1所示:

邊長a、c和角度γ測量誤差對(duì)起始邊方向中誤差的影響 表1

由此表1可見，聯(lián)系三角形測量傳遞至井下起始邊的方向中誤差 mt≤±1.65″，必須將的值控制在0.5以內(nèi)，且角度 γ的測角中誤差應(yīng)≤±0.71″，依據(jù)《精密工程測量規(guī)范》(GB/T15314－94)規(guī)定，測角采用0.5″級(jí)全站儀按9測回測量。

3.3 地下導(dǎo)線測量的誤差分析與觀測指標(biāo)設(shè)計(jì)

地下導(dǎo)線測量中起始邊對(duì)貫通誤差的影響已在聯(lián)系測量中考慮，在不考慮起始邊方位影響的前提下，依據(jù)式［1］(7)可知地下導(dǎo)線測量對(duì)隧道貫通橫向誤差主要來源于角度測量誤差，邊長測量誤差對(duì)地下導(dǎo)線橫向誤差的影響較小。

式中:mβ為測角中誤差，n為導(dǎo)線測站數(shù)，ρ取206265。

當(dāng)?shù)叵聦?dǎo)線的長度為2.5 km時(shí)，若地下導(dǎo)線的測量中誤差 m3≤±30 mm，依據(jù)式(7)可計(jì)算導(dǎo)線測站數(shù)、導(dǎo)線邊長和測角中誤差的關(guān)系，如表2所示。

導(dǎo)線測站數(shù)、導(dǎo)線邊長和測角中誤差關(guān)系 表2

從表2中可以看出，當(dāng)?shù)叵聦?dǎo)線的設(shè)站數(shù)超過16時(shí)，測角中誤差應(yīng)≤±1″，根據(jù)《精密工程測量規(guī)范》(GB/T15314－94)的規(guī)定，介于二級(jí)(0.71″)與三級(jí)(1.41″)測角中誤差之間，為確保地下導(dǎo)線的誤差 ≤±30 mm，測角采用0.5″全站儀施測其測回?cái)?shù)為9，測距采用I級(jí)測距精度(1 mm±1 ppm×D)，往返各觀測2測回。

4 工程實(shí)例中控制措施的應(yīng)用

青草沙水源地原水工程是上海“十一五”重大民生工程，其中島域輸水隧道工程(如圖2所示)由輸水泵站接出2根φ5500原水管，設(shè)置了水庫出水輸水閘井(以下簡稱3號(hào)井)、輸水管線中間盾構(gòu)工作井(以下簡稱2號(hào)井)和長江過江管島域工作井(以下簡稱1號(hào)井)等3個(gè)工作井，盾構(gòu)推進(jìn)施工分為東線和西線，由1號(hào)井出洞、2號(hào)井進(jìn)洞(長度 2.5 km)，2號(hào)井出洞、3號(hào)井進(jìn)洞(2.8 km)。1號(hào)井井深約 40 m，2號(hào)井井深約 24 m，3號(hào)井井深約 18 m，此工程是一個(gè)典型的小半徑、大深度隧道工程。

圖2 島嶼段輸水隧道工程示意圖

4.1 聯(lián)系測量控制措施

按照本文3.2確定的聯(lián)系測量觀測技術(shù)指標(biāo)，采用TCA2003全站儀，測距使用Leica公司的標(biāo)準(zhǔn)反射片，測角分3組，共9測回。4條隧道聯(lián)系三角形測量的成果統(tǒng)計(jì)如表3所示:

聯(lián)系三角形起始邊中誤差計(jì)算表 表3

由表3可以看出，1－2號(hào)井東線、2－3號(hào)井東線聯(lián)系三角形傳遞井下起始邊的方向中誤差超過了±1.65″，最終1－2號(hào)井東線貫通的誤差為 8.7 cm，接近了規(guī)范規(guī)定的限差。為此根據(jù)本工程聯(lián)系三角形測量的要求和現(xiàn)場條件分析誤差來源，提出改進(jìn)措施。自2－3號(hào)井東線第3次測量開始，把措施落實(shí)到實(shí)際測量環(huán)節(jié)中，自此起始邊的方向中誤差≤±1.65″，貫通誤差(如表4所示)也滿足 ±5 cm的要求，由此可見聯(lián)系三角形測量過程中確定的聯(lián)系測量觀測指標(biāo)是科學(xué)合理的，但保證觀測指標(biāo)與估算結(jié)果的一致，除規(guī)范規(guī)定的要求外加強(qiáng)的措施如下:

(1)工作井深度大，確保鋼絲的垂直性與穩(wěn)定性，選定φ0.5 mm鋼絲，懸掛重錘的重量為 13 kg;

(2)在工作井大小確定的情況下，縮短近井點(diǎn)到O1鋼絲的距離(約 9 m)，減小a/c的值;

(3)改善觀測的環(huán)境，如井上吊鋼絲的架子高度增加 0.5 m，去除施工圍欄對(duì)觀測視線的干擾，同時(shí)用白紙作為鋼絲觀測的背景以提高角度觀測的分辨力;

(4)保持觀測過程中鋼絲的穩(wěn)定，如重錘在阻尼液中至少有1/5高出阻尼液面，井下工作面禁止施工人員來回走動(dòng)，減少對(duì)鋼絲干擾;

(5)選擇合適的天氣和觀測時(shí)間，避免溫度變化較大的時(shí)間段，避免太陽光線對(duì)鋼絲的漫射;

(6)鋼絲懸掛完畢后穩(wěn)定 30 min，并比對(duì)井上、井下鋼絲間距離，其較差小于 1 mm后，方可開始角度觀測。

貫通誤差統(tǒng)計(jì)表 表4

4.2 地下導(dǎo)線測量控制措施

地下導(dǎo)線測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于角度測量，采用TCA2003全站儀按左4右5共9測回進(jìn)行自動(dòng)觀測，由于隧道深度深且線路中心的半徑小，造成地下隧道測量環(huán)境不穩(wěn)定，即使按照規(guī)定的技術(shù)要求觀測，但很有可能造成實(shí)際的測角中誤差大于0.71″或角度之間存在小值粗差，為此在工程中采取了一下的控制措施:

(1)地下導(dǎo)線的控制點(diǎn)全部設(shè)置為強(qiáng)制歸心標(biāo)，消除對(duì)點(diǎn)誤差;

(2)隧道內(nèi)彎道處每 200 m增加鼓風(fēng)機(jī)，改善地下導(dǎo)線觀測的環(huán)境，提高測角的穩(wěn)定性;

(3)加強(qiáng)前后各次地下導(dǎo)線角度觀測數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，對(duì)角度異常的測站進(jìn)行重復(fù)測量。以其中一條隧道最后一次地下導(dǎo)線(如圖3所示)測量數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，如表5所示:

地下導(dǎo)線比對(duì)中與上次角度之差可以基本判斷控制點(diǎn)的變動(dòng)或角度異常，與上次角度之差的累積可以確定控制點(diǎn)的變動(dòng)或角度異常的測站，從表5中可以看出，LK8點(diǎn)發(fā)生了變動(dòng)，而測站LK6、LK11存在角度誤差進(jìn)行返工重測，經(jīng)重測后角度的累積差為－0.8″，最后本條隧道平面貫通誤差 8 mm。

圖3 地下導(dǎo)線布設(shè)示意圖

地下導(dǎo)線角度測量值分析 表5

5 結(jié)語

小半徑、大深度隧道的貫通測量給測繪工作帶來了新挑戰(zhàn)，通過抓住聯(lián)系測量和地下導(dǎo)線測量這兩個(gè)關(guān)鍵，進(jìn)行嚴(yán)密的精度估算并制定科學(xué)合理的觀測技術(shù)指標(biāo)，對(duì)測量的數(shù)據(jù)及時(shí)分析尋找異常，并結(jié)合現(xiàn)場條件制定可行的保障措施，不但可以克服小半徑、大深度條件隧道給貫通測量精度帶來的不利影響，而且可以獲取高精度的測繪成果，為工程施工提供優(yōu)質(zhì)的測繪保障。

［1］張正祿．工程測量學(xué)［M］．武漢:武漢大學(xué)出版社，2005．

［2］高紹偉．激光鉛垂儀向上投點(diǎn)在地鐵隧道工程中進(jìn)行聯(lián)系測量的實(shí)踐［J］．北京測繪，2008(2):57～60．

［3］王啟善．特長距離高精度巷道貫通測量方案設(shè)計(jì)及精度分析［J］．煤礦安全，2011，42(3):135～138．

［4］姚文強(qiáng)．國內(nèi)長距離跨江隧道一次性掘進(jìn)貫通測量關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．城市勘測，2012(3):118～121．

［5］GB50308－2008．城市軌道交通工程測量規(guī)范［S］．

［6］GB/T15314－94．精密工程測量規(guī)范［S］．