超長(zhǎng)隧道橫向貫通誤差分析——洞內(nèi)平面控制測(cè)量部分

李冠青，黃聲享

(武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北武漢430079)

摘要：國(guó)內(nèi)超長(zhǎng)隧道工程越來越多，而針對(duì)20 km以上隧道的橫向貫通誤差限差問題尚缺乏規(guī)范與經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)此問題，文中利用CODAPS軟件包，具體分析直線型和曲線型超長(zhǎng)隧道橫向貫通誤差的影響因素。通過模擬分析，得出導(dǎo)線網(wǎng)邊長(zhǎng)、測(cè)角精度、測(cè)邊精度對(duì)橫向貫通誤差的影響規(guī)律，為理論研究和工程實(shí)踐提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：超長(zhǎng)隧道；橫向貫通誤差；測(cè)角精度；測(cè)邊精度；導(dǎo)線邊長(zhǎng)

中圖分類號(hào)：TB22文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-03-27;修回日期：2014-09-10

作者簡(jiǎn)介：李冠青(1990-)，男，碩士研究生.

Lateralbreakthrougherroranalysisofsuperlongtunnel

——derivedfrominsidehorizontalcontrolsurvey

LIGuan-qing，HUANGSheng-xiang

(SchoolofGeodesyandGeomatics，WuhanUniversity，Wuhan430079,China)

Abstract：There is an increasing number of super long tunnels in China，but technical standards and experiences about lateral breakthrough error range of super long tunnels which are more than 20 km are lacking.Aiming at this problem，it analyzes the lateral breakthrough error influence factors of liner and curved super long tunnel in the use of CODAPS software.And through the simulation analysis，laws of edge length of traverse，angle measuring accuracy and baseline measuring accuracy affecting lateral breakthrough error are obtained，which have a certain reference value for the relevant theoretical research and engineering practice.

Keywords：superlongtunnel;lateralbreakthrougherror;anglemeasuringaccuracy;baselinemeasuringaccuracy;edgelengthoftraverse

現(xiàn)有規(guī)范對(duì)相向開挖長(zhǎng)度超過20km的隧道貫通誤差沒有明確的規(guī)定，而目前國(guó)內(nèi)20km以上的隧道越來越多，且隧道里程不斷加大，隧道等級(jí)不斷提升，鐵路隧道、公路隧道、引水隧道都在以這樣的趨勢(shì)發(fā)展。本文針對(duì)這一現(xiàn)象，著力探討20km以上隧道的貫通誤差問題。隧道貫通誤差分地面和洞內(nèi)兩部分，其大小取決于相應(yīng)控制測(cè)量的精度。結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際工程要求和測(cè)量技術(shù)水平，橫向貫通誤差的要求最難達(dá)到。對(duì)于只有一個(gè)貫通面的隧道而言，影響橫向貫通誤差的因素就是洞內(nèi)、外平面控制測(cè)量的測(cè)量誤差[1]。本文重點(diǎn)分析洞內(nèi)平面控制測(cè)量引起的橫向貫通誤差。

1洞內(nèi)平面控制網(wǎng)

對(duì)于超長(zhǎng)隧道，洞內(nèi)導(dǎo)線可分由大地四邊形構(gòu)成的全導(dǎo)線網(wǎng)和交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)，如圖1所示。以20km長(zhǎng)、6m寬隧道為例，長(zhǎng)導(dǎo)線邊按600m設(shè)計(jì)，觀測(cè)精度取LeicaTS30全站儀的標(biāo)稱精度，角度測(cè)量0.5″，距離測(cè)量0.6+1×10-6D，大地四邊形的兩條短邊不做方向觀測(cè)，利用CODAPS控制測(cè)量數(shù)據(jù)處理通用軟件包進(jìn)行模擬計(jì)算(下文所有模擬計(jì)算均采用此軟件包進(jìn)行)，對(duì)比兩種網(wǎng)形。

圖1　洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)布設(shè)示意圖

全導(dǎo)線網(wǎng)方向觀測(cè)值262個(gè)，邊長(zhǎng)觀測(cè)值166個(gè)，共計(jì)428個(gè)，橫向貫通誤差91.8mm；交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)方向觀測(cè)值202個(gè)，邊長(zhǎng)觀測(cè)值98個(gè)，共計(jì)300個(gè)，橫向貫通誤差105.6mm。比較發(fā)現(xiàn)，交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)的觀測(cè)量比全導(dǎo)線網(wǎng)少43%，貫通精度只下降15%。采用交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)可以大幅減少工作量，有效避免旁折光對(duì)隧道邊墻測(cè)邊的影響，且能保證很好的網(wǎng)形強(qiáng)度和測(cè)量精度。綜合考慮工程需要、工作量、費(fèi)用等因素，對(duì)于長(zhǎng)隧道和超長(zhǎng)隧道，優(yōu)先推薦交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)用于洞內(nèi)平面控制測(cè)量。為此，下文所有模擬計(jì)算均以交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)為例。

2直線型隧道模擬分析

2.1　測(cè)角、測(cè)邊精度影響

目前，國(guó)家規(guī)范對(duì)相向開挖長(zhǎng)度小于20km的隧道橫向貫通誤差規(guī)定見表1[3]。

表1　隧道橫向貫通誤差的規(guī)范規(guī)定

針對(duì)超長(zhǎng)隧道，以常見的鐵路隧道為例，寬6m，長(zhǎng)導(dǎo)線邊按600m設(shè)計(jì)，方向觀測(cè)精度取0.5″、0.7″，測(cè)邊精度取0.6+1×10-6D、1+1×10-6D、3+2×10-6D，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　測(cè)角、測(cè)邊精度對(duì)直線型超長(zhǎng)隧道洞內(nèi)

2.2　導(dǎo)線邊長(zhǎng)影響

上面的分析都是長(zhǎng)導(dǎo)線邊按600m設(shè)計(jì)，但是很多時(shí)候，由于洞內(nèi)的光照條件、灰塵、機(jī)械、車輛等影響，隧道工程的實(shí)際情況可能無法滿足這一條件。武夷山特長(zhǎng)隧道貫通后實(shí)測(cè)導(dǎo)線邊長(zhǎng)245～418m，平均邊長(zhǎng)只有292.8m[4]；中天山特長(zhǎng)隧道邊長(zhǎng)是按進(jìn)口段650m、出口段400m的導(dǎo)線測(cè)量方案設(shè)計(jì)[5]；秦嶺特長(zhǎng)隧道按平均邊長(zhǎng)500m設(shè)點(diǎn)[6]。針對(duì)這一現(xiàn)象，現(xiàn)在分析洞內(nèi)平面控制網(wǎng)的導(dǎo)線邊長(zhǎng)對(duì)隧道橫向貫通誤差的影響和規(guī)律。按隧道寬6m，測(cè)角精度0.7″，測(cè)邊精度1+1×10-6D設(shè)計(jì)，交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)的長(zhǎng)導(dǎo)線邊從200m增加到600m，進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見表3。

從表3可以看到，在相同的測(cè)角精度和測(cè)邊精度條件下，隨著導(dǎo)線邊長(zhǎng)度的增加，隧道橫向貫通誤差呈逐漸減小的趨勢(shì)，減小的速度越來越慢；邊長(zhǎng)增加相同長(zhǎng)度時(shí)，隧道長(zhǎng)度越大，橫向貫通誤差減小的幅度越大。并且，對(duì)于20km長(zhǎng)隧道，導(dǎo)線邊長(zhǎng)為200m時(shí)，按測(cè)角0.7″、測(cè)邊1+1×10-6D施測(cè)，無法滿足規(guī)范規(guī)定的160mm洞內(nèi)貫通中誤差要求(見表1)，這就要求在能夠正常施測(cè)的前提下，提高測(cè)角精度的同時(shí)，盡可能延長(zhǎng)導(dǎo)線邊長(zhǎng)度。

表3　導(dǎo)線邊長(zhǎng)對(duì)直線型超長(zhǎng)隧道洞內(nèi)

3曲線型隧道模擬分析

上面所有的分析都是針對(duì)長(zhǎng)直隧道，當(dāng)隧道是有一定轉(zhuǎn)角的曲線時(shí)，情況會(huì)有所變化。以平面曲率為1/942 480的曲線型隧道(相當(dāng)于相向開挖長(zhǎng)度為50km時(shí)隧道轉(zhuǎn)角30°)為例進(jìn)行模擬計(jì)算，其他設(shè)計(jì)指標(biāo)同2.1，結(jié)果如表4所示。

可見，對(duì)具有一定曲率的曲線隧道，改變測(cè)角、測(cè)邊精度，橫向貫通誤差的變化規(guī)律和直線型隧道相同，洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)引起的橫向貫通誤差與測(cè)角精度也成比例變化，同樣受測(cè)邊精度變化的影響不大。但是，相向開挖長(zhǎng)度相同時(shí)，采用相同的測(cè)角和測(cè)邊精度施測(cè)，曲線隧道的橫向貫通誤差比直線隧道的要大。相向開挖長(zhǎng)度50km的兩種類型隧道進(jìn)洞點(diǎn)到貫通點(diǎn)段交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)誤差橢圓如圖2所示。

表4　測(cè)角、測(cè)邊精度對(duì)曲線型超長(zhǎng)隧道洞內(nèi)

圖2　相向開挖長(zhǎng)度50 km隧道進(jìn)洞點(diǎn)到貫通點(diǎn)段交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)誤差橢圓

4實(shí)例分析

山西省萬家寨引黃工程南干線5#和7#特長(zhǎng)輸水隧洞相向開挖長(zhǎng)度分別為26.5km和42.6km，洞內(nèi)設(shè)置具有強(qiáng)制對(duì)中裝置的觀測(cè)臺(tái)，相距為600m左右，在沒有規(guī)范可循的情況下，最長(zhǎng)的7#隧洞實(shí)測(cè)貫通誤差為85mm，5#隧洞實(shí)測(cè)貫通誤差為86mm[7]，很好地滿足了工程隧洞開挖線路與設(shè)計(jì)隧洞線路偏離保持在100mm以內(nèi)的要求[8]，實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)隧道的高精度貫通。26.5km和42.6km的相向開挖長(zhǎng)度，600m左右的導(dǎo)線邊長(zhǎng)，再考慮洞外平面控制測(cè)量引起的橫向貫通誤差，實(shí)測(cè)貫通誤差和表2相比，遠(yuǎn)小于103mm和235mm的最優(yōu)估算結(jié)果?？梢姡?0km以上超長(zhǎng)隧道的高精度貫通在實(shí)際工程中是完全可以做到的[9]。

5結(jié)束語(yǔ)

不管是直線型隧道還是曲線型隧道，20km以

上超長(zhǎng)隧道洞內(nèi)平面控制測(cè)量引起的橫向貫通誤差與測(cè)角精度成比例變化，受測(cè)邊精度變化的影響很小；長(zhǎng)導(dǎo)線邊越長(zhǎng)，橫向貫通誤差越小，在允許的條件下，長(zhǎng)導(dǎo)線邊長(zhǎng)要盡可能大于300 m。隨著鐵路、公路標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的提升，隧道建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)越來越高，超長(zhǎng)隧道橫向貫通誤差限差不可能隨著隧道長(zhǎng)度的增加永遠(yuǎn)增大下去，所以在提高測(cè)角和測(cè)邊精度的同時(shí)，還要研究引入其他測(cè)量手段的必要。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]