凡建林 姚 輝 林建濤

（浙江省測(cè)繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 溫州325000）

0.引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)、制造業(yè)技術(shù)的發(fā)展，水利、鐵路等施工技術(shù)得到了快速進(jìn)步，各種工程建設(shè)中特長(zhǎng)隧洞（單向掘進(jìn)大于8km的隧洞）也越來(lái)越多。例如，已經(jīng)建成的遼寧大伙房引水Ⅰ期工程長(zhǎng)85km，在建的新疆北部引水工程單座隧洞長(zhǎng)283km，2018年建成且投入運(yùn)營(yíng)的港珠澳大橋海底沉管隧洞長(zhǎng)達(dá)5664m[1]，秦嶺隧洞長(zhǎng)81.779km[2]。與地面測(cè)量不同的是隧洞測(cè)量不能使用GNSS方法，洞內(nèi)平面控制測(cè)量一般采用導(dǎo)線測(cè)量的方式建立，高程控制測(cè)量通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量的方式進(jìn)行，碎步放樣采用全站儀極坐標(biāo)法。隧洞掘進(jìn)過(guò)程中，洞內(nèi)控制測(cè)量是隧洞的“眼睛”，指導(dǎo)著隧洞的掘進(jìn)方向，其中，高程控制測(cè)量可通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)，精度容易控制。由于隧洞內(nèi)測(cè)量檢核條件少、網(wǎng)形強(qiáng)度低、施工干擾大，平面控制測(cè)量的精度直接關(guān)系到隧洞的順利貫通，是隧洞測(cè)量的關(guān)鍵，高精度的導(dǎo)線測(cè)量可以為工程施工提供各種保障。

1.隧洞地面施工控制網(wǎng)的布設(shè)

1.1 隧洞洞外控制網(wǎng)的布設(shè)

隧洞洞外平面控制網(wǎng)與其他地面工程相同，一般采用GNSS靜態(tài)測(cè)量方式布設(shè)[3]，可參考文獻(xiàn)[4]中的技術(shù)要求布網(wǎng)。高程控制網(wǎng)采用水準(zhǔn)測(cè)量方式布設(shè)。

1.1.1 坐標(biāo)系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)

隧洞平面施工坐標(biāo)系建立方法為：選擇投影面為測(cè)區(qū)平均高程面的任意帶高斯投影平面直角坐標(biāo)系。具體建立步驟如下：（1）GNSS靜態(tài)相對(duì)定位觀測(cè)得到的基線數(shù)據(jù)通過(guò)約束平差得到投影面為參考橢球面的3°分帶高斯投影坐標(biāo)；（2）選擇測(cè)區(qū)中央的大地經(jīng)度作為中央子午線，選取分段測(cè)區(qū)中的一控制點(diǎn)為中心點(diǎn)，以該點(diǎn)至控制網(wǎng)中較遠(yuǎn)的一點(diǎn)在CGCS2000國(guó)家坐標(biāo)系下的方位角為起始方向，進(jìn)行測(cè)區(qū)平均高程面上的坐標(biāo)投影計(jì)算得到施工坐標(biāo)。高程基準(zhǔn)為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。建立坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型如下：設(shè)地面固定點(diǎn)在工程坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)為此點(diǎn)對(duì)應(yīng)高斯投影后的平面坐標(biāo)為（x0，y0）；特定方向方位角為α'，其對(duì)應(yīng)由高斯投影后平面坐標(biāo)反算的方位角為α，那么各GNSS點(diǎn)在“一點(diǎn)一方向”平差后工程坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)為：

1.1.2 地面控制網(wǎng)測(cè)量?jī)x器設(shè)備

地面平面控制網(wǎng)采用GNSS測(cè)量方式進(jìn)行，高程控制網(wǎng)通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行，選用儀器如下：

（1）雙頻GNSS 接收機(jī)若干臺(tái)，用于靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量；

（2）自動(dòng)安平電子水準(zhǔn)儀若干臺(tái)，用于聯(lián)測(cè)高程；

（3）GNSS 網(wǎng)基線解算軟件；

（4）GNSS 網(wǎng)平差軟件；

（5）水準(zhǔn)網(wǎng)平差軟件。

2.隧洞洞內(nèi)導(dǎo)線布設(shè)形式

2.1 支導(dǎo)線形式布設(shè)

支導(dǎo)線的布設(shè)方式是沿著隧洞掘進(jìn)方向布設(shè)一條單導(dǎo)線，其優(yōu)點(diǎn)是工作量小、布設(shè)靈活，缺點(diǎn)是沒(méi)有檢核條件，不易發(fā)現(xiàn)粗差，存在誤差的累積，只適合于較短距離的導(dǎo)線測(cè)量。

2.2 全導(dǎo)線網(wǎng)的布設(shè)形式

全導(dǎo)線網(wǎng)形式增加了控制網(wǎng)的強(qiáng)度，檢核條件多，精度較高，缺點(diǎn)是工作量大，成本較高。

2.3 交叉雙導(dǎo)線

交叉雙導(dǎo)線布設(shè)形式（如圖1 所示），相對(duì)于全導(dǎo)線網(wǎng)工作量減半，并且有較多的檢核條件，在一定程度上也能減小旁折光的影響，被廣泛應(yīng)用于隧洞工程建設(shè)中。

圖1 交叉雙導(dǎo)線布設(shè)形式

3.導(dǎo)線邊長(zhǎng)改化

高精度測(cè)距儀測(cè)量得到的距離為兩點(diǎn)在空間直角坐標(biāo)系中的空間距離。該距離需要經(jīng)過(guò)氣象改正、儀器加乘常數(shù)改正。空間斜距化為平距一般采用天頂距法或高差法化為平距。

3.1 氣象改正值的計(jì)算

氣象改正主要包括測(cè)站和鏡站之間環(huán)境溫度和氣壓對(duì)測(cè)距的影響，計(jì)算公式可參照儀器說(shuō)明書(shū)。

3.2 儀器加乘常數(shù)改正值的計(jì)算

主要指儀器的校準(zhǔn)參數(shù)，包括固定誤差和比例誤差。

3.3 平距計(jì)算

測(cè)距儀觀測(cè)的斜距化為平距，可采用下列兩種方法：

方法一：用高差計(jì)算

方法二：用天頂距計(jì)算

3.4 測(cè)區(qū)平距高程面上邊長(zhǎng)的歸算

當(dāng)測(cè)區(qū)內(nèi)投影變形超過(guò)2.5cm/km 時(shí)，需要將測(cè)量的邊長(zhǎng)歸算到投影面。全站儀測(cè)量的距離是空間兩點(diǎn)的距離，需要將其換算到測(cè)區(qū)高程抵償面上。其可通過(guò)式（5）計(jì)算：

4.平面貫通測(cè)量誤差來(lái)源

平面貫通測(cè)量誤差主要來(lái)源可分為下列幾種：

（1）地面控制測(cè)量對(duì)橫向貫通誤差的影響；

（2）地下控制測(cè)量對(duì)橫向貫通誤差的影響；

（3）陀螺方位角精度對(duì)橫向貫通誤差的影響。

5.工程實(shí)例分析

5.1 工程概況

某單向掘進(jìn)15.2km 的無(wú)壓輸水隧洞，平均埋深300m，設(shè)計(jì)縱坡比為1/5000，采用TBM 法施工，隧洞設(shè)計(jì)尺寸為5.5m 的圓形斷面，隧洞圍巖類型以Ⅲ類居多。由于隧洞半徑較小且常伴有大量涌水現(xiàn)象，對(duì)測(cè)量工作帶來(lái)了較大困難。TBM 機(jī)長(zhǎng)約200m，調(diào)整方向困難，必須確保掘進(jìn)誤差在限差以內(nèi)，才能保證隧洞的精準(zhǔn)貫通。

5.2 洞內(nèi)平面控制測(cè)量

控制網(wǎng)等級(jí)按照文獻(xiàn) [6] 中9.3.2 章節(jié)的表格選擇。可知本工程平面控制測(cè)量應(yīng)選擇二等導(dǎo)線測(cè)量。

施工控制點(diǎn)的布設(shè)，沿洞壁兩側(cè)布設(shè)含強(qiáng)制對(duì)中裝置的控制點(diǎn)，由于洞內(nèi)水蒸氣和灰塵較大且測(cè)量過(guò)程中常伴有施工干擾。經(jīng)實(shí)踐，控制點(diǎn)間距離宜在250～350m 之間，距離太短會(huì)增加測(cè)站數(shù)，存在測(cè)量誤差的積累，距離太長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致全站儀受到洞內(nèi)灰塵影響無(wú)法讀出數(shù)據(jù)。

5.3 洞內(nèi)高程控制測(cè)量

洞內(nèi)高程控制測(cè)量與地面控制測(cè)量相同，該工程按照二等水準(zhǔn)觀測(cè)要求進(jìn)行。水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在平面控制點(diǎn)附件，以便及時(shí)將水準(zhǔn)高傳遞到平面控制點(diǎn)上。

5.4 儀器設(shè)備選擇

（1）徠卡TS60 全站儀一臺(tái)，該型號(hào)采用全新的ATRplus 自動(dòng)照準(zhǔn)技術(shù)，用全新的光斑分析法優(yōu)化棱鏡驗(yàn)證方法，可以在超遠(yuǎn)距離自動(dòng)學(xué)習(xí)目標(biāo)棱鏡，讓觀測(cè)者不再將精力浪費(fèi)在重復(fù)的學(xué)習(xí)棱鏡工作中，可以自動(dòng)識(shí)別有效棱鏡，排除環(huán)境中的干擾因素（燈光、水蒸氣、日照等）和無(wú)效目標(biāo)。有效地提高自動(dòng)測(cè)量的距離精度和效率。其測(cè)角精度為0.5″，測(cè)距精度能達(dá)到0.6mm+1ppm；

（2） 徠卡 LS10 電子水準(zhǔn)儀一臺(tái)（精度為0.3mm/km），用于二等水準(zhǔn)測(cè)量；

（3）氣壓計(jì)、溫度計(jì)各一支；

（4）陀螺全站儀一臺(tái)（精度為5″），用于測(cè)定真北方位角；

（5）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和平差軟件若干套。

5.5 導(dǎo)線測(cè)量限差的要求

導(dǎo)線測(cè)量按照二等要求觀測(cè)，各項(xiàng)限差（如表1所示）：

表1 0.5″級(jí)全站儀二等導(dǎo)線觀測(cè)精度要求

5.6 導(dǎo)線測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理

在測(cè)量過(guò)程中，溫度、氣壓已經(jīng)輸入機(jī)載多測(cè)回測(cè)角軟件，測(cè)量過(guò)程中已經(jīng)完成了氣象改正，表2 主要完成儀器加、乘常數(shù)改正（加常數(shù)為-0.58mm，乘常數(shù)1.03mm/km），天頂距法將斜距化為平距，測(cè)區(qū)平距高程面上邊長(zhǎng)的歸算。

表2 觀測(cè)斜距改正

5.7 導(dǎo)線精度的影響因素分析及防范措施

經(jīng)過(guò)該工程中導(dǎo)線測(cè)量得出如下結(jié)論：

（1）溫度和氣壓對(duì)距離測(cè)量有較大影響，測(cè)量過(guò)程中應(yīng)選擇經(jīng)鑒定合格的氣壓計(jì)和溫度計(jì)；

（2）當(dāng)測(cè)量視線離墻壁或障礙物較近時(shí)，會(huì)引起旁折光的影響，一般建議控制點(diǎn)距離洞壁及障礙物0.5m 以上；

（3）儀器對(duì)中誤差的影響：采用帶強(qiáng)制對(duì)中裝置的控制點(diǎn)或采用三聯(lián)腳架法觀測(cè)，能提高觀測(cè)效率及測(cè)量精度；

（4）隧洞內(nèi)灰塵的影響：選擇適宜的時(shí)間，如隧洞內(nèi)無(wú)噴錨、掘進(jìn)作業(yè)，通風(fēng)條件良好的時(shí)段；

（5）儀器本身的誤差：每隔一定周期在國(guó)家認(rèn)可的計(jì)量部門檢定求得儀器的加、乘常數(shù)。

5.8 提高導(dǎo)線測(cè)量精度的措施

（1）剔除角度閉合環(huán)較大的閉合環(huán)；

（2）每隔一段時(shí)間復(fù)測(cè)洞內(nèi)導(dǎo)線；

（3）在適當(dāng)位置加測(cè)陀螺方位角并用于平差；

（4）選擇測(cè)角測(cè)距精度較高儀器設(shè)備；

（5）對(duì)往返測(cè)邊長(zhǎng)差值較大的導(dǎo)線邊進(jìn)行重測(cè)。

6.結(jié)束語(yǔ)

本文以特長(zhǎng)隧洞為例，論述了隧洞外和隧洞內(nèi)控制網(wǎng)布設(shè)形式及方法，主要論述了隧洞內(nèi)導(dǎo)線的布設(shè)形式、作業(yè)流程和數(shù)據(jù)后處理方法，對(duì)導(dǎo)線邊長(zhǎng)改化為平距進(jìn)行了詳細(xì)分析；最后以工程數(shù)據(jù)為例總結(jié)了導(dǎo)線測(cè)量影響因素及減弱措施，為特長(zhǎng)隧洞測(cè)量提供參考依據(jù)。