特長隧洞貫通誤差控制研究

施春生

（遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 100166）

1 工程概況

如何保證特長隧洞的貫通是隧洞施工的關(guān)鍵技術(shù)之一，而隧洞貫通的核心問題就是把貫通誤差控制在要求的范圍內(nèi)。目前國內(nèi)在超長隧洞TBM施工貫通測量控制方面成功經(jīng)驗(yàn)不多，超過10 km的隧洞極限貫通誤差和貫通中誤差值也需要研究。

大伙房水庫輸水工程主體為一長85.32 km的隧洞，中間沒有明挖，長度為目前世界單洞長度之最，沿線設(shè)14個(gè)施工支洞，所有支洞口之間的控制點(diǎn)不能通視；隧洞縱坡1/2380，沿線有5個(gè)拐點(diǎn)，隧洞施工采用以掘進(jìn)機(jī)為主、鉆爆法為輔的聯(lián)合作業(yè)方式。其中的61.80 km中除部分地質(zhì)條件復(fù)雜段采用鉆爆法施工外，主要采用3臺TBM施工。

通過設(shè)立施工支洞，整個(gè)隧洞的貫通問題就簡化為每兩個(gè)支洞之間主洞的貫通問題。該工程支洞之間最長貫通距離（即相向開挖長度）達(dá)13.8 km，由于此段采用TBM施工，TBM單向掘進(jìn)長度達(dá)到10 km，若以支導(dǎo)線作洞內(nèi)控制，則支導(dǎo)線的長度最長可達(dá)12.8 km，因此對貫通測量的精度要求較高。

2 控制貫通誤差的措施

保證隧洞高精度貫通是個(gè)系統(tǒng)工程，控制貫通誤差的措施主要有如下步驟：

2.1 建立高精度的洞外控制網(wǎng)

工程測量規(guī)范中規(guī)定測區(qū)內(nèi)長度變形值不得大于2.5 cm/km，由于隧洞為線形，若按常規(guī)高斯投影3°帶坐標(biāo)估算，隧洞出口處長度投影變形達(dá)到14 cm/km，這遠(yuǎn)超出規(guī)范要求。為使投影變形最小，必須建立一個(gè)中央子午線選在測區(qū)（即工程區(qū)）中央，高程歸化面選用測區(qū)的平均高程面的方法建立任意帶直角坐標(biāo)系，并計(jì)算一套專供該工程使用的坐標(biāo)，只有這樣才能保證隧洞的正確貫通，這就是工程坐標(biāo)系和工程坐標(biāo)。

平面控制網(wǎng)采用GPS測量，把測量控制點(diǎn)埋設(shè)成帶有強(qiáng)制觀測裝置的混凝土墩。這樣就保證了洞外控制網(wǎng)的精度，其中控制網(wǎng)中最長邊長12365 m，最短邊長226.6 m。最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為±0.77 cm，平均邊長相對中誤差為1/310萬。洞外控制網(wǎng)的等級達(dá)到了二等。高程控制網(wǎng)的等級為二等。

2.2 確定超規(guī)范部分貫通中誤差值

13.8km的相向開挖長度的限差在現(xiàn)行SL52—93《水利水電工程施工測量規(guī)范》中是沒有的。因此首要問題是確定一個(gè)貫通目標(biāo)——即貫通中誤差。

確定此中誤差要注意兩個(gè)原則：一是能夠?qū)崿F(xiàn)的原則，即確定的誤差精度要求不能太高，不然對設(shè)備和測量技術(shù)的要求太高，投入較大；二是滿足工程要求，即能夠順利進(jìn)行下一步的襯砌，能夠滿足過水?dāng)嗝娴牟诼室?，取襯砌厚度50 cm的1/2作為全部貫通測量的限差，只要貫通誤差不超過這個(gè)值就不會影響襯砌。

確定方法：10 km以內(nèi)值參考國內(nèi)有關(guān)隧洞貫通測量的現(xiàn)行規(guī)范；10 km以外值，結(jié)合該工程技術(shù)要求和支護(hù)結(jié)構(gòu)的要求，選用測繪出版社出版的《工程測量學(xué)》中“隧洞貫通誤差的統(tǒng)計(jì)分析”，進(jìn)行推算。

在長距離隧洞測量中，由于地球曲率和地面高差投影誤差的影響，以及地面施工控制網(wǎng)和地下導(dǎo)線測量誤差的影響，使得隧洞兩相向開挖工作面中線偏移，即產(chǎn)生貫通誤差。在隧洞中線方向的投影長度稱為縱向貫通誤差，在垂直于中線方向的投影長度稱為橫向貫通誤差，在高程方向的投影長度稱為高程貫通誤差（豎向誤差）。由于縱向誤差對工程的影響相對不大，而現(xiàn)今電磁波測距的精度很高，縱向誤差可以控制在很小范圍內(nèi)。豎向誤差可以用精密水準(zhǔn)測量方法解決，所以隧洞的貫通誤差主要體現(xiàn)在橫向貫通誤差。

隧洞貫通開挖的特點(diǎn)是從支洞口對向開挖以提高工效。洞外布設(shè)地面施工控制網(wǎng)（如邊角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)、GPS網(wǎng)），隧洞內(nèi)布設(shè)支導(dǎo)線。設(shè)隧洞從左右兩個(gè)洞口對向開挖，這時(shí)橫向貫通誤差的來源有：洞外控制測量引起的橫向中誤差m外；左端地下支導(dǎo)線測量引起的橫向中誤差m左；右端地下支導(dǎo)線測量引起的橫向中誤差m右；洞外洞內(nèi)聯(lián)系測量誤差，施工測量誤差等其它誤差。相比前三項(xiàng)誤差，第四項(xiàng)誤差可忽略不計(jì)。前三項(xiàng)誤差對橫向貫通誤差的影響都是獨(dú)立起作用的，按照等影響的原則，并根據(jù)誤差傳播定律得三項(xiàng)測量誤差對橫向貫通誤差的總影響為：

若令m外=m左=m右=m，則 m貫=m。從而確定洞內(nèi)外的貫通中誤差分配值，見表1。

表1 洞內(nèi)外貫通中誤差分配值

2.3 確定洞內(nèi)控制網(wǎng)的等級和網(wǎng)形

1）要根據(jù)合同中規(guī)定的貫通精度指標(biāo)來估算洞內(nèi)控制的預(yù)期誤差，從而確定應(yīng)采用的控制等級。橫向貫通誤差可以用以下單導(dǎo)線公式簡單估算:

式中：mb——橫向貫通中誤差，mm；ms——測距中誤差，mm，可采用全站儀的標(biāo)稱精度2 mm+2 ppm；n——導(dǎo)線邊數(shù)；mβ——測角中誤差，取1″；ρ——206265；L——基本導(dǎo)線總長，mm。

豎向貫通誤差可用下式估算：

式中：mh——豎向貫通中誤差，mm；M△——每公里高程測量高差中數(shù)的偶然中誤差，mm；L——水準(zhǔn)路線長度，km。

由此公式可以推算出，要滿足最長12.8 km的單向開挖橫向貫通精度達(dá)到±250 mm，洞內(nèi)平面控制要三等。

高程控制測量等級的選定：根據(jù)洞外控制網(wǎng)等級降一級，即三等水準(zhǔn)網(wǎng)。

2）根據(jù)推算的洞內(nèi)控制等級，確定洞內(nèi)控制的方案和資源投入。確定貫通精度的方案應(yīng)遵循“合理、經(jīng)濟(jì)、適度”的原則。既要保證貫通偏差不要過大而影響水流，或造成對建筑物的破壞性沖刷，或產(chǎn)生返工，增加工程量造成浪費(fèi)，延誤工期，影響使用；但也不能盲目的提高精度要求，從而造成測量工作中的人力物力浪費(fèi)，或造成時(shí)間的拖延。

可以根據(jù)規(guī)范的等級控制要求做出相應(yīng)的人力和物力的投入。從而確定了大邊長、雙導(dǎo)線進(jìn)洞的洞內(nèi)基本控制方案，其基本參數(shù)如下：

洞內(nèi)平面控制網(wǎng)布設(shè)成兩級導(dǎo)線網(wǎng)，即基本和施工導(dǎo)線網(wǎng)?；緦?dǎo)線網(wǎng)要布設(shè)成狹長的雙向閉合多環(huán)導(dǎo)線，并根據(jù)洞內(nèi)通視條件基本導(dǎo)線點(diǎn)應(yīng)盡量選在隧洞中心線上，布設(shè)成邊長近似相等的長邊導(dǎo)線。規(guī)范中規(guī)定光電測距導(dǎo)線最高等級為三等。在實(shí)際布網(wǎng)中，把測角精度、測角測回?cái)?shù)、測距測回?cái)?shù)、測距儀標(biāo)稱精度等技術(shù)指標(biāo)全面提高，導(dǎo)線網(wǎng)的等級達(dá)到了二等邊角網(wǎng)的技術(shù)要求。支洞導(dǎo)線邊長采用300 m，主洞直線段邊長不小于400 m，曲線段邊長不小于80 m。

規(guī)范中規(guī)定閉合導(dǎo)線總長不能超過5 km,測角中誤差不低于1.8″，測角測回?cái)?shù)6個(gè)，測距測回?cái)?shù)2測回，測距儀標(biāo)稱精度2 mm；在實(shí)際布網(wǎng)中，考慮洞內(nèi)實(shí)際情況，要求都高于規(guī)范。閉合導(dǎo)線網(wǎng)邊長總長都超過5 km，最長達(dá)到28.4 km，由于測角誤差對橫向貫通誤差的影響是決定性的，因此測角精度不低于1.0″、測角測回?cái)?shù)達(dá)到9測回、測距測回?cái)?shù)達(dá)到4測回、測距儀標(biāo)稱精度提高到1 mm。

2.4 布設(shè)洞內(nèi)控制網(wǎng)應(yīng)注意的問題

1）垂線偏差的影響。由于主支洞高差較大，垂線偏差的影響不可忽略，主要是對方位角的影響，故觀測方向值要加垂線偏差改正。

2）地面高差投影誤差，主要涉及邊長改正。邊長可用下式歸化改正：

式中：D改——邊長改正值，m；D——距離邊長，m；Hm——測距邊長兩端點(diǎn)高程的平均值，m；H0——洞軸線平均高程，m；R——地球半徑，m。

以從12號支洞口引導(dǎo)線為例，支洞口到主支洞交叉處高差為270 m，其邊長改正值為5.5 cm。

3）氣象改正。

4）使用儀器的標(biāo)稱精度：測角不低于1″，測距不低于2 mm+2 ppm。

5）由洞外向洞內(nèi)引測工作應(yīng)在陰天或夜晚進(jìn)行。在洞內(nèi)、外點(diǎn)高差相差比較大時(shí)，引測水平角度應(yīng)不少于15個(gè)測回，并要測垂直角，在方向值上加垂線偏差引起的方向改正值，邊長要往返測，加溫度、氣象、投影改正。

6）要注意儀器的對中，當(dāng)邊長較短時(shí)（＜300 m）要采用三聯(lián)角架法以減小對中誤差，保證測角精度。

7）洞內(nèi)布設(shè)的導(dǎo)線要進(jìn)行重復(fù)2～3次的測量，以確保不出現(xiàn)粗差。

3 結(jié)語

本文通過研究此隧洞的貫通控制測量，總結(jié)出了一套完整的洞內(nèi)誤差控制理論，在實(shí)踐中效果顯著：

1）在全線（包括TBM施工和鉆爆法施工的全同段）的15個(gè)貫通面中，全部實(shí)現(xiàn)高精度貫通。

2）其中超規(guī)范部分創(chuàng)造了高精度貫通紀(jì)錄，橫向貫通誤差值：10～11號洞段（相向開挖長度13.8 km）的允許貫通誤差±320 mm，實(shí)際橫向貫通誤差100 mm；14～15號洞段（相向開挖長度10.3 km）的允許貫通誤差±250 mm，實(shí)際橫向貫通誤差58 mm。

3）參考實(shí)際貫通誤差值，可以看出當(dāng)初確定的貫通中誤差是偏于保守的，有很大的減小空間。