長大深埋隧洞測(cè)量控制探討

谷云香

(遼寧水利職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110122)

一、背 景

1. 工程概況

為了更好地解決遼寧省水資源短缺的問題，遼寧于2003年6月開始興建大伙房水庫輸水工程，主體工程于2008年12月竣工，總投資為52.18億元。工程建成后，主要解決沈陽等遼寧中部六城市的缺水問題，受益人口近1000萬人。

大伙房輸水工程的主體建筑物是一條長85.32 km的輸水隧洞，其埋深均超過100 m，最深達(dá)300 m，屬長大深埋隧洞，施工難度較大。經(jīng)研究，隧洞施工決定在后61.80 km主要采用3臺(tái)TBM機(jī)掘進(jìn)施工，只在前23.52 km用鉆爆法輔助施工。TBM機(jī)掘進(jìn)段布置了7個(gè)施工支洞，包括3個(gè)施工標(biāo)段。本文主要介紹TBM1合同段的情況。

TBM1合同段施工范圍為21+610.82-44+262.17，全長為20.8 km(不含10號(hào)支洞上游人工鉆爆法施工的1.9 km)，布設(shè)了3條施工支洞，其長度分別為：10號(hào)支洞長1 573.726 m；11號(hào)支洞長1 004.76 m；12號(hào)支洞長2 606.758 m(均由雇主提供的工程坐標(biāo)系求得水平距離長度)。10號(hào)支洞至11號(hào)支洞貫通面的單向掘進(jìn)長度12.8 km(包括10號(hào)支洞長度在內(nèi))，相向開挖長度13.8 km(含支洞)。11號(hào)支洞至12號(hào)支洞貫通面的單向掘進(jìn)長度為10.5 km(包括11號(hào)支洞在內(nèi)),相向開挖長度為13.2 km。

2. 問題的提出

從上述工程情況可見，大伙房水庫輸水工程的主體工程隧洞較長(85.3 km)，沿線地形復(fù)雜，隧洞埋深大，合同段多，支洞長(最長2.6 km)且高差大(最大高差254 m)，兩支洞之間相向開挖距離長(最長13.8 km)。如何做好長大深埋隧洞的測(cè)量控制，保證相鄰合同段(相鄰支洞)之間相向開挖的主洞高精度貫通，是工程建設(shè)中的重大技術(shù)難題之一。

另外查《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL 52—93)可以看出，本工程中無論是單向掘進(jìn)還是雙向掘進(jìn)長度，都超出了規(guī)范中給定貫通誤差限差的長度范圍。針對(duì)合同中提出的水工隧洞開挖極限貫通誤差表(見表1)及貫通中誤差分配值的要求，當(dāng)時(shí)國內(nèi)外采用TBM機(jī)施工單向掘進(jìn)長度在10 km以上的隧洞還沒有。在無可借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)、規(guī)范和規(guī)程的情況下，控制好貫通精度將成為工程施工的難點(diǎn)，也是保證工期按時(shí)完成，使工程發(fā)揮應(yīng)有效益的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

表1 水工隧洞開挖極限貫通誤差

因此，非常有必要對(duì)各合同段貫通的誤差精度進(jìn)行合理的分析與估算，保證隧洞貫通施工的限差控制在規(guī)定允許的范圍內(nèi)，使工程進(jìn)度按計(jì)劃順利完成。并為以后類似的隧洞工程TBM施工積累經(jīng)驗(yàn)和提供技術(shù)參考。

二、貫通的誤差精度估算

下面以TBM1合同段為例來說明。

1. 基本情況說明

TBM1合同標(biāo)段主洞總長約為20.8 km(不含上游人工鉆爆法施工的1.9 km)，本合同標(biāo)段中第一段單向掘進(jìn)長度為12.8 km(包括10號(hào)支洞長度在內(nèi))。第二段單向掘進(jìn)長度為10.5 km(包括11號(hào)支洞在內(nèi))。以規(guī)定的限差為基礎(chǔ)，結(jié)合隧洞的具體地質(zhì)條件，合理分析與估算該合同標(biāo)段的貫通中誤差，使其滿足貫通施工的精度要求。

2. 估算依據(jù)

(1) 所用規(guī)范

1) 《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL52—93)；

2) 《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026—93)。

(2) 所用儀器標(biāo)稱精度

mβ=±1″，ml=±(2+2×10-6D)(全站儀標(biāo)稱測(cè)量精度)。

(3) 中誤差選擇

取極限貫通誤差的1/2作為貫通中誤差的控制指標(biāo)，見表2。具體到本合同標(biāo)段：10號(hào)支洞至11號(hào)支洞與主洞交叉點(diǎn)選用表2中12～14 km的貫通中誤差的要求。11號(hào)支洞到12號(hào)支洞與主洞叉點(diǎn)選用表2中8～12 km的貫通中誤差的要求。洞外：10號(hào)支洞口至11號(hào)支洞口選用表2中8～12 km的貫通中誤差的要求。11號(hào)支洞到12號(hào)支洞口選用表2中8～12 km的貫通中誤差的要求。

表2 貫通中誤差分配值

(4) 貫通面的選擇

結(jié)合施工組織設(shè)計(jì)及TBM施工的特點(diǎn)，主洞第一個(gè)貫通面選在11號(hào)支洞與主洞的交點(diǎn)處，第二個(gè)貫通面選擇在12號(hào)支洞與主洞交點(diǎn)處，具體見圖1。

圖1 本合同標(biāo)段平面布置示意圖

3. 估算的條件

由于是雇主提供本合同標(biāo)段在勘測(cè)設(shè)計(jì)階段的1/5000～1/10 000的帶狀地形圖，致使無法在圖上很好地結(jié)合實(shí)地地形條件進(jìn)行合理的布點(diǎn)估算，因此只能在米格紙上將主、支洞的主點(diǎn)及拐點(diǎn)按1/10 000的比例展繪成圖，然后在洞外、內(nèi)布點(diǎn)進(jìn)行估算，這樣估算的結(jié)果可能與實(shí)際有所出入，從而影響估算的精度與可靠度。

4. 洞內(nèi)外控制網(wǎng)形的選擇

(1) 洞外控制網(wǎng)的布設(shè)

該工程的洞外控制測(cè)量中主要使用了GPS測(cè)量技術(shù)。洞外控制網(wǎng)作為工程主要控制網(wǎng)，平面控制網(wǎng)使用GPS靜態(tài)相對(duì)測(cè)量，高程控制網(wǎng)采用二等水準(zhǔn)測(cè)量。該工程可使用兩種坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)，即1954北京坐標(biāo)系與工程坐標(biāo)系?！豆こ虦y(cè)量規(guī)范》中規(guī)定測(cè)區(qū)內(nèi)長度變形值需小于等于2.5 cm/km，若按常規(guī)高斯投影3°帶坐標(biāo)估算分析，因?yàn)闇y(cè)區(qū)離中央子午線較遠(yuǎn)，隧洞出口處長度投影變形為14 cm/km，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范規(guī)定值的要求。為了保證投影變形最小，建立一個(gè)工程坐標(biāo)系，中央子午線選在測(cè)區(qū)(工程區(qū))中央，高程基準(zhǔn)面采用測(cè)區(qū)平均高程面211.9 m。

設(shè)計(jì)院采用GPS技術(shù)完成了洞外整體施工控制網(wǎng)的布設(shè)，武漢大學(xué)教授參與了外業(yè)的數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)解算和平差；2002年11月設(shè)計(jì)院委托國家基礎(chǔ)地理信息中心對(duì)重點(diǎn)網(wǎng)的30個(gè)GPS點(diǎn)進(jìn)行了第一次抽測(cè)；2003年9月，潤中公司聘請(qǐng)武漢測(cè)繪科技大學(xué)獨(dú)立對(duì)洞外施工控制網(wǎng)進(jìn)行了第二次抽測(cè)；2004年11月，設(shè)計(jì)院完成了對(duì)洞外控制網(wǎng)的第一次全面復(fù)測(cè)。兩次抽測(cè)及一次復(fù)測(cè)成果均表明整體施工控制網(wǎng)的布設(shè)精度滿足規(guī)范要求。

(2) 洞內(nèi)控制網(wǎng)的選擇

由于隧洞具有長且寬度窄的特點(diǎn)，本估算擬采用支導(dǎo)線將基本導(dǎo)線點(diǎn)布設(shè)在隧洞兩側(cè)。設(shè)定估算時(shí)洞內(nèi)基本導(dǎo)線邊長選定為50 m，由于受洞內(nèi)照明、煙霧、粉塵等諸多客觀條件的限制，選此基本導(dǎo)線的邊長略顯保守，當(dāng)然如上述條件得到很好的改善，基本導(dǎo)線的邊長可能會(huì)更長一點(diǎn)。這樣橫向貫通的誤差就會(huì)更小一點(diǎn)。

5. 導(dǎo)線點(diǎn)的布設(shè)

(1) 基本導(dǎo)線點(diǎn)的布設(shè)

基本導(dǎo)線點(diǎn)的位置要求選定在洞兩側(cè)堅(jiān)固的基巖上，在基巖上澆筑一個(gè)混凝土平臺(tái)，作為基本導(dǎo)線點(diǎn)的標(biāo)石，平臺(tái)高于周圍基巖5～10 cm，中間布置一根不銹鋼錨筋，錨筋入巖20 cm，外露頭0.5 cm作為點(diǎn)位標(biāo)志，上有護(hù)蓋，以防控制點(diǎn)在施工中被破壞，其埋設(shè)方法見圖2。

圖2 基本導(dǎo)線點(diǎn)埋設(shè)示意圖

(2) 施工導(dǎo)線的布設(shè)

洞內(nèi)貫通導(dǎo)線點(diǎn)將根據(jù)洞內(nèi)實(shí)際情況，選在隧洞中心線上，為了進(jìn)行檢核，將洞內(nèi)導(dǎo)線布設(shè)為狹長的多環(huán)導(dǎo)線，且依據(jù)洞內(nèi)通視條件，盡可能布設(shè)為邊長大致相等的長邊導(dǎo)線，并要求直線地段邊長不能小于300 m，曲線段邊長不能小于80 m。

洞內(nèi)施工導(dǎo)線點(diǎn)的布設(shè)(施工放樣用)主要用于指導(dǎo)施工，間斷性地延伸洞軸線，將在基本導(dǎo)線的基礎(chǔ)上加密，每隔50 m左右選埋一點(diǎn)。同時(shí)，根據(jù)洞內(nèi)實(shí)際情況，布置形式可靈活機(jī)動(dòng)，間隔幾點(diǎn)與基本導(dǎo)線點(diǎn)重合，施工導(dǎo)線點(diǎn)由上一個(gè)基本導(dǎo)線點(diǎn)施測(cè)，注意校核。

高程標(biāo)石與基本導(dǎo)線點(diǎn)標(biāo)石合一，以光電測(cè)距三角高程方式和基本導(dǎo)線點(diǎn)同步觀測(cè)。各級(jí)導(dǎo)線均明確編號(hào)，在現(xiàn)場(chǎng)洞壁上做有明顯的標(biāo)記，便于尋找使用；導(dǎo)線點(diǎn)成果均計(jì)算出其樁號(hào)及偏離值(工程坐標(biāo))，現(xiàn)場(chǎng)施工中視情況加以考慮和改正。

6. 估算公式

由于影響隧洞的貫通，主要是橫向貫通誤差及豎向貫通誤差，因此本次估算只對(duì)橫向及豎向貫通誤差進(jìn)行估算。

1) 洞外控制橫向貫通誤差估算所采用公式為

式中，myβ為因測(cè)角誤差而產(chǎn)生在貫通面上的橫向中誤差，單位為mm；myl為因量距誤差而產(chǎn)生在貫通面上的橫向誤差，單位為mm；mβ為導(dǎo)線測(cè)角中誤差；ml/l為導(dǎo)線邊長相對(duì)中誤差；Rx、dy分別為導(dǎo)線(環(huán))點(diǎn)至貫通面的垂直距離和投影長度；n為測(cè)量組數(shù)。

2) 洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量控制對(duì)橫向貫通誤差的影響為My2，其計(jì)算過程及方法同上。

3) 洞外、洞內(nèi)控制測(cè)量對(duì)橫向貫通面中誤差總的影響為

4) 洞外和洞內(nèi)高程測(cè)量誤差，對(duì)豎向貫通的影響，按下式計(jì)算

三、結(jié)束語

綜上所述，該工程屬超長、大直徑隧洞，還有較長一段為軟弱圍巖，存在斷層破碎帶等不良地質(zhì)問題，再加上大直徑TBM掘進(jìn)機(jī)易使其在掘進(jìn)過程中發(fā)生刀盤下沉等問題，使TBM掘進(jìn)方向不易控制。因此，要保證其施工掘進(jìn)貫通的測(cè)量精度符合要求有較大的技術(shù)難度，這也使得TBM掘進(jìn)方向測(cè)量控制技術(shù)成為該工程的施工關(guān)鍵技術(shù)之一。搞好這項(xiàng)技術(shù)的研究對(duì)保證超長及軟弱圍巖隧洞的施工掘進(jìn)貫通精度，保證該重大輸水工程能按期、高質(zhì)量、順利地完成是非常重要的，對(duì)今后我國長大深埋隧洞TBM施工也可提供寶貴經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐指導(dǎo)。

如此長大深埋隧洞的TBM施工測(cè)量和掘進(jìn)方向控制在我國還屬首次，在國內(nèi)外其他類似工程的施工中都很少見。我國的“引黃工程”中采用了雙護(hù)盾TBM施工，控制長度也很長，為89. 5 km，但工程的施工主要由國外承包商為主來承擔(dān)，我國工程技術(shù)人員并沒有掌握掘進(jìn)方向測(cè)量和控制的核心技術(shù)。雖然秦嶺Ⅰ線隧道(18.45 km)、桃花鋪Ⅰ線隧道 (7.234 km)和磨溝嶺隧道(6.114 km)均為我國TBM自主施工的項(xiàng)目， 在掘進(jìn)方向施工測(cè)量控制方

面積累了一些經(jīng)驗(yàn)和一定的技術(shù)成果，但其技術(shù)還需作更進(jìn)一步的完善和創(chuàng)新。同時(shí)，本工程所用TBM直徑8 m，屬于大直徑掘進(jìn)機(jī)，調(diào)向技術(shù)難度也大，需要?jiǎng)?chuàng)造性探索。采用大直徑、超長隧洞的施工測(cè)量技術(shù)、TBM掘進(jìn)方向測(cè)量技術(shù)和調(diào)向技術(shù)仍然是TBM施工技術(shù)的重要研究課題。經(jīng)本工程實(shí)踐，洞外采用GPS網(wǎng)控制、洞內(nèi)采用高精度導(dǎo)線測(cè)量與TBM激光導(dǎo)向系統(tǒng)相結(jié)合是TBM掘進(jìn)方向測(cè)量控制技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

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