鐵路隧道高程貫通測(cè)量若干問(wèn)題探討

徐 杰

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

1 原高程貫通誤差指標(biāo)合理性探討

《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》[1]和《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》[2]中(后文簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)規(guī)定隧道高程貫通誤差限差為50 mm，高程貫通中誤差為25 mm，主要源于《鐵路測(cè)量技術(shù)規(guī)則》[3]第三篇“隧道測(cè)量”，是根據(jù)當(dāng)時(shí)搜集到的92座1 km以上鐵路隧道實(shí)際高程貫通誤差資料統(tǒng)計(jì)分析得出的。其統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：實(shí)際貫通誤差小于中誤差(25 mm)的有75座，介于中誤差與限差(50 mm)之間的有13座，超過(guò)限差的只有4座，實(shí)際貫通誤差在限差以內(nèi)的占96%，故而將高程貫通誤差限差設(shè)為50 mm，這是基于當(dāng)時(shí)隧道長(zhǎng)度在8 km以內(nèi)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

按照測(cè)量誤差理論，貫通誤差隨著隧道長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而增大，貫通精度要求也應(yīng)隨著隧道長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而適當(dāng)提高。近年來(lái)，隨著鐵路快速發(fā)展，以關(guān)角隧道(32 645 m)、燕山隧道(21 154 m)、烏鞘嶺隧道(20 050 m)等為代表的特長(zhǎng)隧道越來(lái)越多，高程貫通誤差限差指標(biāo)的適應(yīng)性應(yīng)重新證明。

根據(jù)近年來(lái)136座隧道的實(shí)際貫通誤差資料，包括西成、寶蘭、廣深、蘭新、云桂等高鐵項(xiàng)目隧道，以及張?zhí)啤⒂鍛讯€、拉日、西格二線、寧西二線、向莆等普速鐵路隧道，其中8 km以上隧道36座，按照4 km、7 km、10 km、13 km、16 km、20 km的標(biāo)準(zhǔn)劃分為7個(gè)隧道長(zhǎng)度區(qū)間。“規(guī)范”中隧道高程貫通中誤差為25 mm，貫通限差為2倍中誤差(50 mm)，把新增136座隧道的實(shí)際高程貫通誤差劃分為三個(gè)區(qū)間：<25 mm(1/2限差)，25 mm(1/2限差)～50 mm(限差)，>50 mm(限差)，表1～表3分別統(tǒng)計(jì)了每個(gè)長(zhǎng)度段落內(nèi)隧道貫通誤差在相應(yīng)三個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)的數(shù)量以及所占比例，表4給出高程貫通誤差的綜合統(tǒng)計(jì)情況。

表1 新增隧道高程貫通誤差統(tǒng)計(jì)(4～10 km)

表2 新增隧道高程貫通誤差統(tǒng)計(jì)(10～20 km)

從表1～表4高程貫通誤差統(tǒng)計(jì)分析情況可以看出，高程貫通誤差在25 mm(1/2限差)以內(nèi)的隧道占全部統(tǒng)計(jì)樣本的85%；介于25 mm(1/2限差)～50 mm(限差)只有20座，占比為15%；沒(méi)有一座隧道高程貫通誤差超過(guò)限差(50 mm)。從本次136座隧道高程貫通誤差統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，高程測(cè)量方式?jīng)]有根本性的改變，即使對(duì)于20 km以上的3座特長(zhǎng)隧道(最長(zhǎng)為32.6 km的西格二線關(guān)角隧道)，其高程貫通誤差也全部在25 mm(1/2限差)以內(nèi)，表明規(guī)范中原高程貫通誤差限差指標(biāo)是合理的，亦適用于當(dāng)前特長(zhǎng)隧道(20 km以上)的高程貫通誤差。

表3 新增隧道高程貫通誤差統(tǒng)計(jì)(20 km以上)

表4 新增隧道高程貫通誤差綜合統(tǒng)計(jì)

2 隧道高程貫通中誤差理論分析

隧道高程貫通誤差由洞外、洞內(nèi)水準(zhǔn)測(cè)量共同影響產(chǎn)生，貫通誤差大小與測(cè)量精度、水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度等相關(guān)[4-11]。洞外、洞內(nèi)高程控制測(cè)量誤差產(chǎn)生的高程貫通中誤差按式(1)計(jì)算

(1)

圖1 隧道洞內(nèi)外水準(zhǔn)閉合環(huán)示意

(2)

(3)

基于式(2)、式(3)計(jì)算的洞外水準(zhǔn)測(cè)量精度需要比洞內(nèi)水準(zhǔn)測(cè)量精度提高1～2個(gè)等級(jí)。目前，鐵路項(xiàng)目二等水準(zhǔn)和精密水準(zhǔn)的作業(yè)方式基本相同，建議洞內(nèi)水準(zhǔn)測(cè)量精度提高到洞外水準(zhǔn)測(cè)量的精度，一方面不會(huì)增加過(guò)多外業(yè)工作量；另一方面，洞內(nèi)、洞外水準(zhǔn)測(cè)量采用相同精度，有利于后續(xù)水準(zhǔn)閉合后的同精度內(nèi)插。

3 洞內(nèi)外高差閉合差與貫通誤差關(guān)系

隧道高程控制網(wǎng)是一個(gè)局部獨(dú)立控制網(wǎng)，隧道洞外水準(zhǔn)路線繞行，與洞內(nèi)水準(zhǔn)測(cè)量路線串聯(lián)，在貫通面上形成一個(gè)閉合環(huán)(如圖1所示)。以隧道洞內(nèi)路線測(cè)量的直接高差貫通進(jìn)出口，閉合差不受起算點(diǎn)誤差的影響。洞外、洞內(nèi)水準(zhǔn)閉合環(huán)產(chǎn)生的高差環(huán)閉合差(相當(dāng)于高程貫通誤差)應(yīng)小于極限貫通誤差(50 mm)。

(4)

(5)

(6)

可知滿足環(huán)閉合差限差要求的貫通精度實(shí)際上提高了50%，高程貫通中誤差變?yōu)?2.5 mm，小于規(guī)范中洞內(nèi)、洞外高程貫通中誤差(17.7 mm)。因此，只要滿足洞內(nèi)、外高差環(huán)閉合差限差要求，就必定滿足隧道高程貫通誤差限差要求。

隧道內(nèi)無(wú)砟軌道的鋪設(shè)依據(jù)軌道控制網(wǎng)CPⅢ進(jìn)行，CPⅢ控制網(wǎng)高程測(cè)量附合到洞內(nèi)加密水準(zhǔn)基點(diǎn)上，洞內(nèi)加密水準(zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)附合到洞外的二等水準(zhǔn)基點(diǎn)上，高差閉合差滿足限差要求后，再進(jìn)行同精度內(nèi)插、約束平差處理。如果隧道高程測(cè)量只按貫通限差(50 mm)進(jìn)行精度等級(jí)設(shè)計(jì)，即使隧道貫通誤差滿足限差要求，但可能無(wú)法滿足環(huán)閉合差限差要求，甚至影響隧道凈空及CPⅢ建網(wǎng)。因此，在隧道施工期間就應(yīng)該考慮軌道控制網(wǎng)CPⅢ的精度要求，按照環(huán)閉合差要求進(jìn)行高程控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)。

通常情況下，隧道越長(zhǎng)、交通條件越差，則洞外繞行的水準(zhǔn)路線越長(zhǎng)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，隧道洞外水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度一般是洞內(nèi)水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度的1.5～5倍，個(gè)別隧道的繞行長(zhǎng)度更長(zhǎng)，如西成高鐵大秦嶺隧道(隧道長(zhǎng)度14 849 m)，隧道未貫通前，線路水準(zhǔn)基點(diǎn)的二等水準(zhǔn)復(fù)測(cè)路線繞行長(zhǎng)度達(dá)127 km，洞外水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度是隧道本身長(zhǎng)度的8.5倍，若隧道貫通前繞行測(cè)量高差與貫通后洞內(nèi)直接高差不一致，此時(shí)需對(duì)貫通后的高程貫通誤差進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[12]，以保證與相鄰構(gòu)筑物高程系統(tǒng)一致。

4 隧道貫通前后高差不一致處理方法

在定測(cè)時(shí)，鐵路長(zhǎng)大隧道一般采用二等水準(zhǔn)測(cè)量建立線路高程控制網(wǎng)(線路高程系)，此時(shí)需加水準(zhǔn)面不平行性改正；而隧道施工時(shí)，采用隧道進(jìn)、出口控制點(diǎn)直接高差與線路定測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)，與各輔助坑道口水準(zhǔn)點(diǎn)共同建立隧道施工高程網(wǎng)(施工高程系)，兩個(gè)高差可能存在閉合差超限的情況。施工高程控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時(shí)，以一個(gè)進(jìn)口線路定測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)為起算點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算，與出口定測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)高程存在差值，通常將其作為斷高處理，并在施工圖設(shè)計(jì)文件中予以說(shuō)明，存在施工使用不便等問(wèn)題。

基于二等水準(zhǔn)的隧道施工高程控制網(wǎng)的高程系統(tǒng)評(píng)估，應(yīng)明確隧道施工高程控制網(wǎng)是采用施工高程系還是線路高程系。此時(shí)，應(yīng)采用高差閉合差檢查法進(jìn)行隧道施工高程控制網(wǎng)的高程系統(tǒng)評(píng)估，當(dāng)高差閉合差在限差以內(nèi)時(shí)，采用線路高程系，不設(shè)斷高，以所有穩(wěn)定可靠的線路水準(zhǔn)基點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行約束平差，計(jì)算隧道控制網(wǎng)的精測(cè)高程，保證隧道出口高程與線路高程系一致，方便施工使用和高程基準(zhǔn)維護(hù)；反之，當(dāng)隧道施工控制網(wǎng)直接水準(zhǔn)高差(不加水準(zhǔn)面不平行性改正)的閉合差與線路定測(cè)水準(zhǔn)閉合差超限，此時(shí)采用線路高程系已不適宜，在確認(rèn)直接水準(zhǔn)高差正確后，應(yīng)采用施工獨(dú)立高程系，利用進(jìn)口一個(gè)線路定測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)的高程作為起始高程，用直接水準(zhǔn)高差推算各控制點(diǎn)高程，在出口與線路定測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)的高程較差設(shè)為斷高，使精測(cè)水準(zhǔn)高差與施工水準(zhǔn)高差保持一致，以保障隧道高程準(zhǔn)確貫通。

西成高鐵大秦嶺隧道起訖里程DgK85+533～DgK100+378.99，總長(zhǎng)14 845.99 m，最大埋深1 185 m。隧道范圍平均海拔1 300～2 638 m，洞身地表起伏較大，地表自然坡度30°～60°，山高坡陡，溝壑縱橫，地形復(fù)雜，植被茂密。隧道進(jìn)口位于桃園溝南側(cè)山坡，有簡(jiǎn)易土路通過(guò)；隧道出口位于菜子坪林場(chǎng)西河與石東溝交匯處東面山坡，出口下方有林場(chǎng)公路通過(guò)，交通條件差。隧道進(jìn)口、出口、斜井口地處狹窄S形夾溝內(nèi)，兩側(cè)山勢(shì)陡峻，導(dǎo)致隧道進(jìn)、出口至各斜井口的水準(zhǔn)路線坡度陡，設(shè)站次數(shù)多，水準(zhǔn)路線通過(guò)十分困難。

5 結(jié)論

(1)基于近年來(lái)136座隧道的實(shí)際高程貫通誤差資料，將其高程貫通誤差劃分為三個(gè)區(qū)間并分別統(tǒng)計(jì)其數(shù)量以及所占比例，結(jié)果表明，85%的隧道高程貫通誤差在25 mm以內(nèi)，沒(méi)有隧道高程貫通誤差超過(guò)限差50 mm，表明規(guī)范中高程貫通誤差指標(biāo)適宜性很好，也適用于特長(zhǎng)隧道。

(2)基于高程貫通中誤差理論公式，洞外、洞內(nèi)高程控制測(cè)量誤差對(duì)每個(gè)貫通面的高程貫通誤差影響可以按照等影響原則考慮；按照目前鐵路隧道水準(zhǔn)測(cè)量作業(yè)方式，建議把洞內(nèi)水準(zhǔn)測(cè)量精度提高到洞外水準(zhǔn)測(cè)量精度。

(3)當(dāng)洞內(nèi)、外高差環(huán)閉合差限差滿足要求時(shí)，隧道高程貫通誤差限差亦滿足要求；若洞外水準(zhǔn)路線繞行過(guò)長(zhǎng)，則需要根據(jù)高差閉合差情況，對(duì)貫通后的實(shí)際高程貫通誤差進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以保證相鄰構(gòu)筑物高程系統(tǒng)的一致性。

(4)基于二等水準(zhǔn)隧道施工高程控制網(wǎng)的高程系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧道貫通前后的高差閉合差情況，決定采用施工高程系還是線路高程系以及是否設(shè)置斷高。當(dāng)高差閉合差在限差以內(nèi)時(shí)，采用線路定測(cè)高程，不設(shè)斷高，采用所有穩(wěn)定可靠的線路水準(zhǔn)基點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行約束平差，計(jì)算隧道控制網(wǎng)點(diǎn)的高程；當(dāng)隧道施工控制網(wǎng)直接水準(zhǔn)高差的閉合差與線路定測(cè)水準(zhǔn)閉合差超限時(shí)，在確認(rèn)直接水準(zhǔn)高差無(wú)誤后，應(yīng)采用施工獨(dú)立高程。