深埋隧道豎井聯(lián)系測量方法研究

王超

摘要：本文介紹了將地面平面及高程控制網(wǎng)傳遞到地下隧洞的豎井聯(lián)系測量的方法及數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。并對小孔徑豎井及較大高差的聯(lián)系測量的相關(guān)問題進行了探討。

Abstract： This paper introduces the method and data processing of shaft connection measurement for transferring ground plane and elevation control network to underground tunnels. The related problems of connection measurement of small-aperture shaft and large height difference are discussed.

關(guān)鍵詞：聯(lián)系測量;一井定向;陀螺儀

Key words： connection measurement;one-well orientation;gyroscope

中圖分類號：U452.13? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）36-0183-03

0? 引言

目前在地下隧道工程中，TBM盾構(gòu)施工方法已在各行業(yè)中普遍使用。地下工程貫通測量在一般情況下嚴格按照規(guī)范要求，可以滿足相關(guān)規(guī)范的誤差要求。但在現(xiàn)場條件特殊的情況下，如貫通距離比較長、風(fēng)井口徑小、豎井下挖較深等，就需要制定特殊的測量技術(shù)方案。影響隧道貫通的因素主要有地面控制測量、聯(lián)系測量及地下控制測量等。由于地面控制測量觀測條件好、可采用的提高精度的測量方法很多，而限制貫通測量精度的主要環(huán)節(jié)是后兩項。本文著重對此進行探討。

1? 概況

珠江三角洲水資源配置工程是由輸水干線、深圳分干線、東莞分干線和南沙支線組成，輸水線路總長度113.2km。土建施工A4標起點為LG05#工作井經(jīng)LG06#、LG07#至LG08#工作井，長約7.54km共三個區(qū)間。最長區(qū)間為LG06#-LG05#段3.63km，深度60m以上。圓形工作井井外徑為35.9m，內(nèi)徑為30.5m。

2? 地面控制測量

2.1 平面控制網(wǎng)

根據(jù)設(shè)計單位控制網(wǎng)交樁所提供的首級控制點成果，考慮施工場地范圍內(nèi)建筑物的特點及現(xiàn)場施測條件，布置加密控制點，以達到施工測量的要求。加密控制網(wǎng)可采用GPS網(wǎng)或精密導(dǎo)線網(wǎng)測設(shè)。

2.2 高程控制網(wǎng)

高程控制網(wǎng)水準路線沿工程線路布設(shè)，采用附合線路施測。每400m布設(shè)一個固定水準點。水準點選在遠離施工場地變形區(qū)域外且較穩(wěn)固的地方，并設(shè)置明顯標識，防止毀壞。水準測量按照相關(guān)規(guī)范要求進行施測。

3? 聯(lián)系測量

將地面平面坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)通過相關(guān)技術(shù)傳遞到地下控制點的測量，稱為聯(lián)系測量。聯(lián)系測量內(nèi)容包括：地面近井點平面坐標測量和近井點高程測量;通過豎井、斜井等進行平面坐標系傳遞及高程傳遞;地下近井點平面控制測量、初始方位角定向和地下近井高程測量等。

3.1 聯(lián)系測量控制難點

①圓形工作井外徑為35.9m、內(nèi)徑為30.5m，作業(yè)范圍非常小;地下導(dǎo)線起始邊長度不到30m左右，經(jīng)計算貫通誤差無法滿足規(guī)范要求。

②工作井垂直高差超過60m，從地面向地下投點時，垂直度要求高，為減少投點中誤差;高程傳遞時，要求鋼尺變形非常小。

3.2 平面聯(lián)系測量

3.2.1 近井點引測

一般先在豎井口附近設(shè)置近井點，以現(xiàn)有控制網(wǎng)點為起算依據(jù)，采用附合導(dǎo)線測量的方法對近井點的平面坐標進行觀測。近井點的點位中誤差應(yīng)在±1cm以內(nèi)。近井點位置一般處在施工影響區(qū)域，每次進行聯(lián)系測量時必須重新觀測近井點成果。

3.2.2 聯(lián)系測量方法一（一井定向）

一般利用近井點，根據(jù)施工現(xiàn)場條件進行一井定向（聯(lián)系三角形）或兩井定向進行地下投點。因施工現(xiàn)場不具備兩井定向的條件，只能采用一井定向的方法。

一井定向是以聯(lián)系三角形幾何定向法來完成，由地面近井點測量兩根鋼絲的距離和角度，計算鋼絲的坐標以及方位角。通過垂直鋼絲可將坐標及方位角傳遞到地下。在地下利用經(jīng)計算的鋼絲坐標和方位角，通過地下觀測數(shù)據(jù)計算得出地下導(dǎo)線邊的坐標和起始方位角。此方法平面坐標傳遞會有一定的的誤差，造成地下各導(dǎo)線點產(chǎn)生同一數(shù)值的偏移，對隧道貫通誤差的影響是一個常數(shù)。起始邊定向的誤差值，雖然也是一個定值，但會隨著導(dǎo)線長度的延伸，造成隧道橫向貫通誤差成比例增大[1]。

在整個聯(lián)系測量過程中，坐標傳遞進行三次，傳遞的地下定向邊2條以上?，F(xiàn)場觀測條件允許的情況下，應(yīng)懸掛三根鋼絲并組成雙聯(lián)系三角形。單次聯(lián)系三角形定向須獨立觀測三次，經(jīng)計算合格的三次結(jié)果取平均值作為坐標傳遞的最終成果。

①外業(yè)觀測。在豎井內(nèi)選取有利位置懸掛2根直徑0.5mm的高強度鋼絲，鋼絲下端各懸掛10kg的重錘，下端置于油桶中增大鋼絲擺動阻力，如圖1所示。

采用全站儀+鋼絲上粘貼Leica反射片，進行聯(lián)系三角形測量，用全圓測回法觀測4測回。邊長較差在地上應(yīng)小于0.5mm，在地下應(yīng)小于1.0mm。地上觀測與地下觀測同一邊的數(shù)據(jù)較差應(yīng)小于2mm。

具體如圖2所示，C點與D點分別為地面上連接點和近井點。A、B表示條豎直兩鋼絲線，C′點和D′為地下連接點和近井點。在地上、地下分別架設(shè)全站儀于C點和C′點，分別觀測φ、ψ、γ和φ′、ψ′、γ′角、三條邊a、b、c和地上連接邊CD，以及地下的三條邊a′、b′、c′和地下連接邊C′D′。在地上、地下組成兩個以AB為公共邊的三角形△ABC及△ABC′。已知D點的平面坐標和DE的方位角，測量地上三角形各邊a、b、c的邊長和γ角及地下三角形a′、b′、c′和γ′角，可計算得出地下導(dǎo)線點D′點的坐標和D′F′邊的起始方位角。

②內(nèi)業(yè)計算。

在△CBA和△ABC′兩個三角形中，c和c′邊長可采用全站儀+反射片直接測量得出，也可根據(jù)公式計算如下：

c2算=a2+b2-2ab·cosγ c′2算=a′2+b′2-2a′b′·cosγ′? ? ? ? （1）

因此，觀測值有一差值

？駐c=c測-c算？駐c′=c′測-c′算 （2）

地上差值？駐c不應(yīng)超過±2mm;地下差值？駐c′不應(yīng)大于±4mm。

用計算α、β和α′、β′公式如下：

sinα=a·sinγ/c

sinβ=b·sinγ/c

sinα′=a′·sinγ′/c

sinβ′=b′·sinγ′/c（3）

當(dāng)α<2°及β<178°時，上式可簡化為：

α=a·γ/cβ=b·γ/c（4）

式中γ—地面觀測值，以秒計。

計算得出α、β之后，按銳角線路計算地下導(dǎo)線點的坐標和起始方位角。

③一井定向的誤差。

一井定向誤差包括：地面的觀測誤差m上，地下的觀測誤差m下，投向誤差θ。設(shè)φ、α和β′、φ′的中誤差分別為mφ、mα、mβ′、mφ′，則地下一次獨立定向的定向邊C′D′方位角的中誤差計算公式為

M2（C′D′）=m2（CD）+m2φ+m2α+m2β′+m2φ′+θ2 （5）

在式（5）中，起始方位角的中誤差m （CD）與測角的觀測誤差mφ、mφ′，其觀測精度可通過相應(yīng)措施減少誤差。

根據(jù)以上公式，可得出：

1）CD和C′D′長度應(yīng)大于20m;

2）聯(lián)系三角形的最有利形狀為延伸三角形，C和C′點盡可能地選在兩鋼絲連線的延長線上，γ′、α和γ′、β′不應(yīng)大于2°。

3）mγ的大小和a/c，b/c的比值決定了α、β、α′、β′角的誤差。C點盡量靠近鋼絲線，可以減小a、b長度，提高γ角的觀測精度。

要提高聯(lián)系測量定向精度，一方面聯(lián)系三角形采用最有利形狀，另一方面根據(jù)隧道風(fēng)流方向合理布設(shè)垂線位置，以減弱風(fēng)流對懸吊鋼絲的影響，減小聯(lián)系測量投向誤差[3]。

④加測陀螺方位角。

由于豎井孔徑較小，聯(lián)系測量定向邊長較短，且豎井深度大于60m，鋼絲投向誤差大，對洞內(nèi)導(dǎo)線精度有較大影響。洞內(nèi)導(dǎo)線由于受諸多條件的限制其圖形結(jié)構(gòu)強度不高，隨著隧道掘進的距離加大，導(dǎo)線延伸越長，其點位的精度越差。由于洞內(nèi)的導(dǎo)線觀測條件較差，部分測段可能受到旁向折光等因素的影響，橫向貫通精度很難保證符合規(guī)范要求。必須使用陀螺經(jīng)緯儀加測陀螺方位角，以提高地下導(dǎo)線精度，確保隧道準確貫通[4]。

根據(jù)相關(guān)文獻，當(dāng)導(dǎo)線邊數(shù)少于10條時加測一個陀螺方位角，導(dǎo)線邊數(shù)大于10條時，加測2-3個陀螺方位角可大幅提高貫通精度[5]。

本項目采用HGG05型陀螺儀對于LG08#-LG07#段及LG07#-LG06#段隧洞選擇在導(dǎo)線全長三分之二處加測陀螺方位角，LG06#-LG05#段在中間長度位置及距出口200m兩處加測陀螺方位角保證隧道順利貫通。

3.2.3 聯(lián)系測量方法二（聯(lián)合定向）

聯(lián)合定向法是采用高精度垂準儀，將地上平面坐標精確投入地下，再采用陀螺經(jīng)緯儀在確定地下定向邊起始方位角。

首先在豎井口選定合適點位，將垂準儀置于該處，儀器整平，瞄準井底的覘標。移動覘標中心對準視準軸，分四個角度向下均勻投點，取4個投點的中心做為1個測回的投點位置。每次投點觀測4個測回，并取4測回的4點位所構(gòu)成圖形的中心為最終投點位置。在地上使用全站儀采用附和導(dǎo)線測出點位坐標，作為平面觀測的成果。

將陀螺儀置于地面控制點，對中、整平，根據(jù)簡易指北設(shè)備將陀螺儀的大致指向北方，進行近北觀測，再進行精確指北觀測，以確定陀螺子午線方向角。地面觀測結(jié)束后，將陀螺儀置于地下起邊再次進行精確指北觀測，用地面觀測的陀螺子午線方向角確定地下待定邊的方位角。為保證陀螺儀指北精度，地下觀測完成后，應(yīng)再次進行地上觀測，兩次陀螺子午線方向角較差符合要求時取平均值作為地下定向計算依據(jù)。

垂準儀投點誤差，作為一個誤差常量，對貫通誤差橫向影響是一個定值;而陀螺定向邊之前各導(dǎo)線邊方位角誤差不會累計。陀螺儀的定向精度決定了垂準儀與陀螺儀聯(lián)合定向精度。所以采用高精度的陀螺經(jīng)緯儀定向可大幅度減小貫通誤差。垂準儀與陀螺儀聯(lián)合定向采用雙投點定向的方法，使用中誤差為5″的陀螺儀經(jīng)緯儀，一次性定向精度度可達5″以下。高精度陀螺經(jīng)緯儀為全自動定向，在定向操作簡單、定向速度快、定向精度高，相比傳統(tǒng)測量手段具有非常明顯的優(yōu)勢。

3.3 高程聯(lián)系測量

3.3.1 近井點引測

利用首級高程控制網(wǎng)成果，將水準高程引測到近井點上。近井點水準測量布設(shè)成附合環(huán)線，往返較差、附合環(huán)線閉合差應(yīng)符合規(guī)范要求。

3.3.2 高程控制網(wǎng)聯(lián)系測量

由于本隧道開挖深度較深，高程聯(lián)系測量采用懸掛鋼尺法進行（詳見示意圖3）。將100m長Ⅰ級鋼尺固定在鋼架上，置零端向下，下端懸掛10kg重錘于油桶中。一臺水準儀置在地面觀測，另一臺則置于地下觀測。為避免懸掛鋼尺向下移動，兩臺水準儀及鋼尺讀數(shù)必須同時觀測。地面水準尺讀數(shù)為a，地面鋼尺讀數(shù)為r1，地下水準尺讀數(shù)為b，地下鋼尺讀數(shù)為r2。地下水準點高程H2計算公式：

H2=H1+a-b-（L+？駐L）（6）

L=r1-r2? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

？駐L=？駐L1+？駐LV+？駐LP+？駐LC（8）

式中，H1─地面水準點高程，？駐L1─鋼尺尺長改正，？駐LV─鋼尺溫度改正，？駐LP─鋼尺拉力改正，？駐LC─鋼尺自重改正。改正參數(shù)采用鋼尺檢定的額定參數(shù)。

鋼尺溫度改正公式為：

？駐L2=L×α×（t-t0）? ? ? ? ? ? （9）

α—鋼尺膨脹系數(shù);

t—實際溫度;

t0—標準檢定溫度。

鋼尺拉力改正公式為：

？駐LP=L×（P-P0）/E×F? ? ? ? ? ?（10）

P—施加垂球的重量;

P0—標準拉力;

E—鋼尺的彈性模量，數(shù)值取2×106kg/cm2;

F—鋼尺的橫斷面面積，單位為cm2。

鋼尺自重改正公式為：

？駐LC=γ×L2/2E? ? ? ? ? ?（11）

γ——鋼尺單位體積的質(zhì)量，值取7.8g/cm3。

高程傳遞時，觀測3次，分別采取不同儀器高。3次計算結(jié)果不符值不得超過±3mm，取平均值作為地下高程控制的基準。

4? 地下控制測量

4.1 導(dǎo)線控制測量

洞內(nèi)導(dǎo)線一般采用支導(dǎo)線方法進行，每掘進一段距離后增設(shè)控制點。工程直線段每掘進200m或曲線段每掘進100m時，應(yīng)及時布設(shè)精密導(dǎo)線網(wǎng)，將地下控制點向前延伸。兩控制點間視線距隧道壁或構(gòu)筑物應(yīng)大于0.2m，采用雙支導(dǎo)線進行閉合平差，使用Ⅰ級全站儀施測。盤左盤右各觀測4測回，較差應(yīng)小于4″，邊長往返較差應(yīng)小于4mm?？刂茖?dǎo)線延伸前應(yīng)對已有控制點進行復(fù)測，從穩(wěn)定的控制點進行導(dǎo)線延伸測量。

4.2 高程控制測量

隧道高程起算點為高程聯(lián)系測量至豎井結(jié)構(gòu)底板的水準點，在隧道掘進至150m、300～400m、單向開挖中間長度位置以及接近貫通面150～200m時進行包括高程聯(lián)系測量在內(nèi)的全面復(fù)測。地下水準控制點用數(shù)字水準儀配置銦瓦尺施測，約每160m布設(shè)一個點，按照規(guī)范要求進行控制。

5? 結(jié)語

豎井聯(lián)系測量是地下工程貫通測量中最重要的環(huán)節(jié)，不僅要求測量精度高，且對成果的可靠性也有很高的要求。因此要選擇技術(shù)先進、成熟、精確的測量方法。本文討論的幾種聯(lián)系測量方法，在地下工程中應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟可靠，精度經(jīng)過多個項目驗證滿足相關(guān)規(guī)范要求。根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，可選擇多種豎井聯(lián)系測量方法進行對比。選擇精度與效率最優(yōu)的方式為宜。隨著儀器設(shè)備和測量技術(shù)的不斷發(fā)展提高，相信不久的將來便會出現(xiàn)更加可靠、便捷，精度更高的測量方法，讓我們拭目以待。

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