淺談水工隧洞施工測量技術(shù)的應(yīng)用

史傳祥 劉青依 孫建立 皇甫澤華

隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，施工測量技術(shù)和測量儀器設(shè)備有了很大的發(fā)展。近年來，GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和免棱鏡全站儀在隧洞工程施工中得到了廣泛的應(yīng)用，使得隧洞施工測量效率和精度有了很大的提高。本文結(jié)合前坪水庫工程的隧洞施工現(xiàn)場測量工作，針對水工隧洞施工過程中使用的具體測量方法和隧洞施工測量中需要注意的一些問題進(jìn)行了應(yīng)用研究。

一、隧洞施工控制測量

施工測量控制網(wǎng)的建立是實現(xiàn)施工測量放樣的重要前提，在隧洞開挖施工前，就要根據(jù)工程的具體情況，制定切實可行的控制測量方案，對隧洞施工中將要使用的測量控制網(wǎng)進(jìn)行合理的布設(shè)，分別建立洞內(nèi)和洞外的測量控制網(wǎng)，用于指導(dǎo)隧洞施工的測量工作。

1.平面控制測量

平面控制網(wǎng)是隧洞開挖施工放樣的依據(jù)，平面控制網(wǎng)的精度直接影響隧洞的平面貫通誤差，包括橫向貫通誤差和縱向貫通誤差。在隧洞開挖施工前，應(yīng)首先完成洞外平面控制測量，為洞口開挖放樣提供依據(jù)，同時為隧洞開挖掘進(jìn)指明方向。在進(jìn)行洞身段開挖的過程中，要根據(jù)工程進(jìn)度，以洞外的平面控制網(wǎng)為基準(zhǔn)，布設(shè)洞內(nèi)平面控制網(wǎng)，為隧洞開挖和襯砌施工提供放樣依據(jù)。

（1）洞外平面控制測量

建立洞外平面控制網(wǎng)，首先是要進(jìn)行控制網(wǎng)的選點、埋設(shè)，平面控制點一般選擇在通視良好、交通方便、地基穩(wěn)固且能長期保存的地方埋設(shè)。在導(dǎo)流洞工程施工中，選擇在隧洞進(jìn)、出口不受施工干擾的穩(wěn)固基巖上分別埋設(shè)3個平面控制點，3個控制點之間相互通視。因工程地形條件影響，若要使隧洞進(jìn)、出口控制點進(jìn)行聯(lián)系，必須增加地面控制點的數(shù)量，這樣將會使測量工作量加大很多。

GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是利用通信衛(wèi)星借助于后方距離空間交會原理來進(jìn)行測量定位的技術(shù)。GPS具有測量精度高、操作簡便、無需通視、不受視線的影響，可全天候進(jìn)行觀測的特點。以業(yè)主提供的高等級控制點作為測量基準(zhǔn)點，使用4臺華測GPS靜態(tài)接收機，采用“邊連法”進(jìn)行平面控制網(wǎng)的測量，每條邊同步觀測兩個時段，每個時段不少于45min。外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，使用靜態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件對外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，經(jīng)軟件平差處理后，根據(jù)已知的平面坐標(biāo)值計算得出控制網(wǎng)點的坐標(biāo)。洞外平面控制網(wǎng)測量完成后，使用全站儀從隧洞進(jìn)口到出口對GPS測得的平面控制網(wǎng)點坐標(biāo)進(jìn)行了測量復(fù)核，在每個控制點上分別架站，測量每個平面控制點的坐標(biāo)值以及兩個相鄰控制點間的距離，與GPS測量成果進(jìn)行了比較，誤差都在10mm以內(nèi)。從測量成果來看，使用GPS網(wǎng)對平面控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)，可以直接把隧洞進(jìn)、出口控制點聯(lián)系起來，進(jìn)、出口控制點間無需通視，從而大大減少地面控制點的數(shù)量，提高控制測量工作效率。

（2）洞內(nèi)平面控制測量

GPS雖然有測量精度高、方便快捷、無需通視、可全天候觀測等諸多優(yōu)點，但由于GPS的工作原理是利用GPS接收機來接收通信衛(wèi)星信號的，在一些隱蔽性較強、電磁干擾較大的區(qū)域，接收機無法接收信號，因此，在地下洞室施工中無法使用GPS來進(jìn)行測量，只能采用導(dǎo)線測量的方法來對洞內(nèi)平面控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)。

在隧洞開挖中，因隧洞開挖斷面尺寸較小，寬度有限，閉合導(dǎo)線或者附和導(dǎo)線無論如何布設(shè)，導(dǎo)線間夾角均無法滿足規(guī)范要求，所以只能采用布設(shè)支導(dǎo)線的方法來進(jìn)行洞內(nèi)平面控制測量。在多次討論研究后，選擇使用雙支導(dǎo)線的方法對洞內(nèi)平面控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)。雙支導(dǎo)線就是從已知控制點向洞內(nèi)引出兩條不同的支導(dǎo)線，使用全站儀進(jìn)行導(dǎo)線的水平角、邊距的測量，以獲得測量點的坐標(biāo)值，兩條導(dǎo)線起到相互校核的作用。在進(jìn)行雙支導(dǎo)線布設(shè)時，采用左→右→左→右的行進(jìn)路線，使支導(dǎo)線形成之字形，以滿足導(dǎo)線邊之間夾角的要求。兩條支導(dǎo)線分別由不同的測量小組獨立進(jìn)行觀測，采用兩組結(jié)果的平均值作為最終的測量結(jié)果。雙支導(dǎo)線路線圖如圖1所示。

2.高程控制測量

高程控制網(wǎng)是水工隧洞施工測量的高程基準(zhǔn)，其精度主要影響隧洞的豎向貫通誤差。在水工隧洞施工中，要根據(jù)需要分別建立洞外和洞內(nèi)的高程控制網(wǎng)。

（1）洞外高程控制測量

在隧洞施工前，要根據(jù)工程規(guī)模在洞外布設(shè)相應(yīng)等級的高程控制網(wǎng)，為洞外開挖放樣和洞內(nèi)高程控制測量提供依據(jù)。隧洞開挖施工前，在隧洞進(jìn)、出口不受施工干擾的位置布設(shè)高程控制點，建立控制點的三維坐標(biāo)系統(tǒng)，這樣就可以使用全站儀直接進(jìn)行施工測量及放樣，提高測量工作效率。

在導(dǎo)流洞施工中，以業(yè)主提供的水準(zhǔn)點作為基準(zhǔn)點，采用閉合水準(zhǔn)路線，按照三等水準(zhǔn)精度的要求，對隧洞進(jìn)、出口布設(shè)的平面控制點進(jìn)行水準(zhǔn)測量。使用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行外業(yè)觀測，外業(yè)觀測完成后，把觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，使用南方平差易軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)平差處理，以獲得測量點的高程。這種方法有效避免了光學(xué)水準(zhǔn)儀測量中的讀數(shù)錯誤，儀器照準(zhǔn)目標(biāo)尺后自動讀數(shù)，觀測結(jié)果可直接保存到儀器里，出現(xiàn)誤差超限時，儀器會自動提醒，觀測結(jié)果利用平差軟件進(jìn)行處理，避免了手工平差計算的繁瑣過程，使水準(zhǔn)測量更加方便、快捷，大大提高了測量工作效率。采用全站儀三角高程的方法從進(jìn)口到出口對控制點高程進(jìn)行測量復(fù)核，使進(jìn)、出口高程控制點建立聯(lián)系，以此來檢驗進(jìn)、出口高程控制點的準(zhǔn)確性。閉合水準(zhǔn)路線如圖2所示。

（2）洞內(nèi)高程控制測量

隨著隧洞的開挖掘進(jìn)，需要建立洞內(nèi)的高程控制網(wǎng)，為洞內(nèi)的開挖施工測量放樣提供基準(zhǔn)點。在隧洞的開挖施工過程中，采用三角高程測量代替水準(zhǔn)測量的方法對高程控制點進(jìn)行測量，這樣在進(jìn)行平面控制測量時，就可同時測出洞內(nèi)控制點的高程，減掉了水準(zhǔn)儀架站測量高程的工序，能很大程度提高測量工作效率，加快施工進(jìn)度。隧洞貫通后，按照三等水準(zhǔn)精度的要求，從進(jìn)口到出口進(jìn)行附和導(dǎo)線水準(zhǔn)測量，并在沿線布置水準(zhǔn)點，用這些水準(zhǔn)點作為襯砌施工的測量基準(zhǔn)點。附和水準(zhǔn)路線如圖3所示。

圖1 雙支導(dǎo)線路線示意圖

圖2 閉合水準(zhǔn)路線示意圖

二、施工測量放樣

隧洞施工初期主要是進(jìn)行洞室的開挖，開挖輪廓線和炮孔位置的放樣是測量的主要任務(wù)。因隧洞斷面尺寸有限，在開挖掘進(jìn)中，交叉作業(yè)較多，隧洞出渣以及洞室爆破施工都有可能使洞內(nèi)埋設(shè)的測量控制點遭到破壞，把控制點引到支護(hù)后的洞身邊墻錨桿上，利用全站儀的后方交會法，在任意位置進(jìn)行架站，根據(jù)兩個或者兩個以上的控制點確定架站點的坐標(biāo)位置。這樣只需要在邊墻上設(shè)置兩個已知點，就可以在施工掌子面附近自由架站，利用后方交會法來進(jìn)行測量放樣。

理論上來說，全站儀后方交會法利用的已知點越多，得到的測站點位置坐標(biāo)越準(zhǔn)確。在隧洞開挖過程中，在已支護(hù)的隧洞位置架站，使測站點盡量靠近掌子面，利用邊墻錨桿上設(shè)置的控制點進(jìn)行后方交會法自由設(shè)站，確定測站點位置后進(jìn)行施工測量放樣。需要注意的是，在利用后方交會法設(shè)站時，一定要做到后視距離大于前視距離，嚴(yán)禁出現(xiàn)“短邊控長邊”的現(xiàn)象，這樣才能保證測量放樣的準(zhǔn)確性。在完成后方交會法設(shè)站后，利用全站儀自帶的激光免棱鏡測距功能，把點直接投射到掌子面的放樣位置，避免了人工手持棱鏡的麻煩，利用在計算器里編寫好的隧洞開挖放樣計算程序，就可以直接進(jìn)行隧洞開挖的施工測量放樣了。這種方法可有效縮短每次測量放樣的時間，測量人員在30分鐘左右就可完成一次測量放樣，大大提高了測量工作效率，也縮短了測量人員在洞內(nèi)作業(yè)的時間。

圖3 附和水準(zhǔn)路線示意圖

三、隧洞斷面測量

隧洞開挖后的斷面測量是進(jìn)行隧洞開挖質(zhì)量檢驗及工程量計算的基礎(chǔ)。為了能夠盡快對開挖后斷面進(jìn)行支護(hù)處理，隧洞開挖后斷面測量一般在出渣完成后立即進(jìn)行。利用全站儀的后方交會法和激光免棱鏡功能，直接對開挖后斷面進(jìn)行測量，斷面間距按2m設(shè)置，斷面上點距離按不大于2m進(jìn)行設(shè)置，局部突出或凹陷部位增設(shè)測量點，利用計算器現(xiàn)場計算，遇到有不符合規(guī)范要求的部位，在該部位進(jìn)行加密測量，并用紅漆標(biāo)注，通知現(xiàn)場施工人員及時進(jìn)行處理，處理合格后再對該部位進(jìn)行測量。隧洞開挖后斷面測量資料是進(jìn)行隧洞開挖工程量計算的基礎(chǔ)資料，因此應(yīng)該如實準(zhǔn)確記錄斷面測量數(shù)據(jù)，并把測量成果及時報送給監(jiān)理工程師審核。

四、注意事項

結(jié)合前坪水庫隧洞工程施工測量中的具體工作經(jīng)驗，在水工隧洞施工測量中，應(yīng)重點注意以下幾點：

（1）水工隧洞施工危險性較大，測量人員的人身安全是首要的。在進(jìn)行洞內(nèi)施工測量時，測量人員應(yīng)首先確保自己的人身安全，盡量避免在未支護(hù)的部位架設(shè)儀器進(jìn)行測量，利用先進(jìn)的測量設(shè)備及測量方法，縮短在洞內(nèi)的作業(yè)停留時間，保證自身的安全。

（2）受洞室開挖環(huán)境的影響，洞內(nèi)光線較差，在進(jìn)行導(dǎo)線測量時，使用精度及穩(wěn)定性較高的測量儀器，保證測角、測距精度，盡量減小測量誤差。

（3）施工測量放樣時，使測站點盡量靠近放樣點，并且一定要使后視距離大于前視距離，嚴(yán)禁出現(xiàn)“短邊控長邊”現(xiàn)象，確保測量放樣的準(zhǔn)確性■