壓力引水鋼管岔管段開挖施工測量問題探討

牛劉峽

（中國電建集團水電四局有限公司,青海 西寧 810007）

1 工程概況

團坡水電站位于貴州省惠水縣境內(nèi),壩址距上游海里電站廠房約1.0 km,距斷杉鎮(zhèn)約12 km,距惠水縣城約53 km,距貴陽市約110 km。本電站為蒙江干流漣江梯級的第三級。

本工程為引水式電站,等別為Ⅲ等中型工程,攔河大壩為溢流式砼重力壩,溢流壩最大壩高40 m。正常蓄水位805 m,死水位803 m,總庫容52.1 萬m3。

引水發(fā)電系統(tǒng)布置在右岸,由進水口、引水隧洞、上游調(diào)壓室和壓力鋼管及岔管組成,采用一洞三機的布置方式,設(shè)計最大引用流量74.2 m3/s。壓力鋼管由主管、岔管及支管組成,采用一管三機布置方式。主管長395.98 m,直徑4.5 m,管內(nèi)流速4.665 m/s；主管后通過二個月牙肋型鋼岔管接支管垂直進廠,三條支管分別長（分別計至蝶閥中心處）41.916 m（1#）、47.032 m（2#）、37.341 m（3#）,大機支管直徑2.85 m,小機支管直徑2 m,壓力鋼管采用雙層組合式襯砌,鋼板襯砌外回填混凝土厚0.6 m。

電站裝機三臺（2×32 MW+1×16 MW）的混流式水輪發(fā)電機組,主廠房尺寸為60.2 m×15.5 m×39.5 m（凈長×凈寬×高）,機組安裝高程663.80 m,發(fā)電機層高程673.30 m。

在引水隧洞壓力鋼管岔管段開挖施工放樣測量時,原設(shè)計圖紙只給出典型剖面圖尺寸,但沒有計算出斷面之間的詳細(xì)參數(shù)和變化率,給我們施工測量放樣帶來了困難。為此我們通過探索和研究,在放樣之前,通過模擬計算建立了岔管段放樣測量數(shù)學(xué)模型,依據(jù)數(shù)學(xué)模型建立坐標(biāo)系展開放樣測量,成功地解決了施工測量中遇到的難題。

2 施工測量

2.1 施工控制

團坡水電站控制網(wǎng)建于2004 年6 月,等級為二等控制網(wǎng)14 個點組成,投影面高程為785 m,水準(zhǔn)點是由國家一級水準(zhǔn)點引入控制網(wǎng),是由國家電力公司貴陽勘測設(shè)計研究院建成。經(jīng)過復(fù)測該網(wǎng)維護完好,能滿足施工需要。在施工中支洞口點采用圖形強度較好的三角形網(wǎng)加密洞口控制點,并且在支洞口埋設(shè)混凝土觀測墩。

在開挖前,需認(rèn)真測量開挖斷面輪廓,并在拱頂、拱腰及半徑變化處設(shè)置清晰點位,并現(xiàn)場進行技術(shù)交底。為更好地保證機械開挖及人工部分開挖質(zhì)量,確保開挖施工精度,必須注意每次開挖厚度的控制,嚴(yán)格控制超挖和欠挖。開挖完成后,立即進行斷面測量,確認(rèn)斷面符合設(shè)計后,再進行支護的施工。由于團坡水電站對洞室開挖進尺要求是根據(jù)圍巖清況進行控制（V、Ⅵ級圍巖上臺階每循環(huán)開挖進尺不應(yīng)大于l榀鋼架間距,Ⅳ級圍巖不得大于2 榀鋼架間距；邊墻每循環(huán)開挖進尺不得大于2 榀；仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿,每循環(huán)開挖進尺不得大于3 m）。（初期支護Ⅳ級以上圍巖封閉位置距離掌子面不得大于35 m；二次襯砌距離掌子面位置：Ⅳ級圍巖不得大于90 m,V、Ⅵ級圍巖不得大于70 m）。需嚴(yán)格控制超欠挖,拱腳和墻腳以上1m范圍內(nèi)嚴(yán)禁欠挖。

施工導(dǎo)線是隧道施工中為方便進行放樣和指導(dǎo)開挖面布設(shè)的一種導(dǎo)線,導(dǎo)線點是邊開挖邊設(shè)置,通常沿中線布設(shè),邊長一般為25 m～50 m。需施工單位配合布設(shè)洞口點,進洞點利用設(shè)計坐標(biāo)和洞口點坐標(biāo),采用全站儀或經(jīng)緯儀通過極坐標(biāo)法標(biāo)定,洞口點設(shè)儀器。然后,用極坐標(biāo)反算所得方位角,標(biāo)定方向,并測量距離,從而確定進洞點。由于洞口施工方法的特殊性,中線分臨時中線和永久中線。當(dāng)隧道掘進20 m左右,就要對臨時中線點進行重新檢查標(biāo)定,檢查符合要求后,標(biāo)定永久中線。直線隧道的中線測設(shè)通常采用經(jīng)緯儀正倒鏡法、瞄直法和激光指向儀導(dǎo)向法。

洞內(nèi)平面控制測量,一般應(yīng)布設(shè)光電測距導(dǎo)線：（1）洞內(nèi)導(dǎo)線分為基本導(dǎo)線（貫通測量用)和施工導(dǎo)線（施工放樣用）。施工導(dǎo)線是為了施工放線用,必須跟著開挖面布設(shè),是為了減少開挖面放線的困難。（2）施工導(dǎo)線點的布設(shè),主要是為滿足開挖放樣的需要,宜50 m左右埋設(shè)一點,并每隔數(shù)點與基本導(dǎo)線點復(fù)核,以資校核。（3）由于洞內(nèi)大型施工機械的干擾,基本導(dǎo)線宜沿洞壁兩側(cè)布成自由導(dǎo)線,并及時算出各導(dǎo)線點平行軸線的指向角和左右偏離值以指導(dǎo)施工；（4）洞內(nèi)導(dǎo)線邊長應(yīng)進行投影改正。導(dǎo)線點的兩組坐標(biāo)較值差不得大于誤差的2倍,合格后取兩組的平均值為最后成果。在觀測時應(yīng)同時觀測導(dǎo)線的左、右角。（5）洞內(nèi)的高程控制,用同等精度的光電三角高程代替。對于洞內(nèi)的控制點應(yīng)定期進行檢查復(fù)核。

2.2 施工坐標(biāo)系建立

在施工的過程中為了方便施工放樣,必須建立施工區(qū)域?qū)Ｓ玫氖┕ぷ鴺?biāo)系統(tǒng)。所謂施工坐標(biāo)系統(tǒng),就是以建筑物的主軸線或平行于主軸線的直線為坐標(biāo)軸而建立起來的坐標(biāo)系統(tǒng)。為了計算放樣數(shù)據(jù)的方便,施工坐標(biāo)系與建筑物平面圖的施工坐標(biāo)系統(tǒng)一致。施工坐標(biāo)系統(tǒng)與測圖坐標(biāo)系統(tǒng)是有區(qū)別的。當(dāng)施工坐標(biāo)與測圖坐標(biāo)有聯(lián)系時,就要進行坐標(biāo)換算,把一個點的測圖坐標(biāo)換算成施工坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。如圖1所示,X─O─Y為測圖坐標(biāo)系,X'─O'─Y'為施工坐標(biāo)系。如P點在測圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為XP、YP,在施工坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為XP'、YP',換算公式如下:

圖1 坐標(biāo)系換算示意圖

式中：為測圖坐標(biāo)系中方位角；a、b為施工坐標(biāo)起算原點（在測圖坐標(biāo)系中縱、橫坐標(biāo)）。

1）在壓力鋼管岔管段建立施工坐標(biāo)系統(tǒng),見圖2,在岔管段開挖平面施工圖紙中設(shè)計給出的各折點坐標(biāo)（D6～D16）,如果施工過程中如圖所示用各折點為軸線施工放樣、會增加施工放樣難度,而且圖中所給出的剖面圖（如圖（3）所示、I-I、J-J、K-K）并不垂直于各折點的軸線,施工平面圖中并沒有給出施工放樣軸線。為了便于施工放樣,必須建立與設(shè)計斷面垂直且便于施工放樣的軸線。通過對施工平面圖、剖面圖的分析與計算在圖中所示可以用兩種方法建立施工坐標(biāo)系統(tǒng)。

圖2 岔管段開挖支護平面圖

2）以岔管段開挖支護平面圖D6 點（測圖坐標(biāo)X=49929.2738 m、y=3907.4906 m、施工坐標(biāo)XP= 4081.209 m、yP=0 m）為施工坐標(biāo)原點,以D6～D10的延長線為施工放樣軸線,計算得D6～D10方位角為172.5°。在實際工作中施工坐標(biāo)的起算點不為零,在計算測圖坐標(biāo)→施工坐標(biāo)過程中加入起點施工坐標(biāo)。測圖坐標(biāo)換算施工坐標(biāo)公式如下：

3）以岔管段開挖支護平面圖中平行于軸線D6～D10的A點（測圖坐標(biāo)x=49920.3959 m、y=3905.5832 m、施工坐標(biāo)xp=4089.762 m、yp=0 m）為施工坐標(biāo)原點,以A～B點為施工放樣軸線,方位角為172.5°。在計算測圖坐標(biāo)→施工坐標(biāo)過程中加入起點施工坐標(biāo)。測圖坐標(biāo)換算施工坐標(biāo)公式如下：

在施工放樣的過程中,如果以D6～D10延長線為軸線施工放樣,將各控制點測圖坐標(biāo)代入公式（2）建立相應(yīng)施工坐標(biāo)系統(tǒng)。如果以A～B為軸線施工放樣,將各控制點測圖坐標(biāo)代入公式（3）建立相應(yīng)施工坐標(biāo)系統(tǒng)。

3 壓力鋼管岔管段開挖放樣問題的探索解決

在實際施工過程中施工坐標(biāo)系統(tǒng)的建立,可以加快施工放樣的時間,直觀的表示出隧洞開挖輪廓線和開挖進尺。在壓力鋼管岔管段施工過程中,建立便于施工的施工坐標(biāo)系統(tǒng)后,發(fā)現(xiàn)在岔管段開挖支護平面圖中設(shè)計給出的剖面圖（見圖3I-I、J-J、K-K）是施工平面圖中任意的三個剖面圖,但原設(shè)計圖紙中并沒有給出剖面圖的變化規(guī)律,因此不能直接理解出設(shè)計的意圖。通過對施工平面圖、剖面圖的計算,發(fā)現(xiàn)岔管段開挖高度為固定值、寬度隨著平面圖曲線的變化而加寬或減小,在剖面圖中圓心高、半徑、起拱點高隨著寬度的變化而變化、只有拱肩以上圓弧段對應(yīng)圓心角不變。

3.1 建立數(shù)學(xué)模型

通過施工平面圖、剖面圖的分析與計算,建立剖面圖的數(shù)學(xué)模型如下：（以岔管段起始點引4+089.726至1號支管0+008.215段為例）

式中：R表示施工平面圖曲線半徑值 ；X表示施工坐標(biāo)前進值；S表示斷面寬度值；R'表示斷面半徑值；H1表示斷面圓心高程；H2表示斷面起拱點高度。

3.2 施工放樣

分別以D6～D10、A～B為軸線建立施工坐標(biāo)系放樣,在建立施工坐標(biāo)系統(tǒng)施工放樣時,有不同計算的方法（以D6～D10為軸線計算放樣、以岔管段起始點引4+089.726 至1號支管0+008.215段為例）如下：

式中：KLH為實測三維施工坐標(biāo)；A為左邊墻寬度；B為右邊墻寬度；X為前進方向偏移量；Y為斷面半寬；Q為中心偏移樁號；C為底板高程；D為斷面拱頂高；E為圓心高程；F為拱肩高度；“P-R”為斷面圓徑向差。

4 結(jié)語

在水電站工程施工中經(jīng)常會遇到施工坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和建立便于施工的施工坐標(biāo)問題,隧道施工安全始終都是隧道施工的重點。因此,在整個隧道施工過程中,在隧道工程洞身開挖工藝技術(shù)研究中,要注意安全施工,從而提高隧道工程洞身工藝的精細(xì)度,并順利完成隧道工程洞身的開挖工程。隧洞施工測量開挖中經(jīng)常會遇到漸變段、岔管的開挖計算問題,由于設(shè)計圖紙?zhí)峁┑膮?shù)有限,只有在實踐中不斷探索、不斷改進,才能解決此類問題。

筆者通過用團坡引水壓力鋼管岔管段的施工測量放樣問題的探索解決,為今后類似工程放樣提供了借鑒。