贾晓堂

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

随着测绘技术的迅速发展，隧洞洞外控制测量已经从传统的导线、三角网测量模式发展到基于GNSS、电子水准等高精度测量模式为主的阶段，使得洞外控制点数量大大减少，洞外控制测量误差引起的洞内横向和纵向贯通误差也大大减小。

1 工程概况

某输水隧洞全长100km，工程主体采用以TBM为主、钻爆法为辅的联合施工方法，单向贯通长度最长为15km。隧洞施工中能否在贯通面上精确贯通，隧洞洞内控制测量起着决定性作用。在水利工程测量中，针对100km输水隧洞进行洞内控制测量的方案研究和设计实践并不多见。在本工程中，通过建立了特长输水隧洞洞内施工控制网，使得隧洞精确贯通，实践证明，这项测量工作切实可行且精度可靠。

2 洞内控制测量方案

2.1 工作内容

输水隧洞洞内控制测量技术的研究包括五个部分，分别为控制网布设、选点埋石、仪器设备选择、数据采集和平差计算。搜集国内外长隧洞工程的相关资料，在保证隧洞高精度贯通的前提下，制定一套技术先进、质量可靠、经济合理而且最适合、最稳妥的控制测量方案。

2.1.1 控制网布设

输水隧洞洞内控制测量常用的布网方案包括支导线、双导线网、虚拟导线网、导线环网和自由测站边角交会网等。根据工程特点，结合现场实际情况选择应用。

2.1.2 选点埋石

控制点点位的选择主要考虑三个方面，即距洞壁的最佳距离、不影响施工、便于观测。标石可分为地面标、观测墩、洞壁强制对中装置等，在保证控制点稳固并能够长期保存的前提下进行标石埋设和建造。

2.1.3 仪器设备选择

为了确保隧洞精确贯通，选择的仪器设备有：①Leica TCA2003全站仪，标称精度：测距±(1+1×d)mm，测角0.5″；②Leica TS30全站仪，标称精度：测距±(0.6+1×d)mm，测角0.5″。

2.1.4 数据采集

数据采集方法包括方向观测法、分组方向观测法、全组合测角法和多测回测角法等。

2.1.5 平差计算

平差计算方法有很多种，例如：经典测量平差方法、序贯平差方法、秩亏自由网平差方法和附加系统参数的平差方法，通过平差结果的对比分析选择最优的平差计算方法。

2.2 控制网布设

输水隧洞洞内控制测量因受隧洞形状和空间的限制，洞内控制网一般采用直伸导线布网方式。但为了克服传统支导线的缺点，提高导线最弱点精度，目前国内外洞内导线主要以旁点导线、多边形闭合导线和交叉导线为主，这些布网方式都存在各自的优缺点，但都可提高洞内导线的精度与可靠性。

2.2.1 方案对比

方案1：布设导线环网，如图1所示。导线环网是一种比较传统的布网形式，在隧洞控制测量中被广泛应用，布设简单，有一定的多余观测量，控制网的精度均匀，通过较高等级的施测精度，可以保证隧洞贯通。但该观测方法相对固定，仪器必须架设在控制点上，洞内空间狭窄，观测视线易被遮挡。

图1 导线环网示意图

方案2：布设虚拟导线网，如图2所示。虚拟导线网布设简单、灵活，测量工作量小，在国内完成的短距离隧洞工程有许多成功的案例。但对于长隧洞，该方案的多余观测量少，检核条件少，控制网精度低，对中误差偏大，不利于隧洞正确贯通。

图2 虚拟导线网示意图

方案3：布设自由设站边角交会网，如图3所示。自由设站边角交会网近年来被高铁隧洞工程广泛使用，是较先进的布网方案。控制网图形强度高，检核条件多，控制网的精度高且均匀。困难地区也可用其代替三等高程控制网。本方案观测量较多，对观测条件要求较高，缺点是外业工作量较大。

图3 自由测站边角交会网示意图

方案4：导线环网与自由测站边角交会网融合方案，如图4所示。结合本工程实际特点，为获得更加优化的方案设计，将方案1与方案3融合使用，扬长避短，在主支洞交叉位置、扩大洞室位置等重点洞段布设自由测站边角交会网，一般洞段布设导线环网，这样既保证了控制网的精度不降低，又在一定程度上压缩了外业工作量。经过论证和实践，将导线环网与自由测站边角交会网融合使用，建立如图4所示的布网方式。

图4 导线环网与自由测站边角交会网融合示意图

方案4具有如下优点：控制网图形强度较高，多余观测量多，控制网的精度高且均匀，可保证隧洞的正确贯通。在洞内积水段，可布设自由测站边角交会网，免去了水准测量工作，提高了外业测量效率。控制网建立后，不会因为洞内施工以及车辆运行导致个别控制点破坏而对整个控制网产生影响。根据洞内条件，可灵活实施数据采集，即保证了测量进度，又不影响施工。本方案相对于其他方案前期投入工作量大，但随着控制网建立后，后期工作量会逐步减少，在保证了施工精度的同时，提高了整个工程的进度，在一定程度上缩短了工期，具有一定的经济效益。

所以导线环网与自由测站边角交会网融合方案为本隧洞洞内施工控制网布设的首选方案。

2.2.2 等级的确定

SL 197—2013《水利水电施工测量规范》中关于隧洞开挖极限贯通误差、贯通中误差的分配值见表1、表2。

表1 水工隧洞开挖贯通误差

表2 贯通中误差分配值

本工程隧洞最大开挖长度达到15km，已超出SL 197—2013中相向开挖最大长度8km的限制。根据水工设计的要求，参考SL 378—2007《水工建筑物地下开挖工程施工规范》拟定出8km至20km隧洞的贯通极限误差，见表3。

表3 贯通测量容许极限误差值

控制网等级应根据控制网的精度对贯通误差的影响值来确定。隧洞贯通误差包括横向、纵向和竖向3个方向的误差。一般而言，纵向限差要求容易达到，竖向误差影响隧洞的坡度，应用精密水准测量的方法，也容易达到所需要求。隧洞贯通最关键的是解决横向贯通误差问题。

洞内导线测量误差对横向贯通误差影响值My，可以通过下式计算：

(1)

(2)

(3)

隧洞单向掘进按最大长度15km进行精度估算，支洞导线平均边长取300m，主洞内导线平均边长取600m，边长相对精度为1/100000，测量组数按一组计算。测距误差引起的贯通误差精度影响值myL=±0.0105m，排除掉测距误差影响值后，分配至测角误差引起的贯通精度影响值myβ=±0.1997m。

由上述影响值可得：洞内角度测量中误差达到myβ=±1.78″，规范规定三等精度为±1.8″，满足贯通精度要求。通过上述分析，可按三等导线精度布设洞内施工控制网。

2.3 选点埋石

2.3.1 选点

选好点位是提高控制网观测精度、保证成果可靠性、使观测工作能够顺利进行的重要环节。洞内选点时充分考虑了以下事项：点位尽量设置在施工范围以外；点位的基础坚实稳固，易于保存，并有利于安全作业；点位选在便于安置仪器设备的地方；点位距地面及洞壁的距离最佳。

受隧洞洞径和施工的限制，隧洞洞内导线网均沿隧洞洞壁直伸布设，导致各导线点紧靠隧洞侧壁。当在靠近隧洞侧壁的导线点上进行观测时，水平方向观测值受旁折光的影响显著，且旁折光对水平方向观测的影响是系统性的，该误差具有累积性。经过对大量观测数据的汇总分析后，确定点位距离地面及洞壁40cm以上，旁折光对测量精度的影响可以忽略不计。因此，点位均选在距地面100～120cm之间，距洞壁40cm以上位置。

2.3.2 埋石

标石可分为不同的类型，如地面标、观测墩、洞壁强制对中装置等，在保证其稳固和能够长期保存的前提下进行标石埋设。根据输水隧洞的现场条件，采用悬挂洞壁带有强制对中装置的观测墩，或者现场浇筑混凝土标石，其上安装强制对中基盘。

2.4 仪器设备

仪器设备的选择对控制网的精度起着至关重要的作用。本工程采用Leica TS30全站仪，同时配备空盒气压表3个，温度计3个。

Leica TS30全站仪具有以下优点：仪器标称精度高；自动化程度高；可以自动对目标点进行搜索，照准目标，对中观测，减少人为照准误差；对洞内的光线强弱没有要求，可以在黑暗环境下进行工作；工作效率高，相对于其他设备，工作效率提高50%以上。

2.5 数据采集

数据采集方法主要有四种，即方向观测法、分组方向观测法、全组合测角法和多测回测角法。根据上述控制网的布网方案以及控制网施测的等级，采用多测回测角法进行数据采集最为适宜。该方法比较灵活，可根据洞内条件选择测回数及观测目标，所有目标可同时观测，数据集中，数据关系清晰。作业时现场测定温度、气压，并输入到仪器内，仪器自动进行气象改正。外业观测过程中要待仪器温度与外界气温一致、成象清晰、目标稳定的情况下开始观测，如受外界因素(如震动)的影响，仪器的补偿器无法正常工作或超出补偿器的补偿范围时，停止观测。仪器与反射棱镜应按出厂要求配套使用，未经验证，不得与其他型号的相应设备互换使用。

表4 部分隧洞导线环导线测量精度评定表

3 测量数据平差及精度计算

3.1 平差计算

因隧洞洞内控制网布设成导线环网与自由设站边角交会网融合的形式，导致观测量和观测值种类增加。根据隧洞洞内导线网呈带状分布的特殊性，若按常规的洞内控制网数据处理方式，对隧洞洞内导线网进行数据处理，将无法正确反映洞内导线网的实际精度，影响隧洞的正确贯通，甚至对隧洞施工造成影响。因此，应对融合导线网平差进行优化设计，确定最适合本工程隧洞洞内导线网数据处理的平差方法。

为了符合隧洞洞内导线网方向观测的实际情况，利用各测站的方向观测数据，通过测站平差计算出各测站内每一个方向观测值的权，以此来形成间接平差中方向观测值的权阵，而距离观测值的权值保持不变。然后，再分别应用常规约束平差算法和赫尔莫特约束平差算法对隧洞洞内导线网进行数据处理，最后采用控制网测量数据处理通用平差软件包COSA_CODAPS V6.0进行整体平差。结果表明，经过优化设计的整体平差方法与常规平差方法相比，得到的控制网成果精度提高了20%。另外，在平差前需将外业测得的斜距经过加、乘常数改正后的平距按下式归算到洞线平均高程面上，边长归算到工程面后进行导线整体平差。

(4)

式中，D—测距边水平距离,m；D0—归算到洞线平均高程面上的测距边长度,m；Hp—本隧洞洞线平均高程面；Hm—测距边两端点的平均海拔高程,m；RA—本区域法截线平均曲率半径。

3.2 精度评定

最终的精度评定结果见表4，洞内控制网成果中最弱点点位中误差为10.8mm，测角中误差最大值为1.6″，导线全长闭合差最大值为1/9.7万，均高于设计精度要求，充分证明了洞内控制测量方案科学合理、精度可靠，满足工程需要。

4 结语

特长输水隧洞洞内控制测量在指导隧洞施工以及隧洞精确贯通方面起着举足轻重的作用。该输水隧洞的精确贯通也充分证明了本方案设计科学合理，有较强的应用价值。

在实际应用中，本方案不适宜在长度较短、洞径较小的隧洞施工中应用。伴随着我国国民经济的高速增长，基础设施建设的投入逐年加大，无论是在水利水电行业，还是在交通、煤炭、高铁等行业，隧洞工程会越来越多，隧洞的长度越来越长，测量难度也会越来越大，本项目的设计实施能够为以后的特长隧洞洞内施工控制网测量提供一定的理论依据。