刘瑛,史国强(太原市勘察测绘研究院,山西太原 030002)

山西省中部引黄工程施工测量监测原理及方法

刘瑛∗,史国强
(太原市勘察测绘研究院,山西太原 030002)

摘 要:山西省中部引黄工程包括取水工程、总干线、东干线、西干线以及各供水支线输水工程。大部分工程为隧洞工程,线路总长384．5km,属于长距离隧洞工程。为了保证隧洞能够正确贯通,有必要对施工过程进行及时、准确的监测,包括控制点及隧洞轴线监测。针对该工程本文提出了具体的监测方法和评价标准,利用精密全站仪对施工控制点、隧洞设计关键坐标进行复测,对工程建设参与者的施工测量工作进行监控、监督和评价,并提出相应的管理措施,确保隧洞工程能够顺利贯通。

关键词:施工测量监测;导线测量;三角高程测量;正确贯通

1 工程概述

山西省中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中一项重要的工程,包括取水工程和输水工程。取水工程位于保德县境内,进水塔位于天桥水电站库区上游枣林沟入黄河沟口处左岸,距天桥水电站枢纽约1．4 km。输水工程包括总干线、东干线、西干线以及各供水支线输水。输水线路总长384．5 km,总干线长200．22 km,东干线长28．76 km,西干线长85．70 km,支线长69．82 km。

本工程以隧洞为主,穿越吕梁山脉,山大沟深、地形条件复杂,设计中很难完全掌握工程地质、水文地质状况,在整个隧洞施工测量过程中,仅仅简单地遵循规范规定、设计文件显然不够。在充分理解规范本意和设计意图的基础上,根据调查、分析的结果以及隧洞工程施工的特点,提出符合工程实际的施工及测量方案,进而确保工程施工质量。

受山西省中部引黄工程管理局委托,我院承担了山西省中部引黄工程全线的施工测量监测,主要是监测各施工单位所做洞内导线控制点的平面和高程精度是否符合设计和水利水电规范要求,保证隧洞能够顺利贯通,不出现重大测量事故。

2 监测的主要内容

监测的主要内容包括隧洞外首级控制点的精度、埋设情况和洞内所做导线点的精度、埋设情况是否满足施工设计要求。其中,洞外控制点一般都在山顶不带水准高程,只检测平面精度;由于引黄工程主要以隧洞为主,大多通过支洞进行对向开挖。主洞平均坡度为1/3000,而支洞坡度较大,一般可达到20%甚至40%以上,高程测量难度较大,故此次高程监测主要是对支洞口到支洞主洞交叉点的高差进行监测。另外,我院还针对施工方所使用的测绘资料的正确性、完整性以及测量方法的正确性等进行监督,在本文中不做过多的阐述。

2．1隧洞外首级控制点监测

按照水利水电工程测量规范,隧洞外需埋设至少三个首级控制点,一般为GPS点。洞外主要是通过静态观测,测定三个点的两条边长以及两边夹角是否满足首级点的精度要求,并计算控制点的位移,综合判定是否需要重新进行复测。

边长监测值精度应满足水利水电施工各等级GPS控制点的精度要求,测角与测边的精度匹配应符合式(1)[1]:

式中:mβ为相应等级控制网的测角中误差,单位为″;ms为测距中误差,单位为m;S测距边长,单位为m;ρ为常数,其值为206265″。

2．2隧洞内导线点监测

(1)平面监测

平面监测主要监测导线点的埋设是否合理。用支导线的方法测出导线点的坐标,再根据导线点与隧洞轴线的相对位置关系,确定主洞轴线的,计算当前测量轴线与设计轴线的偏差,判断是否满足规范要求。

(2)高程监测

高程监测主要监测支洞口到支洞主洞交叉处的高差。

3 监测原理及方法

3．1监测的原理

为了提高监测的精度,必须考虑温度、气压及相对湿度对测距的影响,进而对边长进行改正;施工坐标系投影面与控制点高度不一致,因此需要进行投影改正;另外三角高程测量必须考虑地球曲率与大气折光对测距及测角的影响。下文将详细阐述三者对导线测量精度的影响以及改正方法。

(1)投影改正

由于全线主洞高程在940 m左右,故施工坐标系的投影面选择高程为940 m的平面。由于工程全线大多属于山区,地表高度远超过主洞高程,因此必须把实测边长投影到施工坐标系所在的平面上,投影公式如下:

式中,S为实测边长,△S为边长投影改正数,H为两控制点的平均高程,R为地球平均曲率半径,该值为6 371 km。

(2)气象改正

隧洞外控制点之间的距离一般都较远,为了提高导线边长的精度,须进行气象改正即TPS改正。气象条件包括温度、气压及相对湿度,其中相对湿度对测距的影响很小,这里主要讨论温度和气压对测距的影响。温度和气压对距离的影响如式(3)所示:

式中,t为温度,单位为℃;P为气压,以hPa(百帕)为单位;D′为观测距离,以km为单位;Dtp为改正数,以mm为单位。

由式(3)可以看出,一般气象条件下,对于1 km的距离,温度变化1℃所产生的测距误差为0．95 mm;气压变化1 hPa所产生的测距误差为0．27 mm。

(3)球气折光改正

球气折光改正是地球曲率与大气折光改正的简称,主要对三角高程测量影像比较大,二者对高差的影响称为球气差。考虑到球气差计算三角高程的公式[2]如下:

式中:hAB为仪器与目标之间的高差;S0为两点之间的水平距离;K称为大气垂直折光系数,另1-K=C, 2R 则C一般称为球气差系数;i为仪器高,v为棱镜高。K值是随地区、气候、季节、地面覆盖物等条件不同而变化的,要精确确定它的数值,目前尚无相关办法。K值一般取0．08～0．14之间。

3．2监测的方法

(1)监测的技术指标

洞内导线点按照水利水电施工测量四等导线的技术标准实测,主要技术指标[1]如表1～表3所示:

水平角方向观测法技术要求 表1

测距作业技术要求 表2

垂直角观测技术要求 表3

(2)监测的方法

洞内控制网观测采用单程双转点法进行。先在全站仪中将观测程序和限差设置好,然后按照控制网图由洞外向洞内逐站观测。

如图1所示:设支洞A已进入主洞,需要检测。检测时,由洞外已知点A开始,测洞内导线点a1,a2并记录,测至a2时,必须测量支洞A和主洞交接处的坐标;隧洞继续向前延伸,当是施工至主洞拐点处时,需进行检测。此时,在确保a2点无误情况下,从a2点开始,测量a3,a4导线点,测至a4时,须测量主洞拐点坐标;当主洞施工至离贯通面100 m左右时,需要检测。此时,在确保a4点无误情况下,从a4点开始,测量a5导线点,并测定主洞中线;测定主线时至少测3个点。

观测时一定要注意以下事项:

①观测前应先检查电池电压是否符合要求,应待仪器温度与外界气温一致后开始观测。另外,测距前在仪器里输入正确的气压、温度、相对湿度。

②应在成像清晰、稳定的情况下进行。

③反射棱镜背面应避免有散射光的干扰,镜面不得有水珠或灰尘沾污。

图1　实地监测示意图

④观测时各项观测限差应符合表的规定,若出现超限时,应重新观测。

⑤当观测数据出现分群现象时,应分析原因,待仪器或环境稳定后重新进行观测。

⑥量取仪器高、目标高一定应进行三次测量,互差最大不应超过2 mm,然后进行取平均值。

(3)导线计算

导线计算按照导线计算公式,采用左角或右角。计算过程中角度、距离必须采用平均值,其中距离采用正反测平均值。如果导线点的高程与施工坐标系所投影的平面高差比较大必须进行边长改正,改正方法如式(2)所示。

三角高程计算公式参照式(4),计算所采用的数据必须是均值,由于三角高程采用的是对向观测,最终两点的高差采用正向和反向的平均值,对向观测两点之间的闭合差必须满足国家二等水准规范,L为两点间的平距。

4 监测方法的精度

《水利水电工程施工测量规范》(SL52-93)中表4对贯通误差的限差及贯通中误差分配值有明确规定[1]。

工隧洞开挖贯通误差 表4

在进行贯通测量设计时,可取极限误差的1/2,作为贯通面上的贯通中误差,根据隧洞长度,各项测量中误差的分配,应符合表5的规定。=0．7″,我们假设中误差设影响为1″,误差全部分布在横向上,对横向的影响每站为1．6 mm,11站共计影响为17．6 mm,小于限差40 mm,能够达到精度要求。

通中误差分配值 表5

4．2高程监测的精度

三角高程测量的精度有式(4)可知,影响三角高程的因素主要球气折光系数、仪高、镜高的量测精度,由于距离比较近地球垂线偏差影响较小[4,5],暂不考虑。

由于是对向观测,则A、B两点的高差为:

4．1平面监测的精度

此次监测使用的仪器型号为徕卡TS30,精度指标0．6+2 ppm×D,测角中误差0．5″。设相邻导线点间的距离为300 m,支洞口到贯通面的距离一般为3．5 km,共需架设11站。由于对中误差,设每站对测距的影响为0．2 mm,由于是单程双转以及对向观测,同一条边我们观测四次,故对中误差对一条边的影响为0．1 mm,11站共计11 mm。按照TS30自身的精度11站共计对边长的影响为16．6 mm,两者相加共计为27．6 mm,全部分配到纵向上由表6可以看出能够满足要求。角度每站影响为0．5″,因为对中误差能够控制在1 mm以内,可得每站对中误差对测角的影响为

将式(4)带入式(5)得:

由式(6)可以看出,采用对向观测高差的影响是受△K的影响而不是K值取值,如果对向观测时间相距较短,则K值不会发生太大的变化,故其对高差的影响可以忽略不计。由仪高、镜高量取造成的误差,我们可以通过多次测量实质降低到最小,在下面暂不考虑。

根据误差传播定律[3],对式(6)进行微分整理得:

式中:mh为对向观测高差中误差,单位为mm;mL为测距中误差,单位为mm;mα为测角中误差,单位为s;L为平均距离,单位为km;ρ为常数206 265 s。

观测时我们采用多测回测角测距,测回数为4,仪器型号为TS30,精度指标为0．6+2ppm×D,测角中误差为0．5″。根据误差传播定律[3]得,测角中误差为mα= 0．25″;同理测距精度mL=0．3+1 ppm×D。

将以上理论精度带入式(7)得表6:

不同边长不同垂直角的对向观测中误差(mm) 表6

由表6可知,在距离小于1 km的情况下,对向观测中误差在垂直角不超过17°时高差中误差mh为0．880 mm,小于国家二等水准规定的1 mm。此次监测,主要监测支洞口到交叉处的高差,支洞长度一般不超过1 km,能够满足工程的精度要求。

5 结 论

通过近两年的现场实地监测,发现各个标段测量人员技术水平参差不齐,测量精度较差的标段往往是测量部门管理比较混乱,测量人员不按照相关规范进行作业。如出现最大误差的标段,主洞掘进1．8 km,偏离值已经达到40 cm,主要原因是测量员不按规范以导线形式进行布设导线点,只是简单的采用对中杆测定导线点的坐标,且仪器不按规范定期进行检校。为确保引黄工程的顺利贯通,防止出现重大测量误差,很有必要进行第三方监测,坚强对施工方测量资料的准确性以及测量精度的监测。

本工程所采用的监测方法在满足工程精度要求的情况下,能大大提高工作效率。在实际监测中,及时发现了测量精度严重超限问题,避免了重大测量事故的发生。另外所监测隧洞,已有部分顺利贯通,如21标2#与3#支洞,勘探实验标12#支洞与出口,蒲大支线进口与出口等,贯通误差均在限差之内。

参考文献

[1] DL/ T 5173-2003．水电水利工程施工测量规范[S]．

[2] 潘正风,杨正尧,程效军．数字测图原理与方法[J]．武汉:武汉大学出版社,2009．

[3] 武汉大学测绘学院测量平差学科组．误差理论与测量平差基础[J]．武汉:武汉大学出版社,2009．

[4] 汪耀武,方梅．全站仪三角高程测量代替三四等睡着测量分析研究[J]．武汉理工大学学报·交通科学与工程版,2014．

[5] 杨凤芸,赵文,刘玉梅．TM30三角高程代替二等水准测量的精度分析[A]．沈阳:沈阳建筑大学学报·自然科学版,2012．

The Construction Measuring Principle and Method for Monitoring of Middle Yellow River Diversion Project in Shanxi Province

Liu Ying,Shi Guoqiang
(Taiyuan Institute of Surveying and Mapping,Taiyuan 030002,China)

Abstract:The middle diversion project of Yellow River in Shanxi Province includes the water taking project,main line, east line,west line the other water conveyance project of each water supply branch．The total length 384．5 km,and most of work is in tunnel,which is a long-distance tunnel project．In order to make sure that the project can be finished smoothly,it is necessary to monitor the project accurately and timely,including the survey of control points and tunnel axis．In this paper,we provide a specific monitoring method and evaluation criterion for the project,including the way of the repetition measurement of construction control points and critical design points of the tunnel,and the evaluation method for workers who participate the project,providing the management measures to make sure the successful completion of the tunnel．

Key words:construction survey monitoring;traverse survey;trigonometric leveling;cut-through

文章编号:1672-8262(2015)06-143-04中图分类号:P258

文献标识码:B

收稿日期:∗2015—09—21

作者简介:刘瑛(1979—),男,工程师,主要从事工程测量工作和测量项目管理工作。