王绍锋

(中国铁建十六局集团有限公司， 北京　100018)

无定向导线在水利隧洞盾构法施工测量中的应用

王绍锋

(中国铁建十六局集团有限公司， 北京100018)

【摘要】以南水北调工程北京市配套南干渠工程盾构段的始发井的联系测量、隧洞内控制测量为实例，采用无定向导线测量方法对盾构始发井进行联系测量和隧洞内控制点测量，通过与其他测量方法进行比较分析，得出了一些有益的结论供广大同行参考。

【关键词】无定向导线； 盾构施工； 联系测量； 洞内导线测量

目前南水北调干线工程已经接近尾声，为了使南水北调来水得以充分、稳定、有效的利用，北京市进行了市内调蓄工程、输水工程、新建改建水厂等一系列市内配套工程建设。南干渠工程是北京市南水北调配套工程总体规划中的一项，是南水北调引水进京后北京市内主要配套工程之一。南干渠工程位于北京市南部，全长27.26km，其中下游段全部采用盾构法施工。

在进行水利盾构的施工测量时，要求主要控制好两个方面：ⓐ通过始发竖井提供工作面进行施工控制测量，始发井联系测量(平面)的目的就是将地面控制网的坐标和方位按要求精度准确地传递给地下盾构施工控制导线(或施工导线)，为施工提供控制依据；ⓑ在盾构掘进过程中隧洞内控制点的布设与复核。笔者根据南水北调配套北京市南干渠工程第十标段，应用无定向导线测量方法，对盾构施工过程中的联系测量、隧洞内导线控制测量进行经验介绍，并与其他方法进行分析比较，为今后的地下盾构隧洞施工建设提供一些参考经验。

1工程特点

南水北调配套北京市南干渠工程第十标段，起点里程14+369.040，终点里程18+574.040，全线长4205m，其中4条曲线，曲线长度占全线长度38%。该段输水管线施工采用盾构法，其中主要包括输水隧洞工程，1座盾构始发兼接收井、5座排气阀井、1座排空井。该工程施工测量的主要难点是：施工区间长、7次穿越结构物、曲线所占比例高(见图1)。结合该工程的特点难点，应用无定向导线测量方法对盾构施工进行控制测量，取得了良好的效果。

图1　南干渠十标平面布置及控制点位置

2无定向导线的特点及计算方法

2.1无定向导线的概念

无定向导线是没有方向检核的导线，即为从一条已知边出发而闭合到一个已知点，但有时在导线的一端只有一个已知点，没有定向点，另一端也可能是一个点。该类导线就不能用常规的计算方法来推算坐标，因为起算时没有定向点，所以称为无定向导线。

2.2无定向导线的计算方法

A点和B点为已知的高级控制点，A-B的方位为角T，通过A、B坐标反算边长为L，Pi(i=1～n)A点和B点是无定向导线控制点，βi(i=1～n) 为无定向导线中间点实际测量左角，Si(i=1～(n+1))为实际测量边长。下图2为无定向单导线示意图。

图2　无定向导线示意图

方法一： 计算时，先假定起始边A-P1的方位角为α，依观测值Si和βi，推导求出B的假定坐标，由A点的坐标和B点的假定坐标，计算得到闭合边A-B的假定边长和假定方位角 L′和T′。根据闭合边 A-B的真、假边长和真、假定方位角，可以计算边长比R和方位角较差值ΔT′，其中R=L/L′，ΔT=T-T′。然后按R及ΔT改正导线各边的边长和方位角，用改正后的方位角及边长计算各边的坐标增量，最后推算各点的坐标。

通过回归分析，分别构建遥感因子Rrsnir/Rrsred与悬浮泥沙浓度之间的各反演模型(对数、指数、线性及幂函数模型)，并解算出模型决定系数(R2)与悬浮泥沙浓度模型拟合值与实测值之间的平均相对误差(MRE，Mean Relative Error)，用于评价模型反演精度，并最终选取指数模型作为椒江口水体悬浮泥沙浓度反演的模型(见表3)，模型公式为：

方法二： 依观测值Si和βi推导求出各导线边在A-P1方向的投影长度总和S，并按γ=arccos(S/L)计算连接角的近似值。根据γ、Si和βi可以计算各导线点近似坐标。可以组成闭合边方程式按照条件平差法进行平差，依照平差后的Si和βi计算精确的连接角值γ。也可以根据已知点B相对于A的坐标增量，以及沿Pi测点路线求得的坐标增量和闭合关系调整计算各测点的坐标，然后再计算精确的连接角值γ。

无论哪种方法，都是依边长闭合作为无定向导线计算的唯一检验。现在常用的平差软件大都具有无定向导线平差功能。

2.3无定向导线特点

单条无定向导线因相对多余观测数太少，尤其是缺少导线的横向控制，对角度观测缺少检核，无定向导线较之两端有起始方位角的导线点位误差会有所增大，且增大的主要为横向误差。由于没有方向检核，精度比附合导线要低，闭合到一个已知点上只有一个坐标检核条件，但比支导线精度要高。

3无定向导线的应用

3.1应用无定向导线进行联系测量

3.1.1控制点概况

该工程进场时设计单位交给十标段施工单位6个D级GPS控制点，其中NG09、NG10点为南干渠第九标段控制点，NG11、NG12点为标段范围内控制点，NG13、NG14为南干渠第十一标段控制点。首先对三组控制点进行复测，复测结果见表1。

表1　GPS原始控制点实测结果

测量过程按照《全球定位系统(GPS)测量规范》D等要求，采用点连式观测方法进行。每三个点共同观测时间均不小于45min，有效观测卫星个数均大于5颗，卫星观测截止角大于15°。采用LGO平差软件进行计算，坐标成果见表2。

表2　南干渠十标平面控制加密点坐标

续表

以上成果满足D等GPS控制要求。

3.1.2无定向导线联系测量

将地上控制测量引测到始发井下以及盾构始发控制点，首先用吊钢丝的方式将地面控制传递至井下，通过地上测量可计算出钢丝的实际坐标，同时将井下两根钢丝贴上放射片，将其中的一根钢丝作为无定向导线的起点，将另外一根钢丝作为无定向导线的终点，然后采用无定向导线测量方法进行盾构始发控制点的测量。测量顺序见图3。

图3　盾构始发井应用无定向导线联系测量

观测过程分为井上和井下两个组同时进行：

两个观测组分别采用1s全站仪进行观测，虽然观测条件满足不了四等导线要求，但是按照高于四等导线要求进行观测，测角测回数为6个，测距为往返各3次。通过测绘平差易对观测数据进行平差计算。

3.2无定向导线在隧洞内控制测量中的应用

前文提过，盾构施工过程中要7次穿越结构物，这样既增加了难度也提供导线附和的条件。在盾构穿过之后，管片变形监测已经稳定，在该结构物位置悬吊钢丝作为无定向导线的终点进行复核洞内导线控制点。见图4：

图4　应用无定向导线复核隧洞内控制点

观测过程分两步进行：ⓐ在盾构穿越排气井后，管片监测已经稳定，先完成由A-18至Zn点的测量工作，也可直接利用原联系测量成果直接按支导线测量至Zn点；ⓑ分成两个观测组——地面组与洞内组同时进行，地面组由A-16测量至D-3点，洞内组由Zn点测至悬吊钢丝(D-3′点)，测量过程按四等导线要求进行观测。这样就形成了由D-1点至D-3点的无定向导线测量过程，通过平差易软件对观测数据进行平差计算，得到Z3、Z4的无定向导线数据。原Z3、Z4点数据为支导线观测成果，其精度等级低于无定向导线精度，所以将Z3、Z4点坐标数据调整为此次无定向导线测量成果。以此成果为基准，继续向掘进方向控制盾构的导向系统。

利用无定向导线测量方法，该项目在7次穿越排气井过程中，共完成5次洞内控制导线复核过程，取得了很好的效果，穿越偏差见表3。

表3　盾构穿越偏差统计

通过统计偏差值分析，盾构导向控制没有出现累计误差，偏差值均小于20mm，大大小于设计允许偏差标准。这说明采用该方法完全可以满足超长盾构区间的控制要求。

4结论与建议

无定向导线在盾构始发井联系测量、水利盾构穿过排气井对隧洞内控制点复核测量和区间贯通联测等方面，都能够很好地满足测量精度要求，是盾构施工测量的有效补充，有着较好的推广价值。

在无定向导线测量过程中需要提高测角精度、增加布点间距、增加结点组成闭合环或导线网等条件来提高无定向导线可靠性和精度；如果使用高精度全站仪对无定向导线进行观测，则主要防止观测过程中粗差和错误的产生。

盾构精密导线控制在困难条件下，可应用无定向导线进行观测。但是建议在精密导线控制测量过程中，应用不同方式平差比较，以分析附合导线起始方位对成果的影响，为后期的导线复测提供参考。

单条无定向导线最弱点的点位误差比典型的导线增大约 65%。在 2 个起始点之间布设 2 个闭合环的无定向导线最弱点的点位误差比有定向导线增大约20%。随着高级控制点之间无定向导线网闭合环数的增加，使无定向导线网与有定向导线网的精度差别越来越小，在 3 个起始点之间布设具有 3 个闭合环或以上的有无定向导线网，几乎已无差别。

参考文献

[1]GB 50308—2008城市轨道交通工程测量规范[S].

[2]杨晓平,程超胜.建筑施工测量[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[3]SL 52—93水利水电工程施工测量规范[S].

[4]GB/T 18314—2001全球定位系统(GPS)测量规范[S].

中图分类号：TV554

文献标志码：A

文章编号：1005-4774(2015)02-0019-05

Application of Non-directional Wire in Water Conservancy Tunnel
Shield Method Construction Measurement

WANG Shao-feng

(ChinaRailway16thBureauGroupCo.,Ltd.,Beijing100018,China)

Abstract：Connection survey and tunnel internal control survey of starting well in Beijing supporting south canal project shield section in South-to-North water diversion project are adopted as examples. Non-directional wire measurement method is adopted for connection survey and tunnel internal control survey of starting well. Some beneficial conclusions are obtained for peers as reference by comparative analysis with other survey methods.

Keywords：non-directional wire; shield construction; connection survey; wire measurement in tunnel