水利工程的長隧洞貫通測量方法
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摘要：本文根據(jù)水利工程隧洞貫通誤差值的最新規(guī)范要求，分析了隧洞貫通測量誤差的主要來源及減小誤差的方法，結(jié)合工程案例對隧洞貫通測量的測量方案、測量儀器、誤差值估算等方面進行了研究，對隧洞貫通測量的技術(shù)設(shè)計及施工放樣有一定的借鑒作用。
關(guān)鍵詞：水利工程；長隧洞測量；貫通誤差
0引言
水工隧洞是水利工程建設(shè)中為滿足導(dǎo)流、泄洪、灌溉、引水、排沙等需要修建的水工建筑物。按用途可分為引水洞，導(dǎo)流洞，泄洪洞，排沙洞，放空洞等。隨著中、大型水利項目的開工，越來越多的長大水工隧洞被相繼開挖，而測量工作是水工隧洞順利貫通的重要保障。在設(shè)計階段，要進行洞外控制網(wǎng)的布設(shè)；在施工階段，要復(fù)核原有洞外控制網(wǎng)是否滿足貫通要求，隧洞開挖時要布設(shè)隧洞內(nèi)的施工控制網(wǎng)。目前，涉及水利工程隧洞測量的規(guī)范[1、2]一般只對相向開挖長度介于0~20km的隧洞貫通精度進行了規(guī)定，如長度超出20km的隧洞則要求單獨做控制測量技術(shù)設(shè)計，而新的《水利水電施工測量規(guī)范》[3]（SL52-2015）對相向開挖長度0~50km的隧洞貫通測量極限誤差值做出了明確要求，并對相向開挖長度0~50km的水工隧洞貫通中誤差值進行了分配。本文根據(jù)水工隧洞測量新技術(shù)、布網(wǎng)新方法，就減小貫通誤差影響進行了研究，并結(jié)合工程實例對新規(guī)范中貫通中誤差值的分配進行了驗證。
1隧洞貫通誤差
1.1隧洞貫通誤差的來源
目前，隧洞洞外平面控制測量一般采用GNSS網(wǎng)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線網(wǎng)及三角形網(wǎng)，洞內(nèi)平面控制測量一般采用導(dǎo)線網(wǎng)或邊角網(wǎng)；洞內(nèi)、洞外高程控制測量，一般采用精密電子水準測量或光電測距三角高程測量進行。隧洞測量時，由于受地面、地下控制測量誤差的影響，使得隧洞貫通面的中線與設(shè)計產(chǎn)生偏移，即產(chǎn)生貫通誤差。隧洞的貫通誤差包括橫向、縱向及豎向三個方向的貫通誤差。按來源環(huán)境又分為洞外貫通誤差及洞內(nèi)貫通誤差?？v向和橫向貫通誤差主要由洞外GNSS網(wǎng)誤差、聯(lián)系測量誤差及洞內(nèi)導(dǎo)線測量誤差引起。其中，縱向貫通誤差主要由洞外的GNSS網(wǎng)測量及洞內(nèi)的測距引起，對工程貫通影響不大，也能較好地控制，本文不做分析。豎向貫通誤差主要由采用精密電子水準測量時水準儀的精度、大氣折光等因素引起或采用三角高程測量時的照準誤差、折光系數(shù)誤差及地球曲率影響引起，由于水工隧洞的特殊性，如豎向誤差超出限差，會引起水流變緩或出現(xiàn)倒坡，導(dǎo)致隧洞的過流及承壓發(fā)生改變，甚至使隧洞不能順利貫通。橫向貫通誤差主要由洞外GNSS網(wǎng)測量、聯(lián)系測量及洞內(nèi)導(dǎo)線測量引起，主要誤差有測距誤差、測角誤差、垂線偏差、對中誤差及旁折光誤差。其中，測距誤差對橫向誤差影響極小，測角誤差和對中誤差對橫向誤差影響較大，隧洞的主支洞高差較大時，垂線偏差對方位角有影響，而氣象因素引起的旁折光對控制網(wǎng)的橫向誤差也有一定影響[5]。
1.2隧洞貫通誤差值得確定
一般情況，根據(jù)隧洞相向開挖長度（包括支洞長度）來確定橫向、縱向及豎向相應(yīng)的貫通中誤差值的大小[3]，最新的《水利水電施工測量規(guī)范》（SL52-2015）是國內(nèi)首個對長度超過20km的隧洞貫通精度做出明確要求的規(guī)范，給出了相向開挖長度50km以下水利工程隧洞貫通容許誤差值的分配。如相向開挖長度大于50km的隧道則需做專門技術(shù)設(shè)計。當在主斜洞內(nèi)貫通時，縱向誤差按橫向誤差值的大小確定，對于上下兩端相向開挖的豎井，其極限誤差值不超過±200mm。橫向和縱向貫通容許極限誤差取值相同，豎向貫通要求極其嚴格，極限誤差值為橫向及縱向貫通極限誤差值的三分之一左右。進行隧道貫通測量設(shè)計時，一般取極限誤差的二分之一作為貫通面上的貫通中誤差。在《水利水電施工測量規(guī)范》（SL52-2015）中，根據(jù)隧洞相向開挖的長度，橫向、豎向及縱向的貫通容許極限誤差值和貫通測量中誤差值按權(quán)函數(shù)法進行分配并做了適當?shù)恼{(diào)整[6]。地面、地下及貫通面的中誤差分配值滿足式（1）：M貫通面=±M2地面+M2地下姨（1）如顧及聯(lián)系測量時，則貫通面的中誤差分配值滿足式（2）：M貫通面=±M2地面+M2聯(lián)系+M2地下'姨（2）
1.3減小貫通誤差影響的方法
對于洞外GNSS網(wǎng)，通過優(yōu)化控制點布設(shè)、采用雙頻三星接收機、進行星歷預(yù)報、增加觀測時段、增長觀測時間和利用精密星歷解算等措施，可大大減小洞外GNSS網(wǎng)對橫向貫通誤差的影響[6]。水工隧洞斷面一般較小，測量時要面臨高溫、高壓、高濕度及多粉塵的影響，洞內(nèi)平面控制只能布設(shè)成邊長短而狹長的導(dǎo)線網(wǎng)，測量時可通過增加照明度、通風降塵、保持儀器干燥、嚴格規(guī)范操作、增加檢核條件等方法減小貫通誤差影響。操作儀器時，每站限差檢核合格后再搬站。為增加檢核條件，洞內(nèi)平面控制網(wǎng)可布設(shè)為洞內(nèi)交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)或自由測站邊角交會網(wǎng)；布點時盡量避開洞壁側(cè)邊，減小旁折光的影響。聯(lián)系測量時洞外高等級控制點至少有一點與洞內(nèi)通視，高差不要相差太大，定向邊應(yīng)有足夠的長度，以減小洞內(nèi)橫向貫通誤差的影響。為避免施工的影響，洞口的控制點應(yīng)布置在不受施工影響的位置，并埋設(shè)強制對中觀測墩。洞內(nèi)導(dǎo)線點分別埋設(shè)貫通用的基本導(dǎo)線點和放線用的施工導(dǎo)線點，基本導(dǎo)線的邊長應(yīng)盡量的長且近似相等，施工期間應(yīng)定期檢核基本控制點的精度。當隧洞單向開挖長度大于8km時，加測陀螺方位角能減小橫向誤差的影響[3]。光電測距三角高程觀測時，采用對向觀測，能有效的消除球氣差的影響；往返測選取氣象條件相近的時段進行，能削弱大氣折光的影響。
2應(yīng)用實例
2.1工程簡介
蒙自市楊柳河引水隧洞工程位于蒙自市鳴鷲鎮(zhèn)，地理位置為東經(jīng)103°33′~103°40′，北緯23°25′~23°28′，隧洞全長9.88km，隧洞軸線平均高程1830m，洞內(nèi)設(shè)計坡比1/1000，隧洞穿越區(qū)地形復(fù)雜，植被茂密，最高海拔2030m。云南省紅河州水利水勘察設(shè)計研究院承擔了該工程的勘察設(shè)計工作，通過該工程引水入菲白水庫，為蒙自市城區(qū)供水提供保障。
2.2洞外平面控制測量
引水隧洞坐標系統(tǒng)采用獨立平面直角坐標系，投影面為隧洞平均高程面，中央子午線采用過測區(qū)中央的子午線103°35′。洞外平面控制測量采用GNSS測量，施測等級按三等進行，儀器采用南方測繪S82-T型GNSS雙頻接收機，靜態(tài)標稱精度為5mm+1ppm，滿足《水利水電工程測量規(guī)范》（SL197-2013）[4]要求的10mm+5ppm技術(shù)要求。洞外控制網(wǎng)布設(shè)在滿足精度要求時主要考慮網(wǎng)型的可靠性，作業(yè)效率，施工階段方便對洞外控制點的使用及聯(lián)測[7]。GNSS控制點選在土質(zhì)堅實，視野開闊，遠離高壓線，便于加密、交通便利的地方。洞口控制點滿足導(dǎo)線測量進洞引測需要，視線距障礙物的距離不受旁折光的影響。靜態(tài)觀測時，先檢查接收機，進行儀器的自測試，每站記錄測站名，儀器編號，天線高及觀測時間等信息，同步觀測時間長度大于90分鐘。在GNSS控制網(wǎng)基線解算前，先進行外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查，再進行基線解算；基線解算合格后，進行無約束平差及約束平差計算；最后進行精度分析與評定[8]。該工程根據(jù)地形條件采用邊連式共布設(shè)12個GNSS控制點，網(wǎng)中共有32條基線參與平差計算，閉合環(huán)最大節(jié)點數(shù)為3個，閉合環(huán)總數(shù)32個，其中，同步環(huán)總數(shù)20個，異步環(huán)總數(shù)12個。二維網(wǎng)約束平差后最弱邊相對中誤差1/362607，精度滿足《水利水電工程測量規(guī)范》（SL197-2013）中小于1/80000的要求；對于近10km長的隧洞，對貫通誤差的影響值中誤差為10km×1/362607=±28mm，小于規(guī)范要求的±30mm，且控制網(wǎng)中其它邊的精度均高于最弱邊相對中誤差，因而洞外GNSS控制網(wǎng)對貫通誤差影響值中誤差要小于±30mm。
2.3洞內(nèi)平面控制測量
洞內(nèi)平面控制測量基本導(dǎo)線布設(shè)為交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)，控制網(wǎng)的等級按三等施測，儀器采用徠卡TS09型全站儀進行，測角標稱精度為1″，測距標稱精度1.5mm+1.5ppm。觀測時，角度至少進行2～3次重復(fù)觀測，每次照準讀數(shù)差小于4″；角度測回數(shù)為6個，一測回讀數(shù)較差小于3mm；邊長進行往返各2次測量，往返較差小于5mm，滿足測角中誤差小于1.8″，導(dǎo)線平均邊長相對中誤差小于1/150000的技術(shù)要求。洞內(nèi)三等導(dǎo)線網(wǎng)橫向貫通誤差估算按下列公式計算[3、9]：MY=±（m2Yβ+m2Yl姨）/n（3）其中：mYβ=±m(xù)β/ρ∑R2x姨mYl=±m(xù)l/l∑d2y姨式中：mYβ———由于測角誤差所產(chǎn)生的在貫通面上橫向中誤差，mm；mYl———由于測距誤差所產(chǎn)生的在貫通面上橫向中誤差，mm；mβ———導(dǎo)線測角中誤差，（″）；Rx，dy———導(dǎo)線各點至貫通面的垂直距離和投影長度，m；ml/l———導(dǎo)線邊長相對中誤差；n———獨立測量次數(shù)。該工程為直線型隧洞，中誤差估算時洞內(nèi)平均導(dǎo)線邊長按500m計，洞徑為3m，設(shè)貫通面位于隧洞中間，采用交叉雙導(dǎo)線對橫向貫通的誤差影響值可按單導(dǎo)線的1/姨2計，把數(shù)值代入上式計算得洞內(nèi)橫向貫通中誤差為±52mm，小于規(guī)范要求的±75mm。從上面計算中可得，對于直線型隧洞，測距對橫向貫通的影響可忽略，橫向誤差主要誤差來源是測角的影響。如要減小測角引起的貫通中誤差，可從增加導(dǎo)線邊長、增加獨立觀測次數(shù)、采用更高精度測量儀器等方面進行。該工程在施工階段，設(shè)計方對施工方進行了技術(shù)指導(dǎo)，并在臨近貫通面時進行了洞內(nèi)外控制點的復(fù)測、聯(lián)測及統(tǒng)一平差，隧洞貫通時貫通面中誤差小于規(guī)范容許值的要求。
2.4高程控制測量
由于該工程地處高原、地形復(fù)雜，洞外，洞內(nèi)高程控制測量采用三等光電測距三角高程測量代替水準測量[3、4]。洞外測量路線滿足交通便利、盡量利用平面控制點，洞內(nèi)高程控制點與平面控制點共用。測量時，采用對向觀測方法進行，以消除大氣折光和地球曲率對高差的影響。平差計算時，要進行氣象、邊長投影、邊長加乘常數(shù)等項改正。洞外，洞內(nèi)高程測量誤差對豎向貫通誤差的影響按下列公式計算[3、5]：Mh=±（m2h外+m2h內(nèi)姨）（4）其中：mh外=±MΔ姨L外mh內(nèi)=±MΔ姨L內(nèi)式中：mh外，mh內(nèi)———洞外、洞內(nèi)高程測量中誤差；MΔ———洞外、洞內(nèi)每千米高差中數(shù)的中誤差；L外，L內(nèi)———洞外、洞內(nèi)兩洞口間的線路平距長度，km。該工程洞外高程控制測量平距長度為12km，洞內(nèi)高程控制測量平距長度為10km，三等每千米高差中數(shù)中誤差為6mm，代入上式得洞外豎向貫通中誤差mh外=±20.8mm，洞內(nèi)橫向貫通中誤差mh內(nèi)=±19.0mm，豎向貫通中誤差Mh=±28.2mm。其中，洞外豎向貫通中誤差值稍大于容許值±20mm，但小于容許極限誤差值±40mm，所以，洞外、洞內(nèi)高程控制測量可用光電測距三角高程測量代替相應(yīng)等級的水準測量進行。
3結(jié)束語
水利工程隧洞貫通測量是按設(shè)計的要求，將洞外控制點引測至洞內(nèi)，并按照貫通誤差的估算，在建立地面和地下平面及高程控制網(wǎng)的前提下進行施工放線及指導(dǎo)施工開挖。由于采用GNSS技術(shù)，測量精度有了很大的提高，洞外平面控制點數(shù)量大大減少，使得洞外控制測量誤差引起的貫通誤差也相應(yīng)減小。在嚴格控制洞外平面控制測量精度的前提下，洞內(nèi)平面控制測量對于隧洞的順利貫通起決定性作用。高程控制測量采用光電測距三角高程測量代替三、四等水準測量，在山區(qū)及復(fù)雜地形條件下能較好的提高工作效率。結(jié)合新規(guī)范要求在工程實例中進行水利工程長隧道誤差值的估算，對隧洞貫通測量的技術(shù)設(shè)計及施工放樣有一定的借鑒作用。
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作者:向垂規(guī) 李有華 單位:云南省紅河州水利水電勘察設(shè)計研究院