特长隧洞贯通误差控制研究

施春生

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 100166）

1 工程概况

如何保证特长隧洞的贯通是隧洞施工的关键技术之一，而隧洞贯通的核心问题就是把贯通误差控制在要求的范围内。目前国内在超长隧洞TBM施工贯通测量控制方面成功经验不多，超过10 km的隧洞极限贯通误差和贯通中误差值也需要研究。

大伙房水库输水工程主体为一长85.32 km的隧洞，中间没有明挖，长度为目前世界单洞长度之最，沿线设14个施工支洞，所有支洞口之间的控制点不能通视；隧洞纵坡1/2380，沿线有5个拐点，隧洞施工采用以掘进机为主、钻爆法为辅的联合作业方式。其中的61.80 km中除部分地质条件复杂段采用钻爆法施工外，主要采用3台TBM施工。

通过设立施工支洞，整个隧洞的贯通问题就简化为每两个支洞之间主洞的贯通问题。该工程支洞之间最长贯通距离（即相向开挖长度）达13.8 km，由于此段采用TBM施工，TBM单向掘进长度达到10 km，若以支导线作洞内控制，则支导线的长度最长可达12.8 km，因此对贯通测量的精度要求较高。

2 控制贯通误差的措施

保证隧洞高精度贯通是个系统工程，控制贯通误差的措施主要有如下步骤：

2.1 建立高精度的洞外控制网

工程测量规范中规定测区内长度变形值不得大于2.5 cm/km，由于隧洞为线形，若按常规高斯投影3°带坐标估算，隧洞出口处长度投影变形达到14 cm/km，这远超出规范要求。为使投影变形最小，必须建立一个中央子午线选在测区（即工程区）中央，高程归化面选用测区的平均高程面的方法建立任意带直角坐标系，并计算一套专供该工程使用的坐标，只有这样才能保证隧洞的正确贯通，这就是工程坐标系和工程坐标。

平面控制网采用GPS测量，把测量控制点埋设成带有强制观测装置的混凝土墩。这样就保证了洞外控制网的精度，其中控制网中最长边长12365 m，最短边长226.6 m。最弱点点位中误差为±0.77 cm，平均边长相对中误差为1/310万。洞外控制网的等级达到了二等。高程控制网的等级为二等。

2.2 确定超规范部分贯通中误差值

13.8km的相向开挖长度的限差在现行SL52—93《水利水电工程施工测量规范》中是没有的。因此首要问题是确定一个贯通目标——即贯通中误差。

确定此中误差要注意两个原则：一是能够实现的原则，即确定的误差精度要求不能太高，不然对设备和测量技术的要求太高，投入较大；二是满足工程要求，即能够顺利进行下一步的衬砌，能够满足过水断面的糙率要求，取衬砌厚度50 cm的1/2作为全部贯通测量的限差，只要贯通误差不超过这个值就不会影响衬砌。

确定方法：10 km以内值参考国内有关隧洞贯通测量的现行规范；10 km以外值，结合该工程技术要求和支护结构的要求，选用测绘出版社出版的《工程测量学》中“隧洞贯通误差的统计分析”，进行推算。

在长距离隧洞测量中，由于地球曲率和地面高差投影误差的影响，以及地面施工控制网和地下导线测量误差的影响，使得隧洞两相向开挖工作面中线偏移，即产生贯通误差。在隧洞中线方向的投影长度称为纵向贯通误差，在垂直于中线方向的投影长度称为横向贯通误差，在高程方向的投影长度称为高程贯通误差（竖向误差）。由于纵向误差对工程的影响相对不大，而现今电磁波测距的精度很高，纵向误差可以控制在很小范围内。竖向误差可以用精密水准测量方法解决，所以隧洞的贯通误差主要体现在横向贯通误差。

隧洞贯通开挖的特点是从支洞口对向开挖以提高工效。洞外布设地面施工控制网（如边角网、导线网、GPS网），隧洞内布设支导线。设隧洞从左右两个洞口对向开挖，这时横向贯通误差的来源有：洞外控制测量引起的横向中误差m外；左端地下支导线测量引起的横向中误差m左；右端地下支导线测量引起的横向中误差m右；洞外洞内联系测量误差，施工测量误差等其它误差。相比前三项误差，第四项误差可忽略不计。前三项误差对横向贯通误差的影响都是独立起作用的，按照等影响的原则，并根据误差传播定律得三项测量误差对横向贯通误差的总影响为：

若令m外=m左=m右=m，则 m贯=m。从而确定洞内外的贯通中误差分配值，见表1。

表1 洞内外贯通中误差分配值

2.3 确定洞内控制网的等级和网形

1）要根据合同中规定的贯通精度指标来估算洞内控制的预期误差，从而确定应采用的控制等级。横向贯通误差可以用以下单导线公式简单估算:

式中：mb——横向贯通中误差，mm；ms——测距中误差，mm，可采用全站仪的标称精度2 mm+2 ppm；n——导线边数；mβ——测角中误差，取1″；ρ——206265；L——基本导线总长，mm。

竖向贯通误差可用下式估算：

式中：mh——竖向贯通中误差，mm；M△——每公里高程测量高差中数的偶然中误差，mm；L——水准路线长度，km。

由此公式可以推算出，要满足最长12.8 km的单向开挖横向贯通精度达到±250 mm，洞内平面控制要三等。

高程控制测量等级的选定：根据洞外控制网等级降一级，即三等水准网。

2）根据推算的洞内控制等级，确定洞内控制的方案和资源投入。确定贯通精度的方案应遵循“合理、经济、适度”的原则。既要保证贯通偏差不要过大而影响水流，或造成对建筑物的破坏性冲刷，或产生返工，增加工程量造成浪费，延误工期，影响使用；但也不能盲目的提高精度要求，从而造成测量工作中的人力物力浪费，或造成时间的拖延。

可以根据规范的等级控制要求做出相应的人力和物力的投入。从而确定了大边长、双导线进洞的洞内基本控制方案，其基本参数如下：

洞内平面控制网布设成两级导线网，即基本和施工导线网。基本导线网要布设成狭长的双向闭合多环导线，并根据洞内通视条件基本导线点应尽量选在隧洞中心线上，布设成边长近似相等的长边导线。规范中规定光电测距导线最高等级为三等。在实际布网中，把测角精度、测角测回数、测距测回数、测距仪标称精度等技术指标全面提高，导线网的等级达到了二等边角网的技术要求。支洞导线边长采用300 m，主洞直线段边长不小于400 m，曲线段边长不小于80 m。

规范中规定闭合导线总长不能超过5 km,测角中误差不低于1.8″，测角测回数6个，测距测回数2测回，测距仪标称精度2 mm；在实际布网中，考虑洞内实际情况，要求都高于规范。闭合导线网边长总长都超过5 km，最长达到28.4 km，由于测角误差对横向贯通误差的影响是决定性的，因此测角精度不低于1.0″、测角测回数达到9测回、测距测回数达到4测回、测距仪标称精度提高到1 mm。

2.4 布设洞内控制网应注意的问题

1）垂线偏差的影响。由于主支洞高差较大，垂线偏差的影响不可忽略，主要是对方位角的影响，故观测方向值要加垂线偏差改正。

2）地面高差投影误差，主要涉及边长改正。边长可用下式归化改正：

式中：D改——边长改正值，m；D——距离边长，m；Hm——测距边长两端点高程的平均值，m；H0——洞轴线平均高程，m；R——地球半径，m。

以从12号支洞口引导线为例，支洞口到主支洞交叉处高差为270 m，其边长改正值为5.5 cm。

3）气象改正。

4）使用仪器的标称精度：测角不低于1″，测距不低于2 mm+2 ppm。

5）由洞外向洞内引测工作应在阴天或夜晚进行。在洞内、外点高差相差比较大时，引测水平角度应不少于15个测回，并要测垂直角，在方向值上加垂线偏差引起的方向改正值，边长要往返测，加温度、气象、投影改正。

6）要注意仪器的对中，当边长较短时（＜300 m）要采用三联角架法以减小对中误差，保证测角精度。

7）洞内布设的导线要进行重复2～3次的测量，以确保不出现粗差。

3 结语

本文通过研究此隧洞的贯通控制测量，总结出了一套完整的洞内误差控制理论，在实践中效果显著：

1）在全线（包括TBM施工和钻爆法施工的全同段）的15个贯通面中，全部实现高精度贯通。

2）其中超规范部分创造了高精度贯通纪录，横向贯通误差值：10～11号洞段（相向开挖长度13.8 km）的允许贯通误差±320 mm，实际横向贯通误差100 mm；14～15号洞段（相向开挖长度10.3 km）的允许贯通误差±250 mm，实际横向贯通误差58 mm。

3）参考实际贯通误差值，可以看出当初确定的贯通中误差是偏于保守的，有很大的减小空间。