观音阁水库引水工程施工控制网的设计

2012-11-14王丽英贾晓堂

测绘通报 2012年6期

关键词：观音阁测区水准

王丽英，贾晓堂

(1.辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，辽宁阜新123000;2.辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006)

观音阁水库引水工程施工控制网的设计

王丽英1，贾晓堂2

(1.辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，辽宁阜新123000;2.辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006)

结合观音阁水库引水工程，探讨特长隧洞施工控制网测量的设计，主要研究GPS在特长隧洞测量方面的应用。隧洞贯通的相关技术限差，国家有关测量规范仅规定到8 km之内。参考国内外有关案例和技术规则，进行理论上的精度估算，研究确定采用C级GPS全面网作为首级平面控制网，为以后的特长隧洞施工控制网测量提供了宝贵的经验和理论依据。

特长隧洞;GPS;贯通

一、引言

观音阁水库引水工程是辽宁省“十五”重点工程项目，是自辽宁省本溪县的观音阁水库库区自流引水，经过约7 km的输水管线，29.7 km的输水隧洞，再经过7.8 km的输水管线，将水引到本溪市的一项大型引水工程，工程主要用于解决本溪市用水问题和本溪新城发展需水问题。工程属大型隧洞引水工程，其主体是长达29.7 km的输水隧洞，实现贯通是施工第一重要目标，而隧洞开挖掘进完全是靠测量指向。由于隧洞线路长、埋深大，建立施工控制网指导隧洞掘进的测量工作非常困难。隧洞采用掘进机与钻爆法联合施工，单机掘进长度约10 km，施工支洞11个，贯通面众多，对测量工作要求非常高。如控制网精度指标达不到要求或相邻控制点之间的相对精度偏低，都有可能导致隧洞不能贯通，经济损失可达上亿元。

根据现有的资料统计，国内外迄今已建成长度大于10 km的隧洞有40余个，其中最长的隧洞是辽宁省大伙房水库输水工程引水主隧洞，全长85.3 km。在国内已竣工的还有长18.4 km的秦岭隧道工程，以及山西万家寨引黄工程南干线长42.6 km的7#隧洞，国外有全长49.2 km的英吉利海峡隧道工程等。尽管观音阁水库引水工程隧洞长度为29.7 km，但其洞线经由之处树高林密，隧洞洞口均位于狭长的山谷地带，相对于大伙房水库输水工程引水主隧洞，观音阁水库引水工程隧洞洞线经过地段的地形地势条件要比大伙房水库输水工程引水主隧洞的地形地势条件差得多，这给施工控制网的建立带来了相当大的难度。

该课题根据工程建筑总体布局和各支洞的地形情况，从精度可靠、技术先进、经济合理，便于隧洞施工放样的角度出发，施工控制网平面控制布设GPS全面网。全面网是将管线段、隧洞进、出口控制点及各支洞控制点纳入一个整体网中，统一平差。这样整个网精度比较均匀，将有利于隧洞的正确贯通。依据隧洞贯通的相关技术限差，国家有关测量规范仅规定到8 km之内，课题组参考国内外有关案例和技术规程，进行理论上的精度估算，研究确定采用C级GPS全面网作为首级平面控制网。同时，根据工程的需要，研究建立施工坐标系，使投影变形相对误差小于1/40 000，保证了隧洞贯通。本课题对GPS在特长隧洞测量方面的应用有一定创新，采用周密的技术方案进行解算，为以后的特长隧洞施工控制网测量提供了宝贵的经验和理论依据。

二、施工控制网的设计

1.平面控制网设计

(1)平面控制网布网方案

平面控制网布网方案是在平面控制网满足管线段正确施工和隧洞段正确贯通的前提下进行的。结合国内外已建成并贯通的同类工程的经验，有以下几种方案可供选择。

1)方案1:从观音阁水库左岸取水口至隧洞出口沿供水线路布设二等导线。这种方案不仅管线段需要浇筑普通钢筋混凝土标石，隧洞段主线还需建造观测墩，再加上隧洞进、出口及支洞共需建造观测墩140个左右;隧洞洞线经过之处树高林密、灌木丛生，布设导线必须清障以确保通视，砍树赔偿是一笔不小的经济支出;隧洞主线离公路较远，交通极其不便，且隧洞主线从进口至出口崇山峻岭，地势险峻、荆棘遍布，无论选点、造标、观测都极其困难，劳动强度增大，工期必然延长;该隧洞为特长隧洞，导线测量其横向误差会迅速累积，对于隧洞贯通极为不利。由此可见，对于本工程，方案1并不可行，而且这种最原始的方法在同类工程中将被新技术所取代，逐步退出历史舞台。

2)方案2:较之常规测量方法，GPS不受通视和天气状况的影响，劳动强度低，数据精度高，可大大缩短设计周期，降低设计成本，提高工程测量的工作效率，为工程测量创造巨大的经济效益。因此，考虑将管线段、隧洞的进、出口及各个支洞的控制点连接在一起布设成GPS全面网。管线段需要浇筑普通钢筋混凝土标石10个左右，隧洞段需建造观测墩45个左右，布设的GPS网点均在隧洞的进、出口及各个支洞附近，交通较为方便，利于GPS的作业调度，提高了作业效率，缩短了工期，降低了劳动强度。本方案只要求隧洞的进、出口及各个支洞口的GPS点相互通视，便于今后的施工，而不要求各洞口之间的通视，比较容易做到，故同方案1比较可节省大量的经费。

3)方案3:由于部分支洞口地形非常狭窄，布设3个GPS点困难，所以首先在这部分支洞口布设两个GPS点，与管线段GPS点构成GPS全面网，在GPS全面网的基础上再布设局部常规网。此方案需要浇筑普通钢筋混凝土标石10个左右，隧洞段需建造观测墩35个左右，在数量上与方案2比较少一些，但常规网是在GPS全面网基础上的二次发展，不但精度降低，且各支洞精度不均匀，不利于隧洞的正确贯通。

综上所述，通过技术与经济等多方面的比较，显然方案2为观音阁水库引水工程施工控制网的首选方案。

(2)贯通误差的确定及分配

观音阁水库引水工程隧洞最大开挖长度(含支洞在内)为10 km，已超出《水利水电工程施工测量规范》(DL/T 5173—2003)中相向开挖最大长度8 km的限制，因此必须对该特长隧洞的贯通误差进行研究。

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，纵向误差限差要求较易达到，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。实际上，最关键的是解决横向贯通误差问题。

根据水工设计的要求，参照《既有铁路测量技术规则》(TBJ 105—1988)有关隧洞(1～20 km)的贯通极限误差限差(如表1所示)，按照等影响的原则可算得洞外、洞内控制测量的误差，对于贯通面上横向和竖向贯通中误差所产生的影响值如表2所示。

表1 贯通误差的限差

表2 贯通面上横向和竖向贯通中误差所产生的影响值

(3)GPS测量误差对横向贯通误差影响的估计

用GPS测量技术建立隧洞施工控制网，估算施工控制网测量误差对隧洞横向贯通误差的影响值，尚无规范可遵循，课题拟用以下两种方法对其进行贯通误差估计:

1)参照国际“欧洲隧道公司”横穿英吉利海峡的“欧洲隧道”的分析方法，用控制网的平均相对误差估计贯通误差的影响值。

若按C级GPS网最弱边相对中误差1/150 000的精度指标，对于10 km长的隧洞，GPS测量对贯通误差的影响值中误差为 10 km×1/150 000= ±67 mm＜150 mm。

1/150 000是最弱边相对中误差，实测中控制网的平均相对精度必然高于1/150 000，因而地面GPS网对贯通误差影响值中误差要低于±67 mm。

由此可知，用GPS测量技术来建立观音阁水库引水工程施工控制网是可行和可靠的，精度完全可以达到设计要求规定的指标。

2)用近似方法对横向贯通误差进行估算式中，S为隧洞开挖长度;mβ为由控制点放出中线时理论角度的中误差;ρ取206 065;计算时取S= 10 km，mβ=±1″，则m外=±48 mm＜150 mm。

由以上两种估算结果可知:用GPS测量技术来建立观音阁水库引水工程施工控制网是可行和可靠的，精度完全可以达到设计要求规定的指标。

(4)独立坐标系的建立

工程在可行性研究和初步设计阶段使用的是国家1/10 000地形图(1954北京坐标系)。为使工程前后衔接，在设计与施工阶段必须采用同一套坐标系统。

根据观音阁水库引水工程供水线路东西两侧的子午线经度值(具体数值省略)，依据《工程测量规范》(GB 50026—2007)，测区内长度变形值不得大于2.5 cm/km，而该隧洞出口处长度投影变形达到9.0 cm/km，可见采用高斯投影3°带坐标，测区边界部位高斯投影改正过大，不能满足施工放样的需要，因此须建立独立坐标系。

建立独立坐标系的条件是与独立坐标系相对应有一个地方参考椭球。而地方参考椭球与1954北京坐标系的参考椭球的关系为:中心一致(X0= 0，Y0=0，Z0=0);轴向一致(εX=0;εY=0;εZ=0);扁率相等(α地=α)。

地方参考椭球与1954参考椭球仅在长半径上有一个变化值Δa

其中

式(2)～式(4)中，a地为地方参考椭球长半径;a为1954椭球长半径;e为第一偏心率;Bm为测区平均纬度;Hm为测区平均大地高;hm为测区平均正常高;ζm为测区平均高程异常;N为卯酉圈曲率半径。

由式(4)可计算出对应于该工程独立坐标系的地方参考椭球的长半径a地(具体值略去)。

由长度归算至参考椭球面和投影至高斯平面改正公式［6］得

式中，△s为长度综合变形;s为实际测量的实际距离;ym为测区边缘至中央子午线的垂距(横坐标值);Rm取6378 km;hi表示测区平均高程。由该式计算得:该工程引水线路长度约44.5 km，因此需建立一个中央子午线选在测区中心，长度归化高程面选用测区的平均高程面的任意带直角坐标系(独立坐标系)，既可以使测区的长度归化改正和测区中央地区的投影变形几乎为零，又可以保证离中央子午线45 km以内地区长度投影变形的相对误差小于1/40 000。

综上所述，即可确定施工控制网建立的独立坐标系(包含中央子午线经度和归化面高程，具体数据省略)。

(5)GPS网型设计及精度估算

观音阁水库引水工程是由管线和隧洞组成的，有其特殊性，并且管线段采取明挖埋管的方式。所以对于管线段，每隔2 km左右布设一对相互通视的GPS点，在观音阁水库左岸取水口和北台管线出口处分别布设3个GPS点，并浇筑钢筋混凝土标石;对于隧洞段，在每个洞口(包括支洞洞口)恰当的位置设置一组(3个)相互通视的控制点，每组GPS点间距离也要控制在300 m以上，并建造观测墩，各控制点间的高差要尽量小，以减小垂线偏差对方向值的影响，然后以GPS基线连接各点组成GPS全面网，GPS网内每个点至少与3条基线连接。本设计共计布设C级GPS点65个，每组GPS点均相互通视，各点间高差均不大。

观音阁水库引水工程施工控制网测量，必须具有较高的精度，才能保证隧洞正确贯通。因此，须对采用GPS测量技术建立的施工控制网可能达到的精度进行估算。

首先在1/10000地形图上选点和构网，图解出各点的概略坐标，采用软件Cosa控制测量数据处理通用软件包(原武汉测绘科技大学研制)进行估算，从估算结果得到最弱边长相对中误差为1∶17.20 000，所以按此方案布设和施测的GPS控制网合理、可行，且精度优于设计要求。

2.高程控制测量的设计

(1)高程系统

本课题在项目建议书、可行性研究、初步设计阶段均采用1985国家高程基准，所以施工阶段的高程系统继续采用。

起算数据为辽宁省测绘地理信息局测绘资料馆提供的国家一、二等水准点。

(2)水准测量等级的确定

洞外、洞内高程控制测量误差对竖向贯通面的影响为

式中，mh、m＇h分别为洞外、洞内高程测量中误差; MΔ、MΔ'分别为洞外、洞内1 km路线长度的高程测量高差中数中误差;L、L'分别为洞外、洞内两相邻洞口面水准路线长度(km)。

若洞外布设二等水准，取MΔ=±1 mm，洞内为三等水准，取MΔ'=±3 mm，相向开挖长度取10 km，洞外水准路线取20 km、洞内15 km，则Mh=±12 mm，远小于表1的规定，可见洞外布设二等水准完全可以满足隧洞对竖向贯通误差限差的要求。

(3)水准路线的布设

首级高程控制测量，由于工期缩短，路线布设成一个二等水准网，在建造平面控制观测墩的同时，对两起算点间的水准进行施测，两国家水准点间路线长66.4 km。待平面控制观测墩和浇筑的水准点混凝土凝固并具备一定强度后，在两起算点水准路线基础上，布设20条二等水准支线，水准支线总长度71.9 km。支洞水准点和观测墩均为水准支线联测。