小河至安康高速公路谭坝四号旋转隧道施工测量

牛春霞

(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

0 引言

陕西省境内黄延、靖安、小康、安毛等多条高速公路隧道设计采用的是旋转隧道。旋转隧道区别于一般隧道的主要特点是:隧道内路面的横坡或超高，是由隧道整体绕隧道高程设计点旋转而成，也就是隧道断面上的任一点随着横坡的变化也发生改变，但其位置相对于旋转点不变。隧道内的横坡在直线段、曲线段是不一样的，且曲线段一般存在一定的超高，但在缓和曲线段由超高存在而影响隧道路面横坡是渐变的、不确定的，变化的隧道断面给施工测量放样也增加了一定的难度。

高速公路隧道施工测量的内容和方法多种多样，相关领域对隧道的施工测量大都基于通用的高速公路隧道设计。文献［1－3］针对隧道的方向贯通误差进行了洞内控制测量的设计论述;文献［4－7］针对隧道的围岩、施工工序和工艺等不同情况，采用新型免棱镜全站仪技术就隧道的施工测量放样进行了综述，侧重强调了无棱镜测量的效率和优越性;文献［8－9］对隧道的方向贯通误差有相关规定。但针对旋转中的动态高速公路隧道如何实现隧道贯通面上方向和断面周边的精确衔接未有详细表述，对隧道洞内测量影响贯通的因素未进行分析，对动态隧道的施工放样和超欠挖控制也未涉及;并且随着科技的进步，现在隧道施工测量大都采用免棱镜激光测量技术，机载隧道断面软件或配合多功能计算器编程，来精确快速放样掌子面，但对测量过程中利用免棱镜激光技术放样点位的误差未评估。

本文以西部开发省际通道陕西境内小河至安康高速公路谭坝四号隧道的施工测量为例，分析洞内控制测量设计和影响测量精度的主要因素，详述旋转隧道施工测量放样的原理方法，并对使用免棱镜测量隧道掌子面周边点位误差进行精度估算。

1 旋转隧道施工测量特点

小河至安康高速公路谭坝四号旋转隧道的施工测量特点来源于隧道结构图的独特设计(见图1)，主要体现在隧道内掌子面周边点和路面横坡的测量定位。一般的高速公路隧道，隧道掌子面周边点位置仅与设计的平曲线和高程有关，路面横坡在仰拱或垫层施工时形成;而高速公路旋转隧道，隧道掌子面周边点位置不仅与设计的平曲线和高程有关、而且还与隧道路面的横坡有关，路面横坡由隧道整体旋转形成。

图1 谭坝四号隧道设计断面图Fig.1 Cross-section of Tanba No.4 tunnel

2 旋转隧道施工测量

2.1 施工测量内容

随着GPS技术的普及，一般的长大隧道都采用了GPS独立控制网测量技术，所以洞外控制测量的精度都比较高，洞外控制测量的误差对隧道贯通误差的影响也就比较小，影响隧道贯通误差最大的因素主要是隧道的洞内控制测量。而对于旋转隧道，由于隧道内横坡或超高的形成，是依靠隧道整体绕高程设计点旋转而成，由此隧道周边线的位置相对于不旋转时必定产生一定量的位移，尤其是在既有横坡又有超高设置的缓和曲线渐变段。所以旋转隧道的施工测量除洞内控制测量外，主要是保证掌子面周边线精度的施工放样测量。

2.2 旋转隧道洞内控制测量

2.2.1 洞内控制测量设计

小河至安康高速公路谭坝四号隧道长度为3.7 km，根据《公路勘测细则》中对长度3～6 km隧道贯通误差的要求，贯通面上贯通误差影响值的分配为:总的横向中误差为100 mm、高程中误差为35 mm;其中洞内部分影响贯通精度的横向中误差为80 mm、高程中误差为25 mm。

根据以往大量长大隧道洞内控制测量的经验，曲线隧道受半径、断面宽度和洞内施工环境限制的特点，谭坝四号隧道洞内导线沿隧道中线布设为直伸型主副导线，洞内导线平均边长达到200～300 m，考虑洞口导线边长，则洞内导线测量等级、测角中误差与横向贯通中误差的关系可由隧道横向贯通中误差、导线法测角中误差二者之间的关系来判定导线的测量精度等级，其关系式为

式中:m为隧道横向贯通中误差，mm;mβ为导线测角中误差，″;sk为两开挖洞口间长度，mm;ρ为常数206 265″;n为完整隧道导线网单边路线的导线边数。

由上述公式求得:测角中误差mβ=3.72″，即导线控制网测量等级应满足四等导线测量精度指标。然后按照导线测量四等精度的要求进行洞内控制测量。

2.2.2 洞内测量误差因素分析

从误差的估算和洞内控制测量设计分析，影响隧道横向贯通误差的主要来源是导线的测角和测边误差，影响洞内测角、测边精度的因素主要有:1)使用的全站仪的测角测边精度，棱镜基座的对中误差;2)观测条件，主要指照明、旁折光、空气波动等气象因素; 3)洞内导线测量中的边角精度匹配性，要使设计的导线边长与设计的测角精度相适应。

2.3 掌子面周边线测量

2.3.1 旋转隧道几何模型

从隧道设计断面图可知，路面横坡i%的方向决定隧道绕高程设计点O旋转的方向，无论以顺时针或逆时针旋转，隧道都会产生一定量的位移(见图2)。以顺时针旋转为例，设定横坡为－i，隧道绕O点顺时针旋转角度α，根据横坡i=0时，线路设计线与隧道中心线、设计高程点的位置关系，以及隧道中心点至路面的距离，从图中可以计算出隧道旋转前后各点的几何关系。

图2 隧道旋转几何模型Fig.2 Geometric model of spiral tunnel

2.3.2 周边点位测量原理

由于隧道的整体旋转造成的隧道断面的转动增加了掌子面施工测量放样的难度，因而采用常规的掌子面放样方法已很难控制到掌子面周边成形和隧道的超欠挖，徕卡、索佳等全站仪开发的机载隧道断面软件中也没有考虑旋转隧道的断面放样程序设计。随着全站仪的不断更新，在隧道掌子面的施工测量放样中，采用极坐标法、使用小棱镜或具备免棱镜功能的“R”型全站仪(如徕卡的TCR、索佳的SetR型仪器等)，再配以多功能计算器编程，这样进行旋转隧道放样和超欠挖控制就变得较为方便。在进行施工放样前，首先要推算该里程段由横坡引起旋转，隧道断面圆心相对于线路设计线的偏移量。

2.3.3 圆心偏移量的计算

以隧道绕O点顺时针旋转为例，旋转前:线路设计线分别至隧道中心线、高程旋转点O的距离a和c及断面圆心O1至路面的距离b为设计已知，根据该里程断面的设计路面横坡i%可推出旋转后断面圆心O1'的偏移量。设旋转后断面圆心O1'竖直方向的位移为y、水平方向的位移为x，横坡i%引起的旋转角为α=tan－1i，则得出:

小河至安康高速公路谭坝四号隧道设计中:线路设计线分别至隧道中心线距离a=5.375 m、至高程旋转点距离c=0.75 m，断面圆心O1至路面距离b= 1.75 m，洞口10 m里程范围段路面横坡为－3%。由上述公式可知旋转后断面圆心发生的偏移量水平x= 0.050 4 m，竖直y=0.139 5 m。则旋转后断面圆心分别与线路设计线、高程设计线的关系也即可求出。由旋转后断面圆心发生的偏移量可以看出，旋转引起断面轮廓线的位移相对较大，严重影响到隧道的超欠挖控制。

图3 旋转后参数计算示意图Fig.3 Parameter calculation

2.3.4 极坐标法放样及超欠挖控制

图3为一旋转后的隧道断面示意图，在隧道内任一点支镜，测出掌子面上任一点P的坐标，根据线路设计要素判断P点与线路设计线的关系，计算出P点的里程、距线路设计线的偏值和相对于高程设计线的高差，由旋转后断面圆心与线路设计线、高程设计线的关系，可计算出P点至圆心O1'的距离R'，则R'与断面设计半径R的差值ΔR的“正、负”即表示P点的超欠，依次类推，就可精确定出ΔR=0时断面的周边轮廓线。设转化后P点相对于O1'点的平距、高差分别为S和H，即:

2.3.5 放样点位精度估算

引起P点点位误差的主要来源是全站仪对该点进行的角度、距离观测和掌子面画点测量员的粗差。以谭坝四号隧道内日常使用的徕卡TCR402型全站仪为例，除去画点测量员的人为粗差，该仪器测角精度为2″，距离测量采用隧道内放样用的RL距离测量中标准测量模式，其测距精度为3 mm+2×10－6，设全站仪至测点P的距离为100 m，则由仪器引起的点位误差.2 mm。实际上在测程≤100 m的情况下，点位误差主要来源于全站仪的测距精度。徕卡TCR402全站仪在IR(米棱镜)距离测量中最大测距精度为标准模式2 mm+2×10－6，最小为快速模式5 mm+2×10－6;在RL距离测量中最大测距精度为标准模式3 mm+2×10－6，最小为跟踪模式5 mm+2× 10－6，但要注意在RL距离测量中，激光光斑大小在50 m处已变为10 mm×20 mm，测程再远就达不到精确控制周边轮廓线的目的。

3 结论与体会

小河至安康高速公路谭坝四号隧道分别由两家不同的施工单位进行施工，2007年6月12日隧道胜利贯通。经贯通测量，贯通面上贯通误差均小于规范要求，并且隧道贯通面周边线衔接对等无错台。从该旋转隧道施工测量的过程和结果分析来看，为提高现在和以后施工的长大旋转隧道的贯通精度、掌子面的精确放样和超欠挖控制水平，建议从以下方面加以考虑。

1)旋转隧道施工测量放样前，一定要领会设计图的含义，搞清楚断面结构尺寸的关系，特别是在缓和曲线段，有超高又有横坡，要根据图纸的设计加以综合考虑。

2)在现场实际测量放样中，选择具有“R”功能的全站仪。使用前，要对仪器的各项精度指标、使用条件了解清楚，根据所要控制达到的精度，选择合适的测量和测程模式。若采用RL距离测量模式，要保持掌子面的通风，注意测点水、汽、光的折射和测点所处位置岩体对激光的漫反射。

3)由于目前开发的机载隧道断面软件均没有考虑旋转因素，因此在现场施工放样中要借助能编程的计算器，这样才能提高放样速度。

4)由于隧道发生旋转的里程段位于曲线段，这要求开挖人员也要理解隧道旋转的方向和隧道周边线的偏移方向，以便调整风钻角度，有效地控制好旋转隧道的成形和超欠挖。

5)洞内进行导线施工测量时，严格按照测量有关规定施测，注意避开施工干扰、烟尘排放和车辆运输，保证通风、照明，使觇标目标清晰、明亮。

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