特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道施工测量方法探讨

巨邦强，付宏平，陈光金，李志平

(1.青藏铁路有限公司，青海 西宁 810006;2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043;3.中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

0 引言

随着高标准大规模铁路建设的不断推进，国内出现了很多特长隧道。如已经贯通的石太客专太行山隧道(全长28 km)、正在修建的兰渝铁路西秦岭特长隧道(全长28 km)和西格二线关角特长隧道(全长33 km)等。目前正在施工的西成客专、向莆铁路、兰渝铁路、贵广铁路等均设计了大量的特长隧道。为了保证线路运行平稳，减少运营养护，这些特长隧道全部按铺设无砟轨道设计。根据国内在建的几条特长隧道施工情况来看，这些特长隧道建设规模巨大，修建工期较长，为加快施工进度，全部采用“长隧短打”施工方法，一般在隧道全部贯通后，才开始铺设无砟轨道，这对于非常紧张的施工工期是非常不利的。特长隧道整体贯通前，已贯通段落提前铺设无砟轨道的研究工作目前在国内没有先例，也没有针对性的科学研究成果，是一项突破规范的创新性工作，值得开展进一步研究探讨。

本文以西格二线关角特长隧道为加快施工进度所做的科研为基础，在不完全突破现有铁路测量规范的前提下，从面临的技术问题入手，对实施测量的可行性进行研究分析，提出一套解决问题的整体思路和方案，并对项目实施应注意的几个方面的问题进行总结，从理论上建设性地提出特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的施工测量方法。

1 面临的技术难题

1.1 规范的限制

无砟轨道工程施工前应按规范要求在CPⅠ、CPⅡ的基础上建立轨道控制网CPⅢ，轨道施工应以轨道控制网CPⅢ为基准。对于隧道洞内施工测量而言，CPⅡ、CPⅢ将作为铺设无砟轨道的基准。

TB 10601—2009《高速铁路工程测量规范》规定:CPⅢ平面网测量应在线下工程竣工并通过沉降变形评估后施测;轨道施工前应对线下工程竣工测量成果进行评估，检查线路平、纵断面是否满足轨道铺设条件。必要时应对线路平、纵断面进行调整，以满足铺轨要求［1］。

铁建设［2006］158号《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》规定:对隧道基础沉降作出系统评估，隧道主体工程完工后，变形观测期一般不少于3个月。

隧道全线没有贯通，洞内CPⅡ、CPⅢ以及高程控制网无法整体建立，无砟轨道铺设前的评估工作不能整体进行，隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的必备条件无法满足。

1.2 隧道贯通误差的影响

尽管在隧道施工前已建立了高精度的独立施工控制网，洞内也建立了施工控制导线网，但由于洞外施工控制测量、洞内施工测量不可避免地存在误差，导致相向开挖的隧道存在一定的贯通误差，主要影响包括横向贯通误差和高程贯通误差。一般而言，隧道洞内测量受观测条件、观测仪器、观测方法等因素影响，实际贯通误差受洞内测量误差的影响比较显著。如果贯通误差满足贯通限差的要求，贯通误差在满足线路设计规范和轨道平顺性要求的原则下进行适当调整，就具备了无砟轨道铺设的条件。隧道贯通误差是客观存在的，其大小在隧道贯通前无法准确测量，故隧道的准确贯通是铺设无砟轨道的前提［1－2］。

1.3 施工中线的多样性

目前，特长隧道施工基本采用“长隧短打”多个开挖断面施工，由于测量误差的存在，各个段落施工中线严格而言不在一条线上，与隧道设计的理论中线均有偏差。如果按照已贯通段落施工中线铺设无砟轨道，将导致与以后段落铺设的无砟轨道无法平顺衔接，甚至根本无法进行调整，可能引起工程修正、返工、甚至废弃，造成浪费和工期延误。隧道全线未贯通前，提前实施贯通段落的无砟轨道铺设，具有一定施工难度，可能将面临一定的施工风险。

2 实施测量的可行性研究分析

针对上述技术难题，研究人员暂时抛开规范的限制，通过认真仔细地研究分析，结合现有测量方法，从技术理论角度提出了解决问题的思路和方法。

研究发现，解决这一问题的核心就是最大限度地减少测量误差，建立高精度隧道洞外、洞内施工控制网以及无砟轨道施工控制网，合理确定铺轨中线。建立隧道贯通误差最小、无砟轨道铺设测量误差最小的保证体系，是解决这一问题的关键。涉及到的测量问题包括:

1)隧道洞外施工控制网的建立。包括布网设计、测量精度、各井口间整体建网等［3］。

2)隧道洞内施工控制网的建立。包括测量精度设计、提高洞内测量精度的措施、洞内外衔接测量、各段落导线间衔接测量等。

3)隧道贯通误差的控制和调整。实现线路平、纵断面平顺衔接。

4)隧道实际施工中线的拟合调整。包括施工中线与理论中线的偏差测量、铺轨中线的拟合调整、后贯通段落的施工导向、隧道建筑限界核查等。

5)隧道洞内无砟轨道铺设控制网的建立。包括洞内CPⅢ轨道控制网的建立。

6)无砟轨道施工测量。包括测量精度、分段铺轨段落衔接测量等。

以上问题研究解决好后，特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道施工测量工作就可以实现。

3 解决方案

3.1 整体解决思路

建立和维持高精度的洞外测量控制网，建立隧道洞内专用控制网取代原洞内导线控制网，建立洞内轨道控制网用于轨道铺设。提高施工测量精度，保证各开挖隧道贯通误差最小。同时在满足建筑限界和规范要求的前提下建立线位拟合的数学模型，进行中线拟合，确定隧道贯通中线与原理论中线的偏差，并进行评估，确定后贯通地段中线的理论位置及控制方法。贯通段落无砟轨道铺设以拟合的线路中线施工，正在施工开挖段落按拟合的中线进行测量导向，保证后贯通段落的中线与已铺轨段落的中线一致，从而确保隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的条件。

3.2 洞外施工控制网的复测、加密

隧道洞外独立施工控制网一般是开工前建立的，控制网建立时间较长，尽管施工过程中也定时复测，但在无砟轨道施工前必须同精度整体复测一次，避免或减弱洞外控制网测量误差对隧道贯通和无砟轨道铺设产生不良影响，这也是规范规定。对个别原隧道洞外丢失的控制点需重新埋桩，恢复测量;对个别原控制点不通视、边长不满足要求或图形结构不好的控制点，进行加密测量。复测完成后，需要对以前施测的隧道独立施工控制网进行系统评价，评价内容包括:1)原隧道控制网建网理论的适宜性、合规性;2)原隧道施工控制网选点、布网、观测的整体性、合理性;3)原隧道控制测量数据处理的统一性、可靠性;4)原隧道控制网经历次复测后控制点的稳定性，判断方法的合理性;5)原隧道控制网成果的可利用性。评价结果作为复测控制测量成果如何采用的依据。一般情况下，隧道贯通后实施的洞外控制网成果将作为洞内控制网的起算依据。

3.3 洞内线路控制网(CPⅡ)的建立

隧道洞内布设专用控制网(CPⅡ)取代原洞内施工导线控制网［4］，CPⅡ点埋设在水沟电缆槽顶部，便于长期保存。建网时考虑两期网之间的联测，以便对原洞内施工导线控制网进行检查。由于隧道尚未整体贯通，洞内线路控制网(CPⅡ)只能通过洞口与斜井口或斜井口之间进行联测，建立附合条件［5］。可以在隧道贯通段选取最大附合段落进行。正洞和斜井平面控制网采用交叉双导线方式布设，测量时可以采取补强测量措施，如斜井内短边设置固定观测墩或固定观测简易支架;适当加大导线边长;采用高精度、自动化的观测仪器，提高测角、测距精度;控制点布设要远离隧道侧壁，以减弱旁折光的影响［6］;选取2条最佳进洞联系边向洞内同时传递方向和坐标，提高传递精度等。分段测量的CPⅡ控制网段落之间必须进行衔接测量，将两段落间相邻点在上一段落平差成果用于下一段落平差约束点进行平差，以保证CPⅡ控制网成果衔接的一致性。

3.4 洞内中线测量

隧道洞内施工控制网测量误差会造成隧道施工中线(实际中线)与设计线路中线(理论中线)产生一定的偏差。以CPⅡ为基准实测隧道中线，检查隧道施工中线横向偏差，确定是否满足限界要求［7］。比较隧道洞内高程与原测高程的较差，根据差值大小，可以考虑在预留的施工误差内解决，或由相关设计专业处理。中线测量要求:1)已掘进地段，每隔一段距离(1 km左右)，实测中线点组的坐标和高程。每处测量3个以上中线点，中线点间距以100～200 m一个为宜;2)从CPⅡ上用导线法或交会法联测连续2～3个原洞内施工控制导线点，在这些导线点上置镜，恢复原设计线路中线;3)分中隧道，确定隧道施工中线实际位置，丈量并记录其与设计线路中线两者的间距;利用附近CPⅢ或CPⅡ控制点，重新测量并记录隧道线路中线与隧道施工中线的坐标及高程;4)在隧道进、出口地段、斜井与正线交叉处以及贯通面前后必须联测施工导线并测量中线点组。

3.5 中线拟合以及铺轨中线的确定

对隧道已贯通段落施工中线与原设计线路中线平面、高程偏差进行分析、评估，在满足建筑限界和规范要求的前提下建立线位拟合的数学模型进行中线拟合，确定隧道铺轨中线以及后贯通地段中线的理论位置及控制方法。与线路、隧道等相关专业结合，对其进行修正或调整。隧道贯通后的铺轨中线，根据实际贯通误差大小和设计净空与建筑限界的富余量来确定:贯通误差较小时，在该段两端的相邻段落约束点之间通过控制网平差直接调整。贯通误差较大时，在贯通面未衬砌地段局部进行贯通误差调整，调整包括衬砌、沟槽和无砟轨道中线。隧道贯通段落无砟轨道铺设以拟合的线路中线 (铺轨中线)进行施工，正在施工开挖段落按拟合的中线 (铺轨中线)成果进行测量导向，保证后续贯通段落的中线与已铺轨段落的中线一致。施工中线与理论中线关系如图1所示。铺设段落中线与后贯通段落的中线关系如图2所示。

图1 施工中线与理论中线关系图Fig.1 Relationship between theoretical tunnel centerline and actual tunnel centerline

图2 铺轨段落中线与后贯通段落的中线关系图Fig.2 Relationship between centerline of tunnel section with track laid and that of tunnel section before breakthrough

3.6 隧道关键段落净空断面以及建筑限界核查测量

隧道铺轨中线确定后，需要对隧道关键段落净空断面以及建筑限界进行核查测量［8］，保证铺轨中线的合理性以及无砟轨道施工的安全性。测量段落主要考虑隧道各个贯通面前后、洞内施工误差较大段落以及衬砌后可能影响建筑限界的段落。测量要求:1)利用隧道断面仪或全站仪进行测量;2)关键段落净空断面密度应增大;3)每个断面应至少测量8个点;4)测量完成后绘出隧道断面图。根据核查测量后的隧道断面图与隧道设计断面图进行比较，核查隧道施工净空断面的实际位置，检查是否满足建筑限界规定。其他核查工作还应考虑单洞双线隧道线间距检查，水沟电缆槽施工侵限检查等。

3.7 洞内轨道控制网(CPⅢ)的建立

隧道洞内轨道控制点沿隧道壁两侧间隔50～70 m以点对形式布设，埋设观测棱镜强制对中标志，标志离电缆沟顶部30 cm。控制点埋设位置见图3。

图3 轨道控制点埋设位置图Fig.3 Location of track survey control points

洞内轨道控制网(CPⅢ)平面控制测量在洞内CPⅡ控制网的基础上按照自由设站边角交会法测量。采用具有自动目标搜索、自动照准、自动观测、自动记录功能的全站仪，其标称精度应满足:方向测量中误差不大于 ±1″，测距中误差不大于 ±(1 mm+2×10－6)。控制网的测量标志采用专用棱镜与配套的标志连接件，其加工误差应符合规范规定。洞内CPⅢ高程按照精密水准测量方法和技术要求建立，以矩形环单程水准网进行观测。

轨道控制网数据处理软件采用经铁道部评审的CPⅢ软件进行。分段测量的CPⅢ控制网段落之间需要进行衔接测量［9］，CPⅢ网区段与区段之间重复观测应不少于6对CPⅢ点。将两段落间相邻点在上一段落平差成果用于下一段落平差约束点进行平差，保证CPⅢ控制网成果衔接的一致性。

4 项目实施应注意的几个问题

1)特长隧道整体贯通前，对分段已贯通段的隧道先期施作整体道床及铺设无砟轨道，必须保证分段贯通段的横向和高程贯通误差“足够小”，施工中线才能在设计规范容许的范围内和较短区间进行中线和坡度调整，这是项目实施的前提条件。

2)项目实施前，应编制详细实施技术方案，通过建设单位组织的专家评审会评审，保证施工程序合规。正式实施时，施测单位严格按照实施技术方案重新复测洞外平面、高程控制网，构建洞内专用平面、高程控制网，用于隧道洞内无砟轨道施工测量。

3)铺轨中线的确定是项目实施的关键环节，应结合洞内中线测量以及建筑限界核查情况，与隧道、线路专业人员充分沟通后，通过中线拟合调整确定，调整后的中线要满足设计规范原则性规定。隧道后贯通段落以拟合后的中线(铺轨中线)进行测量导向，使后贯通段落的中线与已铺轨段落的中线一致。

4)开展洞内控制测量时，要解决施工干扰问题，隧道施工应停止、运砟车辆应停运，保证洞内无明显震动、无灰尘和光源影响，观测视线无遮挡物，为洞内测量提供最佳观测条件。CPⅢ观测应选择在阴天或夜间进行，在水雾较大时不应进行观测。

5)因洞内CPⅡ、CPⅢ控制网为分段测量，分段测设产生的测量误差会影响无砟轨道铺设精度。应特别注意各段落间的衔接测量，两段落间相邻点在上一段落平差成果用于下一段落平差约束点进行平差，保证各段落间CPⅡ、CPⅢ成果衔接的一致性、整体性。

6)安全起见，已贯通段落无砟轨道铺设时，与未贯通段落之间应留出一段(不短于500 m)暂不施工，以便进行段与段之间的顺接。

7)所有洞外、洞内平面、高程控制点施工单位应妥善保管，定期巡查，避免施工破坏。定期复测，确保成果可靠。

5 结论与建议

综上所述，在隧道整体未贯通前，先期分段铺设无砟轨道面临隧道贯通误差调整、施工中线的多样性导致不同段落的无砟轨道无法平顺衔接、洞内控制网分段测设带来的测量误差，还有洞内测量条件无法满足对无砟轨道铺设精度的影响等施工影响和施工风险问题。

特长隧道分段施工无砟轨道在国内尚没有先例，是一项突破现行铁路行业测量、打破常规施工组织的新课题。特长隧道整体贯通前能否分段施工无砟轨道，首先要保证满足规范的要求，同时必须考虑隧道实际贯通误差大小、洞内测量条件、施工单位的仪器设备精度和测量技术水平能否满足要求。

本文针对特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道施工测量方法进行理论分析和探讨，建设性地提出一个整体实施解决方案，旨在促进广大铁路设计、测量和施工技术人员通过工程项目实施验证，不断研究分析，积累工程经验，达到加快特长隧道施工进度，缩短建设工期、节约施工成本的目的。

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