引红济石调水工程施工控制网测量方案设计与实践

2017-10-16张博

陕西水利 2017年5期

关键词：边长隧洞基线

张博

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001）

引红济石调水工程施工控制网测量方案设计与实践

张博

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001）

为保证引红济石调水工程顺利实施,需进行地面施工控制网的布设和测量。结合工程实际，提出施工控制测量方案，依据行业规范确定精度要求,按照仪器标称精度和观测条件确定先验权，运用公式进行精度估算，确定观测方案并实施，将由平差坐标反算的边长、夹角和边角网实测边长、夹角进行比较,数据吻合良好。证明该工程施工控制网精度可靠,足以保证建筑物施工放样和长距离输水隧洞的贯通。

精度估算；施工控制测量；数据处理和分析

为补充渭河流域关中区的水资源短缺,缓解日益严峻的城市工业生产、居民生活、农业生态供水矛盾,在红岩河上修建一座高7 m，长78 m的低水坝抬高水位,再通过556 m的暗渠和长度为19.76 km、洞径为3 m的特长引水隧洞穿越秦岭将红岩河水引入石头河水库上游。为保证工程顺利实施,需进行地面施工控制网的布设和测量。

1 施工控制网方案设计

1.1 设计要点

引红济石调水工程跨度大、距离长，区域内崇山峻岭、森林密布，地质、地形条件复杂。布网时要全面控制、统一设计、整体实施的原则下选择可靠、经济、高精度的最优方案。

（1）在19.7 km的隧洞段选埋控制点时,应考虑贯通精度和点位要求,便于施工单位布设洞内导线。

（2）选择施工系统时应便于设计坐标到施工放样的衔接,并应使坐标反算边长、角度与实地接近以保证施工放样的精度要求。

隧洞控制测量分为高程控制测量和平面控制测量,它们的误差会对隧洞贯通产生竖向、横向和纵向误差。纵向误差对工程影响不大基本不予考虑,竖向误差可以用精密水准仪测量方法解决,所以隧洞的贯通误差主要体现在横向误差。

施工平面控制网设计的依据是横向贯通误差分配给洞外控制网测量对横向贯通误差的限差。

1.2 隧洞贯通精度指标

根据工程初步设计方案,隧洞共有四个工作面,只在K7+639（折点）处布设施工支洞,相向开挖长度(含支洞)为13 km。根据规范规定,各项中误差的分配值见表1[1]。

表1 贯通中误差分配值

1.3 洞外平面控制横向贯通中误差估算

规范规定:大型水利水电工程,施工平面控制网等级宜选择为二等。网中最弱点位允许中误差为±5 mm[1]。

GPS网不受网形、地面通视条件的限制,施工平面控制采用GPS网。

GPS控制网的精度估算按公式(1)、公式（2）和公式（3）进行。假如使用5 mm+1 ppmGPS接收机观测，GPS网一端点相对另一端点的纵、横向中误差分别为[2]:

其对应的点位中误差为:

用式（1）、式（2）和式（3）（D=19700 m，ρ=206265)估算出的GPS控制网纵、横向中误差和点位中误差分别为，24.7、14.3、28.5 mm。可见横向中误差m横=14.3 mm＜±44 mm。根据隧洞进、出口长度计算出隧洞进出口边长相对中误差应满足m/D=44/19700000≈1/450000。即要求二等GPS网平差后的进、出口方向边长相对中误差≤1/450000，最弱点中误差≤±5 mm。

1.4 洞内导线横向贯通中误差估算

规范规定:地下控制采用二等或三等基本导线进行。精度估算按公式（4）进行:

式中：ms为测距仪测距中误差；mβ为测角中误差；n为导线边数；ρ为常数(2062650)；L 为导线长度[1]。

若取 ms=3 mm，mβ=1.00，n=（6500÷300）≈22，L=6500 m（单向开挖长度），计算出MB=±89.3 mm＜110 mm。

即要求：洞内导线按二等精度进行，平均边长≥300 m，测距中误差≤3 mm，测角中误差≤10。

1.5 竖向贯通误差估算

高程测量中误差按下式计算:

式中，MΔ为每千米高差中数偶然中误差,取相应等级参考值(mm)，L 为水准路线长度(km)。

按公式(5)计算，取 MΔ=3(三等)，L=20，则地面高程测量中误差m9h=±13.4 mm；取MΔ=3，L=13，则地下高程测量中误差：m9h=±10.8 mm；取 MΔ=5(四等)，L=13，则地下高程测量中误差：m9h=±18 mm。

上述数值均＜27 mm，满足表1规定。由此确定,地面高程控制等级为三等,采用几何水准方法施测。洞内高程测量按四等水准或同精度光电测距三角高程测量方法进行。

2 施工控制网布设

2.1 平面施工控制网布设

单纯的GPS网难以达到mm级的精度,而且GPS测量在选择点位时受卫星高度角影响,有其特定局限性。为此,需要在隧洞进、出口及支洞口等特征部位用高精度全站仪加测一定数量的边长和角度构成GPS边角混合网。这样在选点时只需对洞口附近网的图形、边长、通视情况按经典边角网要求选取，其余点位均可灵活选建,就减少了清障、森林砍伐的工作量。

选择GPS网点要求如下：①点位应选在通视良好、视线开阔地基稳定并能长期保存的地方。②视线离障碍物不宜小于2 m；应避免通过吸热、散热不同的地区，更不应该有强电磁场的干扰。③控制点应有利于施工放样及测设洞口点。

为了消除对中误差的影响,应埋设混凝土观测墩并安装F-1A型强制对中基座。

根据工程初步设计方案,全网共布设21个点。其中G01～G04位于隧洞进口处，G08～G12位于1#支洞处，G18～G21位于隧洞出口处，预设支洞和通风井两处各布设3点和4点,分别为G05～G07和G15～G17。网型如图1所示。

图1 平面施工控制网示意图

2.2 高程施工控制网布设

高程控制测量采用三等水准方法实施。全线路共布设14个水准点,分别埋设在隧洞进口及坝址处,1#支洞进口和隧洞出口处,对通风井和预设的支洞处各布设一对水准点。

高程控制测量相对简单,本文不再赘述,以下主要针对平面施工控制测量。

3 平面施工控制测量

3.1 GPS观测

用Ashtech双频接收机按静态测量网要求观测。观测所用天线统一为扼径圈天线,减弱了多路径效应的影响。采用6台仪器同步环边连接的观测模式。仪器标称精度为5 mm+1 ppm。

观测技术要求:①卫星高度角≥15°；②数据记录方式:压缩；③采样间隔：15 s；④连续同步观测时间:≥4 h⑤PDOP≤6[3]。

3.2 边角网观测

用LeicaTCA2003全站仪对特征部位按二等平面网要求进行角度和边长观测。PDA外业记录（记录软件为清华山维专用记录软件Elerce）。全站仪标称测角精度0.5，标称测距精度1mm+1ppm。

（1）水平角观测:水平角采用方向观测法观测9测回。网中共测角14个。

（2）边长测量：天顶距采用中丝法对向观测各6测回，斜距观测往、返测各4测回。测站、镜站观测前后各量取一次气温、气压,最小读值分别至0.2℃，50 Pa,并取中值。网中共测边28条。

4 GPS混合网数据处理及成果分析

4.1 数据处理

（1）采用GPS后处理软件(Ashetech Solutions2.5)进行基线解算,采用Power Adj4.0软件进行平差。

（2）GPS网的无约束平差。基线处理结束后，首先进行基线质量检验。检核结果如下：①重复基线最大较差3 mm＜±14.8 mm；②异步环最大闭合差11.4 mm＜±173 mm；异步环坐标分量最大闭合差 Wx=3.2 mm、Wy=9.1 mm、Wz=6.2 mm,允许值为±27 mm；③同步环最大闭合差2.1 mm＜±65 mm；同步环坐标分量最大闭合差 Wx=1.5 mm、Wy=1.2 mm、Wz=1.6 mm，允许值为±14.6 mm。

从以上三项检核可知，本次观测所有基线满足二等GPS网外业精度要求。

以所有独立基线构成闭合图形,所有基线向量及相应方差协方差阵作为观测信息；以G02的大地坐标作为起算数据，进行GPS网的无约束平差。平差后最弱点为G09点位中误差为1.8 mm＜±5 mm，最弱边G20～G19，边长比例误差为1/1022261＜1/450000。

平差结果远远小于允许值，表明该平面施工控制网具有良好的内部符合精度。

（3）GPS混合网的约束平差。①系统联测:对勘测设计阶段留设的控制点GPS04、GPS05、GPS06，用Leica TCA2003按二等精度进行校测，角度差值为-1.62，边长差值为-6.4 mm，小于规范规定，证明原有控制点精度可靠。再按二等精度联测出G10-G13方位角和边长，并将边长投影至1456 m（隧洞进出口平均高程），按极坐标法计算出G10、G13的坐标。

②电磁波测距边的计算:利用斜距(经仪器加、乘常数、气象改正后),往、返测高差中数及相应的仪器高、棱镜高分别计算往(返)测水平距离,较差应小于 2（1 mm+1×10-6D）(D 取值至 km),再将往、返测水平距离取中数作为实测水平距离。

③二维约束平差:选择G10，G13作为约束点，平差时将GPS基线与全站仪测边结果合并在一起进行整体网间接平差。

平差后最弱点G19点位中误差为1.3 mm＜±5 mm，最大边长比例误差：1/1194568＜1/450000，满足设计要求。

4.2 成果分析

将平差成果反算的角度与边角网中实测的角度进行比较(部分)见表 2 (包含最大差值)。