铁路隧道高程贯通测量若干问题探讨

徐 杰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

1 原高程贯通误差指标合理性探讨

《高速铁路工程测量规范》[1]和《铁路工程测量规范》[2]中(后文简称“规范”)规定隧道高程贯通误差限差为50 mm，高程贯通中误差为25 mm，主要源于《铁路测量技术规则》[3]第三篇“隧道测量”，是根据当时搜集到的92座1 km以上铁路隧道实际高程贯通误差资料统计分析得出的。其统计结果表明：实际贯通误差小于中误差(25 mm)的有75座，介于中误差与限差(50 mm)之间的有13座，超过限差的只有4座，实际贯通误差在限差以内的占96%，故而将高程贯通误差限差设为50 mm，这是基于当时隧道长度在8 km以内的统计结果。

按照测量误差理论，贯通误差随着隧道长度的增长而增大，贯通精度要求也应随着隧道长度的增长而适当提高。近年来，随着铁路快速发展，以关角隧道(32 645 m)、燕山隧道(21 154 m)、乌鞘岭隧道(20 050 m)等为代表的特长隧道越来越多，高程贯通误差限差指标的适应性应重新证明。

根据近年来136座隧道的实际贯通误差资料，包括西成、宝兰、广深、兰新、云桂等高铁项目隧道，以及张唐、渝怀二线、拉日、西格二线、宁西二线、向莆等普速铁路隧道，其中8 km以上隧道36座，按照4 km、7 km、10 km、13 km、16 km、20 km的标准划分为7个隧道长度区间。“规范”中隧道高程贯通中误差为25 mm，贯通限差为2倍中误差(50 mm)，把新增136座隧道的实际高程贯通误差划分为三个区间：<25 mm(1/2限差)，25 mm(1/2限差)～50 mm(限差)，>50 mm(限差)，表1～表3分别统计了每个长度段落内隧道贯通误差在相应三个区间范围内的数量以及所占比例，表4给出高程贯通误差的综合统计情况。

表1 新增隧道高程贯通误差统计(4～10 km)

表2 新增隧道高程贯通误差统计(10～20 km)

从表1～表4高程贯通误差统计分析情况可以看出，高程贯通误差在25 mm(1/2限差)以内的隧道占全部统计样本的85%；介于25 mm(1/2限差)～50 mm(限差)只有20座，占比为15%；没有一座隧道高程贯通误差超过限差(50 mm)。从本次136座隧道高程贯通误差统计情况来看，高程测量方式没有根本性的改变，即使对于20 km以上的3座特长隧道(最长为32.6 km的西格二线关角隧道)，其高程贯通误差也全部在25 mm(1/2限差)以内，表明规范中原高程贯通误差限差指标是合理的，亦适用于当前特长隧道(20 km以上)的高程贯通误差。

表3 新增隧道高程贯通误差统计(20 km以上)

表4 新增隧道高程贯通误差综合统计

2 隧道高程贯通中误差理论分析

隧道高程贯通误差由洞外、洞内水准测量共同影响产生，贯通误差大小与测量精度、水准路线长度等相关[4-11]。洞外、洞内高程控制测量误差产生的高程贯通中误差按式(1)计算

(1)

图1 隧道洞内外水准闭合环示意

(2)

(3)

基于式(2)、式(3)计算的洞外水准测量精度需要比洞内水准测量精度提高1～2个等级。目前，铁路项目二等水准和精密水准的作业方式基本相同，建议洞内水准测量精度提高到洞外水准测量的精度，一方面不会增加过多外业工作量；另一方面，洞内、洞外水准测量采用相同精度，有利于后续水准闭合后的同精度内插。

3 洞内外高差闭合差与贯通误差关系

隧道高程控制网是一个局部独立控制网，隧道洞外水准路线绕行，与洞内水准测量路线串联，在贯通面上形成一个闭合环(如图1所示)。以隧道洞内路线测量的直接高差贯通进出口，闭合差不受起算点误差的影响。洞外、洞内水准闭合环产生的高差环闭合差(相当于高程贯通误差)应小于极限贯通误差(50 mm)。

(4)

(5)

(6)

可知满足环闭合差限差要求的贯通精度实际上提高了50%，高程贯通中误差变为12.5 mm，小于规范中洞内、洞外高程贯通中误差(17.7 mm)。因此，只要满足洞内、外高差环闭合差限差要求，就必定满足隧道高程贯通误差限差要求。

隧道内无砟轨道的铺设依据轨道控制网CPⅢ进行，CPⅢ控制网高程测量附合到洞内加密水准基点上，洞内加密水准基点网附合到洞外的二等水准基点上，高差闭合差满足限差要求后，再进行同精度内插、约束平差处理。如果隧道高程测量只按贯通限差(50 mm)进行精度等级设计，即使隧道贯通误差满足限差要求，但可能无法满足环闭合差限差要求，甚至影响隧道净空及CPⅢ建网。因此，在隧道施工期间就应该考虑轨道控制网CPⅢ的精度要求，按照环闭合差要求进行高程控制网的设计。

通常情况下，隧道越长、交通条件越差，则洞外绕行的水准路线越长。根据统计数据，隧道洞外水准路线长度一般是洞内水准路线长度的1.5～5倍，个别隧道的绕行长度更长，如西成高铁大秦岭隧道(隧道长度14 849 m)，隧道未贯通前，线路水准基点的二等水准复测路线绕行长度达127 km，洞外水准路线长度是隧道本身长度的8.5倍，若隧道贯通前绕行测量高差与贯通后洞内直接高差不一致，此时需对贯通后的高程贯通误差进行适当调整[12]，以保证与相邻构筑物高程系统一致。

4 隧道贯通前后高差不一致处理方法

在定测时，铁路长大隧道一般采用二等水准测量建立线路高程控制网(线路高程系)，此时需加水准面不平行性改正；而隧道施工时，采用隧道进、出口控制点直接高差与线路定测水准点联测，与各辅助坑道口水准点共同建立隧道施工高程网(施工高程系)，两个高差可能存在闭合差超限的情况。施工高程控制网数据处理时，以一个进口线路定测水准点为起算点进行平差计算，与出口定测水准点高程存在差值，通常将其作为断高处理，并在施工图设计文件中予以说明，存在施工使用不便等问题。

基于二等水准的隧道施工高程控制网的高程系统评估，应明确隧道施工高程控制网是采用施工高程系还是线路高程系。此时，应采用高差闭合差检查法进行隧道施工高程控制网的高程系统评估，当高差闭合差在限差以内时，采用线路高程系，不设断高，以所有稳定可靠的线路水准基点为基准进行约束平差，计算隧道控制网的精测高程，保证隧道出口高程与线路高程系一致，方便施工使用和高程基准维护；反之，当隧道施工控制网直接水准高差(不加水准面不平行性改正)的闭合差与线路定测水准闭合差超限，此时采用线路高程系已不适宜，在确认直接水准高差正确后，应采用施工独立高程系，利用进口一个线路定测水准点的高程作为起始高程，用直接水准高差推算各控制点高程，在出口与线路定测水准点的高程较差设为断高，使精测水准高差与施工水准高差保持一致，以保障隧道高程准确贯通。

西成高铁大秦岭隧道起讫里程DgK85+533～DgK100+378.99，总长14 845.99 m，最大埋深1 185 m。隧道范围平均海拔1 300～2 638 m，洞身地表起伏较大，地表自然坡度30°～60°，山高坡陡，沟壑纵横，地形复杂，植被茂密。隧道进口位于桃园沟南侧山坡，有简易土路通过；隧道出口位于菜子坪林场西河与石东沟交汇处东面山坡，出口下方有林场公路通过，交通条件差。隧道进口、出口、斜井口地处狭窄S形夹沟内，两侧山势陡峻，导致隧道进、出口至各斜井口的水准路线坡度陡，设站次数多，水准路线通过十分困难。

5 结论

(1)基于近年来136座隧道的实际高程贯通误差资料，将其高程贯通误差划分为三个区间并分别统计其数量以及所占比例，结果表明，85%的隧道高程贯通误差在25 mm以内，没有隧道高程贯通误差超过限差50 mm，表明规范中高程贯通误差指标适宜性很好，也适用于特长隧道。

(2)基于高程贯通中误差理论公式，洞外、洞内高程控制测量误差对每个贯通面的高程贯通误差影响可以按照等影响原则考虑；按照目前铁路隧道水准测量作业方式，建议把洞内水准测量精度提高到洞外水准测量精度。

(3)当洞内、外高差环闭合差限差满足要求时，隧道高程贯通误差限差亦满足要求；若洞外水准路线绕行过长，则需要根据高差闭合差情况，对贯通后的实际高程贯通误差进行适当调整，以保证相邻构筑物高程系统的一致性。

(4)基于二等水准隧道施工高程控制网的高程系统进行评估时，应根据隧道贯通前后的高差闭合差情况，决定采用施工高程系还是线路高程系以及是否设置断高。当高差闭合差在限差以内时，采用线路定测高程，不设断高，采用所有稳定可靠的线路水准基点为基准进行约束平差，计算隧道控制网点的高程；当隧道施工控制网直接水准高差的闭合差与线路定测水准闭合差超限时，在确认直接水准高差无误后，应采用施工独立高程。