珠江三角洲水资源配置工程某区间隧道横向贯通误差预计

路 元

(广东水电二局股份有限公司，广东 广州 511340)

珠江三角洲水资源配置工程输水线路西起西江干流佛山顺德江段鲤鱼洲，经广州南沙区新建的高新沙水库，向东至东莞市松木山水库、深圳市罗田水库、公明水库，输水线路总长度为113.2 km。为了践行“创新、协调、绿色、开放、共享” 的发展理念，给沿线区域未来开发建设预留地下浅层空间，全线采用地下深埋盾构的方式，在纵深40～60 m 的地下建设输水隧洞[1]。因此，各个区间隧道的顺利贯通成了工程成功的关键性工作之一。该区间隧道位于广东省佛山市顺德区境内，标段为鲤鱼洲取水口至高新沙水库干线的其中一部分，区间隧道为LG3#工作井始发至LG2#工作井，长度为2 944 m。LG02#和LG03#都是直径 35.9 m的圆井，LG02#开挖深度57.7 m，LG03#开挖深度73.98 m。区间隧道示意图如图1所示。

图1 区间隧道示意

1 横向贯通误差分配

隧道贯通测量平面偏差发生在两个方向，第一种是沿隧道中心线方向的误差，称之为纵向贯通误差，只对隧道的长度有影响；第二种是水平面内垂直于隧道中心线方向的左右偏差，称之为横向贯通误差。后者对隧道质量有直接的影响，所以又称为贯通重要方向偏差[2-3]。

横向贯通误差的来源包括洞外控制测量的误差、联系测量的误差、洞内导线测量的误差以及施工误差。其中施工误差可以忽略不计[4]。由误差传播定律有横向贯通误差MGT为

(1)

式中M地面为地面控制网的误差；M联系1、M联系2为联系测量的误差；M导线1、M导线2为洞内导线测量的误差。

通常情况下，在两端竖井深度相差不大时可认为两端的联系测量的误差是一致的，即M联系=M联系1=M联系2，由于盾构施工中，不是相向施工，贯通面在LG2#接收井与隧道交界处，贯通面方位角为259°06′49.9″，所以没有导线2的测量，即M导线2=0，则贯通误差MGT可写为：

(2)

《工程测量规范》(GB 50026—2007)和《水利水电工程施工测量规范》(SL 52—2015)要求相向开挖隧道的隧道横向贯通误差限差不应超过100 mm。取限差的1/2作为贯通面上的贯通中误差。《工程测量规范》(GB 50026—2007)对各影响因素引起的贯通误差分配值见表1。

表1 隧道控制测量对贯通中误差的限值[5]

2 测量方法及误差预计

2.1 地面GPS控制网

该隧道控制网采用GPS控制网布设，首级控制网由建设单位移交的7个三等工程控制点，加密控制网采用同等精度加密，在每个工作井周围布设3个控制点(网型见图2)。最短基线为202 m，最长基线为4.7 km，相邻基线边长相差较大。采用6台GPS双频接收机(标称精度由于3 mm+0.5 ppm)进行观测，同一隧洞进、出洞口的控制点必须进行至少1次的同步观测，其他控制点间距离较短的基线应当观测。根据广播星历采用中海达HGO软件进行基线解算，采用COSA_GPS进行重复基线、同步环、异步环闭合差检验，选择控制网内一点的WGS84坐标作为基准进行三维无约束平差，检验网的内部符合精度，经检验未发现异常点，经二维约束平差后的精度见表2。

图2 区间隧道地面GPS控制网网型示意

GPS网可以认为是观测了边长和方向的边角网，隧道地面GPS控制网引起的横向贯通误差可参考地面边角网严密估算公式[6]进行估算。

d(ΔyP)=-aJAΔxJPdxJ-(1+bJAΔxJP)dyJ+aJAΔxJPdxa+bJAΔxJPdya+aCBΔxCPdxc+(1+bCBΔxCP)dC-aCBΔxCPdxB-bCBΔxCPdyB

(3)

式中ΔyP为从进、出口推算贯通点P横坐标差；a、b为进、出口端的方向系数；Δx为相应的坐标差。

表2 约束平差后地面控制网精度统计

使用COSA_GPS软件对地面GPS网进行计算，GPS测量引起的贯通误差见表3。

表3 GPS测量引起的区间隧道贯通误差估算结果

2.2 联系测量

本区间隧道两端竖井LG02#和LG03#都是直径为35.9 m的圆井，LG02#开挖深度为57.7 m，LG03#开挖深度为73.98 m，开挖深度较深，联系的方法选择联系三角形法。联系三角形法是一种传统方法，在采矿业中和国内地铁工程中许多单位在使用该方法[7-8]。联系三角形法示意见图3。

图3 联系测量示意

悬挂0.5 mm钢丝、施挂10 kg重锤并浸放在稳定液中。钢丝上、下合适位置粘贴反射片供全站仪照准。钢尺测量两钢丝间水平距离作为全站仪测量反算距离的校核。

在竖井定向测量中，竖井坐标传递的误，差将使地下导线的各点产生统一数值的位移，对贯通误差的影响是一个常数[9]，在贯通面上所引起的横向误差约等于传递坐标在垂直于隧道轴线方向的误差。方位角传递的误差，将使地下道线各边长方位角转动一个误差值，对贯通误差的影响将随着地下导线的增加而增加[9]，如图4所示，1、2、3、4是地下导线的正确位置，1′、2′、3′、4′是加入方位角传递误差后的位置，在贯通面上引起的横向误差为Mq向：

(4)

图4 起始方位角误差对贯通的影响示意

由表1可知，联系测量中误差限值为25 mm，则地下导线起始边方位角中误差的允许值：

取起始边方位角允许值的3/5作为目标值，则在忽略坐标传递误差的影响下，联系测量仪器的横向贯通误差值为：

为达到上述要求应尽量做到：① 联系三角形的两个锐角α、β接近于零，不管何种情况下都不能大于3°；②b与a的比值应以1:5为宜；③ 两个锤球间距a应尽可能大；④ 传递坐标方位角时，选择经过小角的路线。

每次独立测量3测回，每测回读数3次，各测回较差应小于1 mm；地下与地上丈量的钢丝间距较差应不大于2 mm；角度用方向观测法观测6个测回，测回间角度较差不应大于6″。

2.3地下导线网

受限于隧道的直径或开挖宽度，地下控制网的形状通常形成延伸状。地下导线的类型有附合导线、闭合导线、方向附合导向、支导线和导线网等。对于盾构方式掘进的水工隧道，左右线之间很少建设横通道，导致地下控制网多为支导线，或一端采用陀螺经纬仪定向的方向附合导线。鉴于陀螺经纬仪可以增加地下导线的精度和贯通精度[10-12]，本区间隧道采用地下导线环，即从井下起始边开始分两条支导线形式布设，两条支导线间每隔2～3个点形成闭合环。地下导线示意见图5。

图5 地下导线示意

对于等边直伸的地下支导线，导线的测角误差引起横向误差，而量边误差与横向误差无关[13]。由测角引起的横向贯通误差可表示为：

(5)

式中n为支导线的边数；s为导线的平均边长，mm；mβ为导线的测角中误差，″。

根据式(5)对不同导线平均边长、不同测角中误差情况下，导线引起的横向贯通误差计算见表4。

表4 地下支导线引起的横向贯通误差 mm

=21.8 mm。

因此，地面、地下控制测量和竖井联系测量对隧道总的横向贯通误差为：

=±26.5 mm<50 mm。

3 结语

地面GPS控制测量、地下导线网测量和竖井联系测量对隧道横向贯通误差分别为4.75 mm、14.3 mm和21.8 mm，均在误差允许值范围内，对隧道总的横向贯通中误差为26.5 mm小于规范要求的50 mm，精度达到工程质量要求。

通过对区间隧道平面控制测量3个关键环节及其误差的分析，竖井联系测量和地下导线网对横向贯通误差的影响较大，其中的联系测量对地下导线网的起始边方位角的要求较高，且竖井联系测量容易受施工状况和环境状况等的影响，因此合理的确定联系测量的方法，并严格执行方案，增加联系测量间的检核，才能确保联系测量对地面GPS控制网和地下导线网的测量误差满足规范要求。从而为隧道贯通测量提供合格的起算点和方位角。