山西省中部引黄工程总干线平面控制网方案设计

杨 全 刚

(山西省水利水电勘测设计研究院有限公司， 太原 030024)

1 工程概述

山西省中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中一项重要的工程，本工程干线自天桥水电站库区取水，供水范围包括四市十六个县(市/区)，涉及忻州市保德县；吕梁市：兴县、临县、离石、柳林、中阳、石楼、交口、孝义、汾阳九个县(市/区)；临汾市：隰县、蒲县、大宁、汾西四个县；晋中市有灵石县和介休市两县(市)。

中部引黄工程规模为大(Ⅱ)型，包括取水工程和输水工程。

输水工程包括总干线、东干线、西干线以及各供水支线输水。

输水总干线起于取水泵站出水池(设计洞底高程1 023.34 m)，设计纵坡1/3 000，经保德县、兴县、临县、方山县、离石区后，在离石区东侧穿过东川河后，向南至中阳县城东侧，在邢家岭(桩号总200+217.14，设计洞底高程954.07 m)处分为东、西干线。

总干线(约K0+000～K77+040)和(约K118+400～K200+217.14)采用人工掘进法施工，隧洞长度约158.8 km，有47个支洞口、3个洞进口和2个洞出口。

该工程在总干线(约K77+040～K118+400)采用2台TBM相向掘进法施工，隧洞长度约41.4 km，有2个进洞支洞、2个通风支洞、1个分水口和1个拆卸支洞。

工程作业区域位于山西省的西部高原，是以吕梁山脉为骨干的山地型高原，测区内海拔在830～1 500 m之间，由芦芽山、云中山、吕梁山等山系和晋西黄土高原组成，最高峰关帝山海拔2 830 m，山高沟深，地形、地貌较为破碎。施工支洞均位于狭长的山谷内，通视困难，建立施工控制网工作难度较大。

受山西省中部引黄工程管理局的委托，山西省水利水电勘测设计研究院有限公司承担了总干线施工控制网测量任务，目的是为了向业主提供准确、统一的控制点测量成果，以保证总干线隧洞正确贯通。

2 平面控制网精度的确定

2.1 人工掘进法平面控制网等级的确定

2.1.1 人工掘进法平面控制网精度的技术设计

(1)本工程主要是隧洞部分，根据本工程隧洞的设计长度和施工的设计方案，每个施工支洞大概开挖4.0 km左右(已包括施工支洞长度，施工支洞长度按0.5 km估计)，依据《水利水电工程施工测量规范》(SL52-93)地下洞室贯通中误差,见表1。4 km以下隧洞，相向开挖洞外测量的横向误差为±30 mm[1]。

表1 隧洞贯通中误差分配值

注：相向开挖长度为4 km以下。

综合以上分析，我们选定人工掘进支洞平面放样精度为±30 mm，隧洞纵向贯通误差只影响隧洞长度，可不予考虑，这当然是偏于安全的。

因为要求平面放样精度为±30 mm，其中包含起始数据误差和测量误差即：

(1)

式中：M为平面位置总误差， mm;M1为起始数据误差，mm;M2为测量数据误差，mm。

2 km(预估的平面控制网平均边长)边长相对中误差为8/2 000 000=1/(25×104)

可得测角中误差为1.0″。

(2) 根据以上论述，依据《水利水电工程施工测量规范》(SL52-93)，结合中部引黄工程施工的迫切需要，采用GNSS作业方法，建立人工掘进法平面控制网，其精度如下：测角中误差为1.0″；边长相对中误差为1/(25×104)；平面点位中误差为±12 mm，限差为±24 mm；相邻点边长中误差为±8 mm，限差为±16 mm。

2.1.2 人工掘进法平面控制网等级的确定

根据以上分析，设计采用二等GNSS作业方法，可以满足本工程施工的需要。

2.2 TBM掘进法平面控制网等级的确定

2.2.1 TBM掘进法施工控制网精度的技术设计

(1)本工程在总干线(约K77+040～K118+400)采用TBM掘进法施工。

总干线(约K77+040～K118+400)采用两台TBM相向掘进，在上游进口和下游进口两者中间，设置了2个TBM检修支洞和1个TBM拆卸支洞，因此总干线每台TBM控制的隧洞长度大约为10 km，就可以进行校核。

依据《水电水利工程施工测量规范》(DL/T 5173-2003)地下洞室贯通中误差,见表2，5～10 km以下隧洞，相向开挖洞外测量的横向误差为±45 mm[3]。

表2 隧洞贯通中误差分配原则

注：相向开挖长度为5～10 km。

综合以上分析，我们选定TBM掘进支洞平面放样精度为±45 mm，隧洞纵向贯通误差只影响隧洞长度，可不予考虑，这当然是偏于安全的。

因为要求平面放样精度为±45 mm，其中包含起始数据误差和测量误差计算见式(1)。

3 km(预估的平面控制网平均边长)边长相对中误差为13/3 000 000=1/(23×104)

可得测角中误差为1.0″。

(2)根据以上论述，依据《水利水电工程施工测量规范》(SL52-93)，参考我院在山西省万家寨引黄工程联接段所作施工控制网的精度，结合中部引黄工程施工的迫切需要，采用GNSS作业方法，建立TBM掘进法施工测量控制网，其精度如下：测角中误差为1.0″；边长相对中误差为1/(23×104)；平面点位中误差为±18 mm，限差为±36 mm；相邻点边长中误差为±13 mm，限差为±26 mm。

2.2.2 TBM掘进法平面控制网等级的确定

综上所述，依据《水利水电工程施工测量规范》(SL52-93)的规定，TBM掘进法平面控制网布设二等GNSS平面控制网，可以满足山西省中部引黄工程总干线TBM掘进法隧洞贯通的精度要求。

2.3 首级平面控制网等级的确定

由于设计进度还在可研设计阶段，隧洞的洞进出口和支洞口的具体位置还没有确定，中部引黄工程管理局对于开工要求又比较迫切，初设报告批复后，马上就要求开工。在这种情况下，首级网也按二等GNSS布设。待隧洞的洞进出口和支洞口的具体位置确定后，能及时进行后续控制测量。

3 平面控制设计方案

选点埋石以及观测平差计算按照有关国家规范执行。

(1)首级平面控制网。利用国家A级、B级、C级GNSS 控制点作为控制的起算数据。布设C级平面控制网。C级GNSS网沿引水线路布设，尽可能靠近线路，其图形以边连接方式连接。

(2)人工掘进法和TBM掘进法平面控制网。利用国家GNSS 高等级控制点和施测的首级控制网作为控制的起算数据，布设二等平面控制网。

每个支洞口布设3个GNSS控制点(布成三角形或导线形)并且互相通视，边长原则上不短于300 m，每个洞口相邻GNSS控制点保证同步观测，并尽量有控制点能直接观测到洞口或水工建筑物位置。

4 平面控制网的投影改算

为了提高隧洞施工放样的精度，减少边长投影误差，需对1980西安坐标系进行改算。为了不损失本次GNSS观测精度，改算采用的1980西安坐标成果，按单点无约束进行平差。

4.1 改算精度

(1)采用TBM掘进的平面控制网边长每千米理论变形值不大于1.5 mm。

(2)采用人工掘进支洞的施工控制网边长每千米理论变形值不大于3.0 mm。

(3)1980西安坐标系统的坐标和施工坐标系统的坐标具有严密的转换关系。

(4)施工坐标系统方便工程应用，采用有效的方法避免不同标段之间坐标值的误用。

4.2 改算的方法

按照山西省中部引黄工程施工坐标系统建立原则，经过验算比较，考虑到施工的方便，山西省中部引黄工程总干线总共建立3个施工坐标系统。

(1)山西省中部引黄工程取水口-总干22号支洞施工坐标系统，控制范围：取水口至总干22号支洞距离约70 km。参考点：X0=4 290 000 m，Y0=520 000 m，H0=1 006 m。Y坐标最大值为520 354 m，Y坐标最小值为513 594 m，施工坐标系统边长理论变形值小于等于1.9 mm/km。

(2)山西省中部引黄工程总干TBM(22号支洞-27号支洞)施工坐标系统，控制范围：22号支洞-27号支洞距离约40 km。参考点：X0=4 230 000 m，Y0=514 000 m，H0=986 m。Y坐标最大值为520 873 m，Y坐标最小值为514 936 m，施工坐标系统边长理论变形值小于等于0.9 mm/km。

(3)山西省中部引黄工程总干27号支洞-总干51号支洞施工坐标系统，控制范围：27号支洞-总干51号支洞距离约80 km。参考点：X0=4 170 000 m，Y0=525 000 m，H0=962 m。Y坐标最大值为520 643 m，Y坐标最小值为512 487 m，施工坐标系统边长理论变形值小于等于1.8 mm/km。

为了对GNSS测量成果的可靠性进行外部检核，应采用高精度全站仪对部分边长、角度进行检测。

5 结 语

本工程充分利用GNSS定位技术，为中部引黄工程总干线隧洞施工建立了正确可靠的测量控制基准，为隧洞施工顺利放线、正确贯通提供了可靠的技术保障，对于类似的工程也有一定的参考价值。

□