山西省中部引黄工程总干线TBM标段施工测量监测探讨

杨全刚

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概况

山西省中部引黄工程，是山西省“十二五规划”大水网建设中的一项重要工程，分为取水工程和输水工程两部分。工程干线自天桥水电站库区取水，输水工程包括总干线、东干线、西干线，输水线路总长384.5 km，主要建筑物为隧洞、渡槽，其中隧洞占99.2%。供水范围包括4 市16 个县（市、区），涉及忻州市的保德县；吕梁市的兴县、临县、离石、柳林、中阳、石楼、交口、孝义、汾阳9 个县（市、区）；临汾市的隰县、蒲县、大宁、汾西4 个县；晋中市的灵石县和介休市2 县（市）。

工程总干线（约K 77+040—K 118+400）用2 台全断面岩石掘进机（TBM），采用相向掘进法施工，分别设置进洞支洞与通风支洞，其中TBM 1 标掘进长度为26.3 km，（包括支洞长度5.3 km）；TBM 2 标掘进长度为23.9 km，（包括支洞长度3.6 km）。

总干线TBM 标段施工测量监测任务的目的是监测TBM 1 标和TBM 2 标承担的输水主洞、进洞支洞以及通风支洞的施工测量作业是否符合规范要求，洞内导线控制点的平面精度和高程精度，是否满足规范要求，确保隧洞能够顺利贯通，不出现大的质量事故。

2 施工测量监测内容

监测内容主要包括审核分析测量资料和实地检测。审核测量资料，包括审核标段施工控制网资料，测量仪器、人员、资料及复核相关资料；实地验证，主要是实地检测洞内控制点的准确性。

2.1 审核测量资料

一是审核测量人员是否满足要求。二是审核测量仪器是否满足要求；审核测量仪器使用是否规范，测量仪器是否按时检定。三是审核各标段平面施工控制和高程施工控制网资料；审核布网是否合理，计算方法是否正确，各项闭合差是否超限。四是审核平面控制点和高程控制点稳定性资料。

2.2 隧洞内基本导线点监测

2.2.1 平面监测

根据TBM 掘进的施工特点，隧洞内的基本控制要布设成交叉双导线。洞内基本导线点的标志，设置在带有强制对中装置的仪器台上，仪器台通过钢架固定在洞壁上，做成灯台形式；点位的设置，根据洞内设施的布置情况相互避让，且在高度上考虑出渣皮带、各种管线等高度位置。

为了保证TBM 隧洞内基本导线点的平面观测精度，TBM 1 标和TBM 2 标两家施工单位均配置了1"级智能型全站仪。智能型全站仪俗称测量机器人，是一种能代替人进行自动搜索、识别、跟踪和精确照准目标，获取角度、距离等信息的智能型电子全站仪。

平面监测，主要监测基本导线点坐标的准确性，实地施测出基本导线点合格的监测成果，由施工单位提供的控制点成果进行比较，得出其差值，再判断是否满足要求。

2.2.2 高程监测

高程测量施工单位，使用TRIBMLE 电子水准仪，按二等水准要求进行作业，观测成果按严密平差法进行平差计算，并进行精度评定。施工单位再将观测成果与基本导线点平面施测的三角高程进行比较，两者互相校核，以保证基本控制点高程的正确性。

根据施工单位长距离隧洞的施工经验，按现有作业手段和仪器条件，隧洞贯通的竖向中误差比较容易达到，本文不作过多阐述，着重讨论平面监测问题。

3 监测技术要求及方法

3.1 采用的基准

平面监测采用中部引黄工程施工坐标系；高程监测采用1985 国家高程基准。

3.2 监测的技术要求

根据《水利水电工程施工测量规范》（SL 52-2015）的规定，详见表1。

表1 地下控制网等级选择

结合本工程的实际情况，平面控制网检测采用二等基本导线测量精度。二等基本导线的主要技术指标应满足表2 的要求。

表2 光电测距导线测量技术要求

仪器光学对中器，应随时检验和校正。导线的水平角在短边观测时，仪器和照准标志应严格整平。如受外界因素影响，超出补偿范围使补偿器无法补偿时，应停止观测。水平方向观测宜采用方向观测法，其技术要求应符合表3 的要求。

表3 水平角方向观测法技术要求表

距离测量时，在测距前后，应各量取仪器高和棱镜高一次，取平均值。距离测量的技术要求应符合表4 的要求。

表4 测距作业技术要求

3.3 监测的方法

洞内控制点观测采用徕卡TS30 0.5" 测量机器人进行。按施工单位提供的控制网图，由洞外到洞内逐站进行观测。观测中应遵守以下事项：一是观测前30 min，应将仪器置于隧洞内裸亮，使仪器与隧洞内气温趋于一致。二是观测过程中，仪器气泡中心偏移不应超过一格。当偏移值接近限值时，应在测回之间重新整置仪器。三是反射棱镜背面应避免有散射光的干扰，镜面不得有水珠或灰尘玷污。四是在短边的情况下，应严格整平。

3.4 监测数据的处理

为了提高监测的精度，施测的控制网边长必须进行温度、气压等气象改正，方可进行下一步计算。气象改正一般在测量仪器内自动进行，只需要观测前在仪器中输入正确的温度、气压值即可。

总干TBM 标段主洞高程在986 m 左右，因此施工坐标系的高程投影面选择986 m 高程面。而工程全线均在吕梁山区，控制点高程大多在1 200～1 400 m之间，因此，必须把施测边长投影到施工坐标系所在的投影面上，尤其是支洞口至隧洞中线点之间必须进行边长投影。投影公式如下：

式中：D——归算到测区平均高程面或选定的某一高程面上的长度，m；

S——经过倾斜、气象、加常数和乘常数等改正后的测站与镜站平均高程面上的平距，m；

Hm——边长两端点高程的平均值，m；

H0——测区平均高程面或选定的某一高程，取986 m；

RA——测距边所在法截线的曲率半径，取6 373 000 m。

控制网采用2005 南方平差易进行。平差控制网计算成果中应包括起算数据、观测数据和必要的中间数据。平差后的精度根据平差方法评定，应包含：单位权测角（或方向）中误差，相对点位中误差、各边边长中误差和方向中误差、各待定点中误差和各点点位误差椭圆元素。

3.5 监测数据的分析

经过严密平差后，计算出合格的监测成果，由施工单位提供的控制点成果进行比较，得出其差值，再判断是否满足要求，其差值应满足《水工建筑物地下开挖工程施工规范》（SL 378-2007）中4.0.6 第4 条，“洞内基本导线应进行两组独立观测，导线点的两组坐标值误差不应大于中误差的倍，并取两组观测数据的平均值作为最后成果”。

4 监测方法的精度

《水利水电工程施工测量规范》（SL 52-2015）中，对水工隧洞开挖的极限误差的规定见表5 所示。

表5 水工隧洞开挖贯通测量容许极限

在进行贯通测量设计时，可取极限误差的1/2 作为贯通面上的贯通中误差，根据隧洞长度，各项测量中误差的分配应符合表6 的规定。

表6 贯通测中误差分配值

平面监测方法的精度估算：由于洞内基本导线，在未贯通时，都是支导线。为了简化计算，用支导线端点的点位误差当做横向贯通中误差，这当然是偏于安全的。根据《水利水电工程施工测量规范》（SL 52-93），支导线端点的点位误差MB计算公式：

式中：ms——测距中误差，mm；

n——边数；

mβ——测角中误差，"；

ρ——弧度化为秒的乘常数，单位"，取值为206 265；

L——导线长度，mm。

此次监测使用的仪器为TS30 0.5" 测量机器人，测距中误差ms=±2 mm；总干TBM 隧洞全长50 km，取平均边长S=400 m，支导线为洞长的一半为25 km，共有n=65 条边；mβ=1.0"，二等导线测角精度；L=25 000 000 mm。根据上面公式算出MB=577 mm，采用交叉双导线测量的方法可提高倍精度，则MB=所以，按照二等导线的有关规范监测，满足其各项限差要求，其贯通中误差为408 mm，小于限差539 mm，能够达到精度要求。

5 结论

本工程采用的监测方法既满足了工程精度的要求，又为施工单位提供了准确、可靠的技术支持。TBM 2 标与通风支洞长约17 km 已经顺利贯通，贯通误差远小于限差要求。在建立长隧洞洞内高精度控制网时，有以下几条经验可供参考：

第一，洞内基本控制网应布设成交叉双导线，应尽量增加有利的多余观测，以提高控制网的可靠性；为了避免出现任何形式的误差和错误，每隔约2 km，将左右两条导线进行联测和校核。

第二，测量机器人测距精度与温度、气压有密切的关系，在进行洞内控制网测量时，应充分考虑温度、气压对边长改正的影响。

第三，必须把施测边长投影到施工坐标系所在的投影面上，尤其是支洞口至隧洞中线点之间必须进行边长投影。