隧道连续超短边方位传递技术

张晓波，粟 剑，孙晓磊，许尔林，任 聪

中铁二局第二工程有限公司，四川 成都 610037

隧道工程施工，从工程开工一直到工程结束，均离不开工程测量工作，隧道工程能否按规范规定的允许误差范围顺利贯通是每个工程项目管理者和技术负责人重点关注的问题。过去经常出现长隧道贯通时贯通误差超限或贯通误差过大的情况，调整贯通误差不但需要消耗大量财力、物力，而且严重影响了工程工期和单位声誉。

要保证长大隧道顺利贯通，控制测量是关键，控制测量按所处空间位置不同分为洞外控制测量和洞内控制测量，控制网测量精度高低将直接决定着隧道贯通误差大小，洞外、洞内控制测量有着同样重要的地位。长大隧道工程都位于高山峡谷，自然测量条件极其困难，洞外选点埋桩难以找到合适位置；隧道洞内控制测量的困难来自施工干扰、自然环境、设计因素等，困难程度大于洞外测量。因高精度电子水准仪的应用及高程测量的特点，高程贯通误差能更好控制且极易达到精度要求，因此高程控制测量不在此次研究范畴，该项目中控制测量均指平面控制测量。

随着卫星测量技术的普及，铁路隧道洞外平面控制测量通常采用卫星定位测量，而洞内仍还只能采用精密导线测量方法。隧道洞外受到GNSS 控制网精度不足的影响，利用全站仪进行检测时，常出现GNSS 坐标反算边长与全站仪所测边长不吻合；洞内导线测量可能受到通视距离短及对中误差影响、隧道坑壁对视线造成旁折光影响等，导致隧道贯通误差过大，引起隧道衬砌侵限，甚至影响轨道平顺性，给工程造成较大的经济损失、留下工程瑕疵产品等不良影响。因此如何提高长大隧道贯通精度，是当前急需解决的问题，作为施工辅助的隧道测量工作，研究的重点是如何克服上述现有的困难条件，提高测量精度，满足隧道高精度贯通需要，在保证测量精度的前提条件下，再考虑如何提高测量效率、加快测量进度，尽量减少停工配合洞内控制测量的时间。

该项目从隧道洞外控制网建立、洞内控制网的测量方案及数据处理、短边方位传递测量，经过计算机仿真模拟网试验、现场组网验证和在实际重点工程的成功应用，证明该技术方案不仅能保证所需测量精度，节约直接测量成本，还能减小对隧道施工工期的影响，节省隧道施工成本，社会和经济效益显著。

1 项目研究背景

1.1 项目依托工程概况（青岛地铁8 号线海底隧道）

大洋—青岛北站区间线路起自城阳区的大洋站，沿岙东南路向东下穿河东路匝道桥后，在大桥红岛收费站东侧入海，区间下穿胶州湾海域，后接入青岛端青岛北站。该区间为青岛地铁8 号线重要节点工程，全长约8.1km，穿越海域宽度约5.5km，主要采用矿山法和盾构法施工（中铁二局2.5km 矿山法施工，中铁一局约3km 盾构法施工）。为满足区间工期要求，共设置1 座施工斜井。

该工程测量的难点是隧道洞外控制点边长短，从隧道外测入隧道正洞需要连续经过7 条短导线边，进入正洞后到贯通面还有三条短边，掘进距离接近2.5km，方位传递精度按传统测量方法极难达到，难以保证隧道高精度贯通。

1.2 国内外隧道控制测量技术现状

无论是国外或国内，长大隧道工程控制测量工作均分为洞外控制测量和洞内控制测量两部分，控制测量目的是建立洞内和洞外控制网，保证长大隧道工程相向开挖的两个或多个工作面能按规定的精度正确贯通，并使各项建筑物按设计位置和几何形状修建，不侵入建筑限界。

目前常用的隧道洞外控制测为GNSS 方法测量，隧道洞内控制测量因地下隧道所处位置特殊，无法接收卫星信号只能采用导线测量，目前没有更好的测量方法替代，只是在网形的组合及平差方法选取上有差异；导线边高精度方位传递，一般采用高精度陀螺仪定向，除此之外无更好方法。

1.3 项目研究的必要性

控制测量目的是保证地下隧道工程相向开挖的工作面能按规定的精度正确贯通，并使各项建筑物按设计位置和几何形状修建不侵限，符合验收精度要求。各类工程均有相应的测量规范对贯通误差进行严格的规定，不同规范规定有差异，但由于在进行隧道施工时初支断面一般扩大50mm 施工，为了满足施工要求将横向贯通误差控制在50mm以下。

先按常规测量方案使用测量规范的贯通误差预估公式对该隧道进行贯通误差预估，按照测量设计的精度指标对各个贯通面的贯通误差进行估算。

（1）洞外控制测量对横向贯通误差的影响计算。

从以上贯通误差的估计结果可以看出，海域段斜井—分解里程（矿山法与盾构法）估算贯通中误差大于50mm，必须加强措施保证隧道横向贯通的要求。

2 项目研究主要内容

通过计算发现隧道洞外GNSS 控制网相对精度较高，对隧道贯通误差产生较大影响的主要源于洞内平面控制网。对洞内平面控制网测量误差影响源进行分析，其影响源主要包括测量仪器自身的测量误差、测量时仪器和观测目标点的对中误差、隧道坑壁与洞内空气的温度湿度、对洞内靠近洞壁的观测视线造成旁折光等。

目前使用的常规双导线网虽然采用了闭合图形检核闭合差，但受到隧道坑壁旁折光的影响为系统误差，不容易察觉，成为洞内导线网误差的重要影响源，使测量成果的可靠性受到影响，因此要研究如何减小洞内导线旁折光影响。

将导线点设置在隧道中央，可以最大程度上减少旁折光影响；但在施工繁忙的隧道洞内，测量时受来往的运输交通车辆影响，控制点无法得到有效保护发生位移等使得这个方案不被采用。

针对以上问题，通过大量的研究与实践提出一种常规双导线和“Z”形方案相结合长大隧道的布网方法，可以有效避开旁折光的影响，见图1。

图1 常规双导线组合“Z”形方案

具体做法是所有布设控制点均靠近洞室坑道左右两侧错开布设且距离坑道壁1m 以上，呈“Z”形布设，相对应的两个控制点只在纵向（里程方向）错开几米即可。实际证明这种方案既能避免旁折光影响又能避免影响洞内交通。

3 针对连续短边长大隧道洞内控制网测量网型研究

通常长大隧道洞内控制测量的方法有常规双导线测量、陀螺仪定向，由中铁二局集团公司测量中心研究出的多公共转点侧方交会导线测量方法连续传递方位已获专利，见图2。

图2 多公共转点侧方交会

通过研究发现导线控制点距离在100m 以上方位传递比较准确，低于100m 方位逐渐降低，低于50m 方位已经明显变大；而多公共转点侧方交会在20 ～100m 能比较准确地传递方位，当导线边长大于100m 时由于导线边长几个棱镜之间的角度变得很小测量很难实施。针对以上情况，提出了一种新型的双导线与侧方交会相结合的网型方案具体为在大于100m 的边按常规双导线测量，在小于100m 的短边用双导线结合侧方交会来测量其网型，见图3。

图3 双导线与侧方交会组合网型

为验证这种方法的可靠性特做如下试验：

（1）验证常规双导线边长对方位传递的影响，具体试验方法：先找一处地势开阔平坦的场地，确定两个固定的控制点A、B（可以假定两点的坐标进行起算）作为方位传递的起算方位，模拟隧道常规双导线进行测量，经过若干站测量，最后再测回到这两个点，通过测量平差后检验最终这两个点的方位与起始方位的偏差，从而测定边长对常规双导线的影响，见图4。

图4 双导线短边验证网型

从图4 中可以看出，BA 为双导线起始边从BA 开始测量按常规双导线经过若干站后再回到AB 经过测量平差算出A′B′（为了模拟试验，将A′B′当作未知点处理）的坐标方位，与起始方位进行比较。

该试验分别选取三块不同的场地验证边长为200m、100m、80m、50m、30m 的双导线，其验证结果见表1。

表1 双导线短边验证结果

通过以上验证发现导线控制点距离在100m 以上方位传递比较准确，在无旁折光对中误差等因素影响下，传递精度高于1″；当导线边长低于100m 时，方位精度逐渐降低；当低于50m 时，方位误差已经明显变大。

（2）验证常规双导线与侧方交会相结合新型导线网（组合网型）方位传递的可行性，具体试验方法：先找一处地势开阔平坦的场地，确定两个固定的控制点（可以假定两点的坐标进行起算）作为方位传递的起算方位，模拟隧道常规双导线和侧方交会相结合新型导线网进行测量，经过若干站测量，最后再测回到这两个点，通过测量平差检验最终这两个点的方位与起始方位的偏差，从而测定边长对常规双导线的影响，见图5。

图5 双导线与侧方交会组合验证网型

从图5 中可以看出，BA 为双导线起始边，从BA 开始长于100m 的边按常规双导线测量，短于100m 的边按侧方交会（注意该方案是控制点双侧侧方交会，在设置交会棱镜时要让棱镜的距离均匀和两侧的控制点都要保持一定的角度保证仪器自动观测能够顺利进行），经过若干站后再回到AB，经过测量平差算出A′B′（为了模拟试验，将A′B′当作未知点处理）的坐标方位，与起始方位进行比较。该试验分别选取三块不同的场地分别进行测试，其验证结果见表2。

表2 双导线与侧方交会组合验证结果

通过以上验证发现组合网型（长于100m 用双导线、短于100m 用双侧方交会法）的方位传递可靠性较高（在不考虑其他因素影响的情况下高于2″），完全能用于长大隧道的各种长短边方位传递。

根据青岛地铁8 号线工程特点和现场实际情况，制订了四种洞内控制网测量方案：①多公共转点侧方交会导线测量；②常规双导线测量；③第三方陀螺仪定向测量；④双导线与多公共转点侧方交会组合网型。经检测洞外控制点稳定可靠，因此采用已知点进行约束平差计算洞内导线点坐标成果。四种网型测量结果比较见表3。

表3 各种网型结果比较

从表3 中可以看出，多公共点侧方交会的方位测量结果、双导线与多公共点侧方交会组合网型的方位测量结果与地铁第三方检测单位加入陀螺定向测量计算的成果都非常接近，而现场施工单位采用常规的导线测量方法得到的方位结果，与这二种方法就出现12s 左右的差异。截至目前，过海隧道海域段左右线已经实现高精度贯通，横向贯通误差在30mm 以下。

4 结束语

通过研究该项目，总结并提炼出了一套提高隧道尤其是有短边及连续短边的长大隧道控制测量方位传递技术，通过多次测试和验证，在青岛地铁8 号线过海隧道斜井（10对短边）成功应用。根据相关数据表明，该技术不但能提高隧道控制网测量精度，确保隧道高精度贯通，还能提高测量效率，避免因贯通误差超限或过大带来的经济和工期损失，直接效益和隐形效益显著提高。