压力引水钢管岔管段开挖施工测量问题探讨

牛刘峡

（中国电建集团水电四局有限公司,青海 西宁 810007）

1 工程概况

团坡水电站位于贵州省惠水县境内,坝址距上游海里电站厂房约1.0 km,距断杉镇约12 km,距惠水县城约53 km,距贵阳市约110 km。本电站为蒙江干流涟江梯级的第三级。

本工程为引水式电站,等别为Ⅲ等中型工程,拦河大坝为溢流式砼重力坝,溢流坝最大坝高40 m。正常蓄水位805 m,死水位803 m,总库容52.1 万m3。

引水发电系统布置在右岸,由进水口、引水隧洞、上游调压室和压力钢管及岔管组成,采用一洞三机的布置方式,设计最大引用流量74.2 m3/s。压力钢管由主管、岔管及支管组成,采用一管三机布置方式。主管长395.98 m,直径4.5 m,管内流速4.665 m/s；主管后通过二个月牙肋型钢岔管接支管垂直进厂,三条支管分别长（分别计至蝶阀中心处）41.916 m（1#）、47.032 m（2#）、37.341 m（3#）,大机支管直径2.85 m,小机支管直径2 m,压力钢管采用双层组合式衬砌,钢板衬砌外回填混凝土厚0.6 m。

电站装机三台（2×32 MW+1×16 MW）的混流式水轮发电机组,主厂房尺寸为60.2 m×15.5 m×39.5 m（净长×净宽×高）,机组安装高程663.80 m,发电机层高程673.30 m。

在引水隧洞压力钢管岔管段开挖施工放样测量时,原设计图纸只给出典型剖面图尺寸,但没有计算出断面之间的详细参数和变化率,给我们施工测量放样带来了困难。为此我们通过探索和研究,在放样之前,通过模拟计算建立了岔管段放样测量数学模型,依据数学模型建立坐标系展开放样测量,成功地解决了施工测量中遇到的难题。

2 施工测量

2.1 施工控制

团坡水电站控制网建于2004 年6 月,等级为二等控制网14 个点组成,投影面高程为785 m,水准点是由国家一级水准点引入控制网,是由国家电力公司贵阳勘测设计研究院建成。经过复测该网维护完好,能满足施工需要。在施工中支洞口点采用图形强度较好的三角形网加密洞口控制点,并且在支洞口埋设混凝土观测墩。

在开挖前,需认真测量开挖断面轮廓,并在拱顶、拱腰及半径变化处设置清晰点位,并现场进行技术交底。为更好地保证机械开挖及人工部分开挖质量,确保开挖施工精度,必须注意每次开挖厚度的控制,严格控制超挖和欠挖。开挖完成后,立即进行断面测量,确认断面符合设计后,再进行支护的施工。由于团坡水电站对洞室开挖进尺要求是根据围岩清况进行控制（V、Ⅵ级围岩上台阶每循环开挖进尺不应大于l榀钢架间距,Ⅳ级围岩不得大于2 榀钢架间距；边墙每循环开挖进尺不得大于2 榀；仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆,每循环开挖进尺不得大于3 m）。（初期支护Ⅳ级以上围岩封闭位置距离掌子面不得大于35 m；二次衬砌距离掌子面位置：Ⅳ级围岩不得大于90 m,V、Ⅵ级围岩不得大于70 m）。需严格控制超欠挖,拱脚和墙脚以上1m范围内严禁欠挖。

施工导线是隧道施工中为方便进行放样和指导开挖面布设的一种导线,导线点是边开挖边设置,通常沿中线布设,边长一般为25 m～50 m。需施工单位配合布设洞口点,进洞点利用设计坐标和洞口点坐标,采用全站仪或经纬仪通过极坐标法标定,洞口点设仪器。然后,用极坐标反算所得方位角,标定方向,并测量距离,从而确定进洞点。由于洞口施工方法的特殊性,中线分临时中线和永久中线。当隧道掘进20 m左右,就要对临时中线点进行重新检查标定,检查符合要求后,标定永久中线。直线隧道的中线测设通常采用经纬仪正倒镜法、瞄直法和激光指向仪导向法。

洞内平面控制测量,一般应布设光电测距导线：（1）洞内导线分为基本导线（贯通测量用)和施工导线（施工放样用）。施工导线是为了施工放线用,必须跟着开挖面布设,是为了减少开挖面放线的困难。（2）施工导线点的布设,主要是为满足开挖放样的需要,宜50 m左右埋设一点,并每隔数点与基本导线点复核,以资校核。（3）由于洞内大型施工机械的干扰,基本导线宜沿洞壁两侧布成自由导线,并及时算出各导线点平行轴线的指向角和左右偏离值以指导施工；（4）洞内导线边长应进行投影改正。导线点的两组坐标较值差不得大于误差的2倍,合格后取两组的平均值为最后成果。在观测时应同时观测导线的左、右角。（5）洞内的高程控制,用同等精度的光电三角高程代替。对于洞内的控制点应定期进行检查复核。

2.2 施工坐标系建立

在施工的过程中为了方便施工放样,必须建立施工区域专用的施工坐标系统。所谓施工坐标系统,就是以建筑物的主轴线或平行于主轴线的直线为坐标轴而建立起来的坐标系统。为了计算放样数据的方便,施工坐标系与建筑物平面图的施工坐标系统一致。施工坐标系统与测图坐标系统是有区别的。当施工坐标与测图坐标有联系时,就要进行坐标换算,把一个点的测图坐标换算成施工坐标系中的坐标。如图1所示,X─O─Y为测图坐标系,X'─O'─Y'为施工坐标系。如P点在测图坐标系中的坐标为XP、YP,在施工坐标系中的坐标为XP'、YP',换算公式如下:

图1 坐标系换算示意图

式中：为测图坐标系中方位角；a、b为施工坐标起算原点（在测图坐标系中纵、横坐标）。

1）在压力钢管岔管段建立施工坐标系统,见图2,在岔管段开挖平面施工图纸中设计给出的各折点坐标（D6～D16）,如果施工过程中如图所示用各折点为轴线施工放样、会增加施工放样难度,而且图中所给出的剖面图（如图（3）所示、I-I、J-J、K-K）并不垂直于各折点的轴线,施工平面图中并没有给出施工放样轴线。为了便于施工放样,必须建立与设计断面垂直且便于施工放样的轴线。通过对施工平面图、剖面图的分析与计算在图中所示可以用两种方法建立施工坐标系统。

图2 岔管段开挖支护平面图

2）以岔管段开挖支护平面图D6 点（测图坐标X=49929.2738 m、y=3907.4906 m、施工坐标XP= 4081.209 m、yP=0 m）为施工坐标原点,以D6～D10的延长线为施工放样轴线,计算得D6～D10方位角为172.5°。在实际工作中施工坐标的起算点不为零,在计算测图坐标→施工坐标过程中加入起点施工坐标。测图坐标换算施工坐标公式如下：

3）以岔管段开挖支护平面图中平行于轴线D6～D10的A点（测图坐标x=49920.3959 m、y=3905.5832 m、施工坐标xp=4089.762 m、yp=0 m）为施工坐标原点,以A～B点为施工放样轴线,方位角为172.5°。在计算测图坐标→施工坐标过程中加入起点施工坐标。测图坐标换算施工坐标公式如下：

在施工放样的过程中,如果以D6～D10延长线为轴线施工放样,将各控制点测图坐标代入公式（2）建立相应施工坐标系统。如果以A～B为轴线施工放样,将各控制点测图坐标代入公式（3）建立相应施工坐标系统。

3 压力钢管岔管段开挖放样问题的探索解决

在实际施工过程中施工坐标系统的建立,可以加快施工放样的时间,直观的表示出隧洞开挖轮廓线和开挖进尺。在压力钢管岔管段施工过程中,建立便于施工的施工坐标系统后,发现在岔管段开挖支护平面图中设计给出的剖面图（见图3I-I、J-J、K-K）是施工平面图中任意的三个剖面图,但原设计图纸中并没有给出剖面图的变化规律,因此不能直接理解出设计的意图。通过对施工平面图、剖面图的计算,发现岔管段开挖高度为固定值、宽度随着平面图曲线的变化而加宽或减小,在剖面图中圆心高、半径、起拱点高随着宽度的变化而变化、只有拱肩以上圆弧段对应圆心角不变。

3.1 建立数学模型

通过施工平面图、剖面图的分析与计算,建立剖面图的数学模型如下：（以岔管段起始点引4+089.726至1号支管0+008.215段为例）

式中：R表示施工平面图曲线半径值 ；X表示施工坐标前进值；S表示断面宽度值；R'表示断面半径值；H1表示断面圆心高程；H2表示断面起拱点高度。

3.2 施工放样

分别以D6～D10、A～B为轴线建立施工坐标系放样,在建立施工坐标系统施工放样时,有不同计算的方法（以D6～D10为轴线计算放样、以岔管段起始点引4+089.726 至1号支管0+008.215段为例）如下：

式中：KLH为实测三维施工坐标；A为左边墙宽度；B为右边墙宽度；X为前进方向偏移量；Y为断面半宽；Q为中心偏移桩号；C为底板高程；D为断面拱顶高；E为圆心高程；F为拱肩高度；“P-R”为断面圆径向差。

4 结语

在水电站工程施工中经常会遇到施工坐标转换和建立便于施工的施工坐标问题,隧道施工安全始终都是隧道施工的重点。因此,在整个隧道施工过程中,在隧道工程洞身开挖工艺技术研究中,要注意安全施工,从而提高隧道工程洞身工艺的精细度,并顺利完成隧道工程洞身的开挖工程。隧洞施工测量开挖中经常会遇到渐变段、岔管的开挖计算问题,由于设计图纸提供的参数有限,只有在实践中不断探索、不断改进,才能解决此类问题。

笔者通过用团坡引水压力钢管岔管段的施工测量放样问题的探索解决,为今后类似工程放样提供了借鉴。