超长引水隧洞测量控制技术

梁 武

(广东水电二局股份有限公司，广州 511340)

1 工程概况

本工程为榕江关埠引水工程，作为韩江榕江练江水系连通工程的子工程之一，其主要任务是在优先实施练江流域控源截污工程和保护好榕江水资源水环境安全的前提下，实现榕江-练江水系连通，改善练江流域水环境及水生态质量。本工程由取水口、引水隧道、加压泵站、高位水池、输水隧洞、出水池、输水明渠和涵管、出口防洪闸等建筑物组成。工程输水线路总长34.970 km，其中T3段TBM隧洞长度为9 346.500 m，采用直径5 060 mm双护盾TBM掘进机，流水坡度为i=0.008%，TBM始发掘进方向是SD26+810.000～SD17+463.500。

2 平面控制网主要技术要求

2.1 GPS网布设

根据测区已有的资料、测区地形、交通状况、精度要求、接收机数量，并考虑作业效率，按照优先设计原则进行布网。对于网中GPS点需要采用常规测量方法加密控制网时，至少应保证该点有一个以上的通视方向。本工程GPS网布设为多边形网，网中每个闭合环或复合线路中的边数应符合表1的规定。

表1 闭合环或附和路线边数的规定

2.2 选点与埋石

GPS点位的选择基本与技术设计相符，依据规范并结合现场和工程需要进行优化，便于进行水准联测、进行下一级控制，并有利于安全作业；点位便于安置接收设备和操作，视野开阔，接收机高度角大于等于15°；点位远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站等)，其距离不小于200 m，附近无强烈干扰接收卫星信号的物体。

标石埋设应选择在地质坚硬稳固的地方，易于长期保存。埋设混凝土桩中间应设有标识，标识中心标志为带十字丝的特制不锈钢钉，用红油漆或刻字标识桩位及点名，周围设围护栏保护。

2.3 GPS观测

采用静态定位测量的方法进行GPS网的外业观测。接收机及天线型号正确准确无误，主机及配件齐全，接收机及天线外观良好，各部件及附件完好，紧固部件无松动和脱落，仪器经有关部门年检鉴定，性能良好。外业观测执行表2中的基本技术要求。

表2 GPS外业观测的基本技术要求

设站时，天线严格整平，对中误差小于3 mm；天线定向标志指向正北，定向误差不超过±5°；观测前按互为120°方向上量取天线高3次，其读数差小于2 mm，并将中数输入GPS接收机中。按要求及时填写手簿的各项内容，观测过程中不得更改各参数、再启动、自测试、变动天线等，禁止在天线附近使用电台、对讲机等。

2.4 基线解算和检核

基线解算和网平差均使用中海达HGO数据处理软件进行处理，基线采用双差固定解，根据软件包说明按缺省参数进行解算[1]。

2.4.1 基线解算

基线解算全部求解出整周模糊度。所有基线的解算一般采用原始观测数据，对于那些质量较差而影响基线解算质量的个别观测时段的观测数据，则根据各段时间的观测数据的质量好坏进行时间上的取舍；对个别时段影响基线解算的残差波动太大或失锁周跳频繁的个别卫星作剔除处理，同一时段观测值的数据剔除率小于10%。经过处理，使得基线解算顺利进行。

控制网的基线精度按下式计算：

式中：σ为基线长度中误差，mm；A为固定误差，mm；B为比例误差系数，mm/km；D为平均边长，km。

2.4.2 基线检核

由基线处理结果计算的重复观测基线较差、同步环闭合差、独立环闭合差、附和路线闭合差应满足表3的规定。

表3 基线质量检验限差

2.5 高程控制网主要技术要求

1)本次高程控制网为三等水准，其主要技术指标见表4-表6。

表4 精密水准测量的主要技术标准

表5 精密水准观测主要技术要求

表6 精密水准测量精度要求

2) 精密水准外业观测。在水准复测前，首先进行现场勘查，检查标石的完好性。经现场勘查，本段范围内精密水准点沿线路走向布设，点间距500～1 000 m，点位布设均匀，桩点保存基本完好。

本次水准复测按国家精密水准测量的技术要求进行施测，并逐点复核相邻水准点之间的高差。通过复测高差与设计高差进行比较，确认建设单位所交的高程控制点精度是否满足精度要求，点位是否稳固可靠。

精密水准复测采用一台徕卡NA2+GP3精密水准仪(仪器标称精度均为每公里高差测量中误差0.3 mm，可适用于精密水准测量)及配套的因瓦水准标尺，按照《国家三、四等水准测量规范》(GB/T 12898-2009)的水准测量要求作业[2]。

3 平面贯通误差分析

3.1 平面贯通误差的主要来源

1) 地面导线控制网误差。

2) 隧道控制支导线误差。

3) 测角、测边、对中偏心等各综合误差。

3.2 贯通点的选择

如果e1=e2=1.5 mm，s1=s2=150 m，SAB=300 m，则测量仪器的对中误差：

目标的偏心差：

由误差理论可知：当水平角为180°时，误差对水平角的影响最大。

如果e1=1.5 mm时，m1为±2.06″；

e1=1.5 mm时，m2为±2.92″，则：

因此，为减少对中及目标偏心误差对贯通横向误差的影响，考虑在严格校正棱镜、觇牌对中的前提下，采用3次对中测角法，可将测角对中误差降低为：

故在对中误差<1.0 mm时，采用三次对中法测角对测角精度的影响可满足小于规范的要求。观测差：仪器标称精度m仪=±0.5″，测角中误差mβ=±2.5″。

为获取“民用分类代码”和“军用分类代码”中规定的基础地理信息要素间的异同点，需要在军民基础地理信息要素映射关系表的基础上，对映射关系进行统计分析，统计结果表明，有对应要素占39%，无对应要素占61%。

地下控制导线精度：

式中：fβ角度闭合差；n为测角个数。

附合导线闭合差的中误差(对贯通误差影响主要为横向中误差)：

式中：mβ为测角中误差；S为导线边长；ρ为206 265。

隧道贯通前，地面GPS静态联测，隧洞连续测量4次，陀螺仪控制点方位角复合测量，不断提高控制网导线点精度，有利于控制TBM掘进机按照设计轴线允许规范内贯通。

经地面控制导线网的复测，地面控制网中误差为mi=±10 mm，投点误差精度mt=±4.1 mm，则3#TBM始发井至2#TBM接收井平面贯通误差为；

4 高程贯通误差分析

5 优化测量技术方案

榕江关埠引水工程隧洞的测量技术优化方案主要从以下几点入手：

1) 洞内控制点分别布置在管片左右两侧平行交叉延伸成对布设 ,点位距离300～600 m等距布置，减少测站次数，减少点位累计误差。控制点选址在管片左右环高1 m牢固可靠的地方，做好点位测量标识，平面控制点均采用槽钢型号8#、钢板150*150*10、直径16*25英制内六角螺丝钢结构强制对中盘，安装在线路的左右侧，强制对中盘控制点可以减小全站仪对中点位误差，也有利于高效测量。高程控制点采用不锈钢十字半圆球混凝土浇筑，预埋在灌浆回填豆砾石孔内，洞内直伸式导线控制网改为导线控制网平行交叉式观测 ,前后左右同侧点测边测角 ,前后左右侧对点间加测边长形成闭合角，导线控制网形成左右平行四边形折回 ,这种左右平行交叉式导线控制网精度优于直伸式直导线控制网[4]。图1为控制点平面位置图。

图1 控制点平面位置图

2) 洞内精密导线控制网测量采用左右管片上平行延伸交叉式导线控制网。为避免旁折光、机车行走震动、皮带机转动振动，角度测量观测误差不设在同一侧点 ,左右两侧点延伸等距测边测角 ,导线终端一组控制点作为下次导线控制点延伸起算边。

3) 陀螺仪观测校核洞内控制网方位角。陀螺定向采用北京航天发射技术研究所自主研发生产的BTJ-5型陀螺全站仪[寻北精度≤5″(1σ)]，上置Leica生产的TS-09plus 1″全站仪[4]。陀螺仪改进后可以安装强制对中盘上，分别测出前后两条边方位角，陀螺仪校核TBM掘进机出洞前500 m最后二组控制点方位角，检验出洞前500 m处进行控制网边方位角是否超限，陀螺仪测量计算出的坐标方位角与区间控制网测量的坐标方位角进行比较，较差控制在小于15″，控制在允许偏差内，符合《水利水电工程施工测量规范》(SL 52-2015)相向开挖长度小于10 km内贯通测量限差要求，确保贯通在允许偏差内。

6 结 语

针对榕江关埠引水工程超长9.3 km隧洞，洞内采用左右侧强制对中盘控制网平行交叉式导线网加测同侧边长和近点边长，能有效提高洞内方位角精度,减少点位对中累计误差的影响，是提高控制网测量精度的有效方法。为了榕江关埠引水工程TBM隧洞施工测量精准贯通 ,陀螺仪复核安装在对中盘测量平行交叉式控制网点边长方位角的可行性，对指导超长隧洞贯通测量具有重要性意义。