长大隧道短边斜井控制网施测及贯通精度分析

刘杰斌

（中铁十六局集团第五工程有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

隧道工程在地形复杂地区的铁路建设中十分常见。隧道的贯通误差是隧道工程质量控制的关键环节，一般通过隧道测量控制网实现。所以隧道测量控制网的布设与观测方法的选用尤为重要。隧道测量控制网主要分为两大类：洞外测量控制网和洞内测量控制网，洞外测量控制网主要利用GPS定位系统，而洞内测量控制网主要利用角度及边长的传递组成导线网，因此洞内导线网建立及测量方法决定了隧道贯通精度。长大隧道洞内导线网应布设成交叉双导线，并形成至少由4～6条边构成的闭合环,若存在短边作为进洞联系边，为保证闭合环传递精度，可采用全圆观测法，增加观测边数量，减小短边测量引起的角度误差，满足隧道测量控制网整体精度指标，但对于存在短边斜井进入正洞的隧道如何确定合适的控制测量方案设计非常关键[1]。

1 工程概况

1.1 线路设计情况

龙南隧道起讫里程DK91+530～DK101+770.225，正洞全长10240.225m，隧道线路曲线半径9000m，曲线长7305.1m，即DK94+465.1～DK101+770.225位于左偏曲线上，其余地段全部位于直线上。1号斜井位于线路前进方向右侧，与线路交于DK93+900，与大里程的夹角为117°，斜井全长1021m，为直线斜交进洞。2号斜井位于线路前进方向右侧，与线路交于DK99+000，与大里程的夹角为50°，斜井全长528m，线路曲线半径150m，曲线215.6m，即XDK0+022～XDK0+237.6位于曲线上，其余地段全部位于直线上。

1.2 平面坐标系统

赣深客专铁路精测网平面采用国家2000坐标系统，椭球参数为：长半轴a=6378137，扁率1/f=298.257222101，中央子午线114°50′，投影面大地高260m。

2 隧道贯通规范要求

相向开挖隧道长度4km≤L≤7km，根据贯通误差要求进行隧道平面和高程控制测量设计，隧道洞外、洞内平面和高程控制测量误差对贯通面上的贯通误差影响应符合洞外贯通误差40mm，洞内贯通误差50mm，洞内外综合贯通误差65mm，贯通限差130mm的要求[2]。

3 洞外测量控制

3.1 洞外平面测量控制

原设计精测网复测合格后，结合龙南隧道施工作业工点，以及洞口特殊地貌和GPS测量困难，分别在隧道1号斜井、2号斜井洞口位置布设一条GPS进洞联系边，洞外子控制网采用全站仪加密测量。本文主要以1号斜井与2号斜井之间的贯通面做为示例进行控制点的布设及贯通分析（如图1）。

图1 龙南隧道洞外测量控制点布设示意图

本次GPS加密点按卫星定位三等测量，即得LNX04、LNX06方位角中误差0.21″，边长相对精度1/875651，CPI050、LNX07方位角中误差0.22″，边长相对精度1/884142，CPI052、LNC10方位角中误差0.18″，边长相对精度1/901402，均已满足规范精度指标，因此可作为各斜井的进洞联系边。

3.2 洞外贯通估算

隧道长度大于4km，其洞外横向贯通误差值主要由GPS测量的洞外联系边测量精度及其定位点坐标精度影响，通过下式求得。

式中：

m1、m2——1斜、2斜GPS控制点的Y坐标误差；

L1、L2——1斜、2斜GPS控制点至贯通点的长度；

W1、W2——1斜、2斜GPS联系边的方位角中误差；

θ、φ——进、出口控制点至贯通点连线与贯通点线路切线角的夹角。

由公式（1）计算1、2号斜井至贯通面：M²=0.172+0.162+(3571cos169°6′8″×0.21/206265)2+(3078 cos352°28′6″×0.22/206265)2=54.5mm，即M=7.38mm。

由公式（1）计算1号斜井至2号斜井洞内：M²=0.182+0.182+(2550cos350°45′20″×0.24/206265)2+(2550cos170°45′20″×0.23/206265)2=64.8mm，即M=8.05mm。

本节计算分析：（1）斜井至贯通面误差M=7.38mm＜30mm；

（2）1号斜井至2号斜井洞内贯通误差M=8.05mm＜30mm；

（3）1号斜井、2号斜井洞外总贯通误差M总=15.43mm＜40mm；

（4）洞外估算贯通总误差满足规范指标要求。

4 洞内测量控制

4.1 导线网布设

考虑隧道为长大隧道，洞内导线网按双导线闭合环布设，每个闭合环由4～6条边构成。由于斜井短边进入正洞特殊情况，为增加网的内部检核条件，提高网的可靠性，布设成交叉双导线形式（如图2）。

图2 龙南隧道洞外导线网布设示意图

4.2 导线网测量

导线网测量等级采用隧道二等，导线边长宜控制在200～300m之间，使用0.5″级徕卡全站仪，具体执行指标如下：

（1）边长测量技术要求：测距仪精度等级Ⅰ等，每边往返4测回数，一测回读数较差限值2mm，测回间较差限值3mm；

（2）水平角观测要求：半测回归零差4″，一测回内各方向2C互差6″，归零后同一方向值各测回较差4″；

（3）导线测量精度指标：测角中误差1.3″，方位角闭合差导线全长相对闭合差1/100000，测距相对中误差1/250000。

4.3 洞内贯通估算

洞内导线按导线边长直伸至贯通面估算引起的测角横向贯通误差，其计算公式如下：

式中：

mβ——测角中误差；

ρ″——180×3600/π=206264.806247096≌206265″

Rx——测角、测边网中邻近隧道中线的一条侧边上的各点至隧道贯通面的垂直距离；

d y——测角、测边网中邻近隧道中线的一条侧边上的各边相对于隧道贯通面上的投影长度；

ml/l——控制网设计的边长相对中误差，取1/80000。

龙南隧道设计为对称曲线，对曲线部分以近似直线的方法计算横向贯通误差，控制导线点间距按照300m左右计算，见表1。

表1 1、2号斜井至贯通面R x²、d y²计算统计

经公式（2）计算1号斜井至贯通面：

求得洞内导线控制测量误差影响所衍生到贯通面上的横向中误差为：

经公式（2）计算1号斜井至贯通面：

求得洞内导线控制测量误差影响所产生在隧道贯通面上的横向中误差为：

本节计算分析：（1）1号斜井至洞内贯通面误差m1=34.2mm＜40mm；

（2）2号斜井至洞内贯通面误差m2=32.5mm＜40mm；

（3）隧道进、出口洞内总贯通误差mq总=66.7mm＜130mm；

（4）洞内估算贯通总误差满足规范指标要求。

5 贯通综合误差分析

综上计算分析：（1）龙南隧道1号斜井至2号斜井洞外综合贯通误差mq=15.4mm＜50mm；（2）龙南隧道1号斜井至2号斜井洞内综合贯通误差mq=66.7mm＜130mm；因此按照此方案执行控制测量，隧道综合贯通误差满足规范指标，即可顺利贯通。

6 正洞控制精度检核及贯通精度评定

6.1 正洞控制精度检核

为验证正洞内导线控制点的方位角准确性，特联合长安大学某教授团队进行陀螺仪方位角验证。作业仪器为陀螺全站仪：GAT-05B高精度磁悬浮陀罗全站仪。该仪器标称精度±50s。

在洞外选取CPI050-LNX08作为地面仪器常数边，确定洞内LND08-LND10作为陀螺定向边待定边。陀螺定向测量具体实施步骤如下：

（1）在CPI050点安置陀螺全站仪，照准LNX08方向，进行陀螺仪定向测量3个测回，全站仪观测6个测回。

（2）在LND08点安置陀螺全站仪，照准LND10方向，进行2个测回陀螺仪定向测量，全站仪观测4个测回。

（3）上洞后地面常数测量：在CPI050点安置陀螺全站仪，照准LNX08方向，进行陀螺仪定向测量3个测回，全站仪观测6个测回。

（4）地面常数边对向检核测量。

经计算，陀螺一次定向中误差为m=±2.1″，洞内陀螺边定向精度为1.6″。已知LND08→LND10导线坐标方位角为161°42′27.5″，计算求得LND08→LND10洞内陀螺定向方位角成果161°42′30.2″，较差-2.7″。龙南隧道洞外、洞内陀螺定向观测导图见图3。

图3 龙南隧道洞外、洞内陀螺定向观测图

本次测量成果属于高精度测量成果，满足陀螺定向精度要求，方位角成果具有可靠性。

6.2 贯通精度评定

隧道掘进过程中，严格按照隧道二等要求进行施测，最终贯通精度为：龙南隧道1号斜井至2号斜井洞内综合贯通误差mq=56.2mm＜66.7mm＜130mm，贯通精度满足规范指标要求。同时也验证了贯通综合分析结论的可靠性。

7 结束语

综上所述，通过对龙南隧道洞外GPS控制网测量分析，以及洞内导线网布设、观测方案的确定，计算过程结合工况条件对横向中误差进行分配，以长、短边误差权重分配原理进行贯通误差估算分析，尤其是设有长斜井且短边进入正洞的处理方法得到诠释。长大隧道多个开挖工作面的施工控制测量均可采用此方法进行导线网观测，贯通精度稳定可靠，为高铁隧道控制测量提供有力的支持。