公路隧道贯通测量及误差估算分析的关键技术研究

支小平,曹 建

（中交一公局集团有限公司,北京 100020）

0 引言

在隧道施工中，我们会根据隧道长度、地形地貌、围岩等级等因素，采用两个或者多个工作面进行开挖施工，最后在某一个断面位置进行贯通。因此，隧道贯通测量控制网方案的设计比选以及误差估算是不可缺少的。实施误差估算的目的是在保证精度前提下降低成本，防止资源浪费，建立合理的洞内、洞外控制网，保证隧道施工顺利贯通。

1 隧道洞外控制测量

1.1 洞外平面控制测量

1.1.1 同步环各坐标分量

式中，n——边数；σ——基线中误差（mm）；W——全长闭合差；a——固定误差（mm）；b——测量所产生的比例误差（ppm）；d——相邻控制点位间的距离（km）。

1.1.2 异步环各坐标

式中，n——异步环的边数；σ——基线中误差（mm），由相应等级中的规定而定；W——异步环的全长闭合差。

1.2 洞外高程控制测量

洞外高程控制测量一般使用电子水准以采用二等水准测量方法，从隧道一端到另一端进行往返测闭合。

2 隧道洞内控制测量

2.1 洞内平面控制测量

洞内平面控制网有很多布设形式，不同的形式各有优缺点，具体选择视情况而定，在实践施工过程中，采用主副导线形式居多。洞内控制导线需要经常不间断地测量，定期复测，当有平行导坑或分离式双线隧道时，通过横洞进行联测核验。

2.2 洞内高程控制测量

隧道内高程控制网是洞内构造物高程放样的基准，按照测量相关规范及设计要求，每隔一定距离要埋设一对高程控制点，以便相互校核[1]。高程控制点可以单独埋设也可以同平面控制点设置一起，具体根据实地情况而定。高程控制按照相应的规范等级，将控制点构成闭合环。

3 贯通误差估算

由于洞内观测条件和自然环境的影响，观测视线较差，所以洞内控制测量的精度也会差很多，误差不容易控制。根据相关测量规范，横向中误差估算分析方法如下。

3.1 误差估算

其中：myβ、myl——横向中误差（mm），由分别测角、测距引起；myβ——闭合差测角中误差（″）；Rx——导线点投影到贯通面的垂距（m）；——边长的相对中误差；dy——控制网中导线边在贯通面上所产生的投影（m）。

3.2 高程中误差

式中，mΔ——每1 km水准测量的偶然中误差（mm）；l——路线长度（km）。

4 工程实例

吉水县醪桥至青原区草坪桥段改建工程大东山1号隧道，全长462 m。地貌类型属剥蚀低丘陵地貌。山脊大致北东至南西向，地形起伏变化大。隧道范围相对高差约60 m，地质围岩情况较差，Ⅴ级围岩居多，对贯通精度要求较高。贯通测量技术方案比选及贯通误差分析，对指导施工尤其重要。

4.1 洞外控制网

4.1.1 洞外控制网设计

该工程项目根据所处位置的地形、地貌以及地质围岩条件，洞外控制网采用单导线形式布设，具体如图1所示。控制网坐标系是以隧道中心线为X轴正方向（按里程增加方向），通过洞外控制点JM16作为坐标系起始点建立的。控制点JM18、JM17、JM16、JM20-2、K2和JM20贯通面方向上的垂足，分别为 JM18＇、JM17＇、JM16＇、JM20-2＇、K2＇和JM20＇，根据测量采集数据计算出各控制点的垂距Rx和各导线边在隧道贯通面上的投影长为dy。

图1 隧道洞外平面控制网布设

4.1.2 隧道外平面控制网等级判定

该隧道长度为462 m，根据施工图纸及工程测量规范中要求，其洞外导线可设为四等，导线测量角度中误差可为mβ=±2.5''，边长相对中误差为=1/35 000。

4.1.3 隧道外控制网产生误差对贯通影响

洞外导线误差对贯通影响的估算如表1所示。

表1 洞外导线误差对贯通影响的估算

（1）控制网角度测量误差对隧道贯通的估算。

（2）控制网边长测量对隧道贯通的估算。

（3）贯通误差估算。

依据计算结果可知，洞外控制点位的测量中误差对整个隧道的贯通影响估算值是20.4 mm，其小于25 mm，洞外控制网设计可行。

4.2 洞内控制测量

4.2.1 洞内平面控制网设计

根据测量误差理论推导，在工程施工控制网中，导线横向误差随导线增加而形成不断累积，导线长度越长，其误差增加速度越快。结合该项目特点我们选用主、副导线法，对洞内线路主导线进行贯通误差估算，副导线主要用于复核。

如图2所示，测量并计算出洞内各导线点K1910+897、K1911+050、K1911+200和K1911+350的垂距Rx和各个导线段在隧道贯通面上方向上的投影长度dy。

4.2.2 确定控制网参数等级

该隧道长度小于0.5 km，根据施工图纸及工程测量规范中要求，其洞外导线可设为一级，按照一级导线测角中误差采用mβ=±5，控制网各个边长的中误差可采用ml/l=1/15 000。

4.2.3 洞内贯通误差估算

洞内和洞外控制影响隧道贯通误差。对于隧道工程的平面控制网，洞外的观测环境要比洞内更有优势，因此洞外控制测量对数据精度的要求要比洞内要高[2]。在实际施工过程中，我们把洞外控制测量引起的误差作为影响隧道横向贯通的一个独立因素，同时也把洞内控制网导线所引起的测量误差作为另一个单独因素，通常按照同等影响原则估算相应的横向贯通误差，其结果见表2。

表2 洞内导线误差对贯通影响的估算

（1）隧道内控制网角度测量误差对洞内贯通的影响估算。

（2）隧道内控制网边长测量对洞内贯通的影响估算。

（3）隧道内控制网对洞内贯通的总影响估算。

按照上述计算结果，洞内控制点测量中误差对隧道贯通面影响估算值是23.4 mm，其允许值是45 mm，因而，洞内导线布设方案可行。

4.3 控制测量对隧道贯通的综合影响估算

由以上贯通误差的计算结果可以得出，按照上述相应控制网形及精度，计算贯通中误差均符合允许中误差要求，根据以上可表明按照此方案设置的控制网满足该隧道横向贯通精度要求。

4.4 高程（纵向）贯通误差估算

洞外高程控制测量采用天宝电子水准仪进行二等水准测量，每1 km偶然中误差MΔ=1 mm，则洞外高程贯通中误差为=1.5 mm＜25 mm（式中，l——洞外水准线路长度）。

洞内水准控制网按二等要求进行测量，每1 km高程测量偶然中误差为MΔ=1 mm/km，则隧道由高程引起的贯通中误差：=1.1 mm＜25 mm（式中，l——洞内水准线路长度）。

4.5 贯通误差调整

隧道不同断面开挖贯通后，应先在贯通面测得实际贯通误差，通过计算对比，在隧道衬砌未施工地段（调线地段）进行中线调整。调整范围对已完成衬砌段无影响时，可将调整范围适当延伸到已衬砌段内，其衬砌未施工段的测量放样数据，应采用调整后的中线和高程值，保证其贯通顺接，各个参数复核规范及设计要求。

4.5.1 平面误差调整

隧道贯通后，将衬砌未施工段两侧中线位置数据采集并连线构成调线段。调线与设计中线会分别产生a1和b1的夹角。按照规范要求，如果夹角小于5″时，可将A、B连线视为直线。如果夹角小于25″而大于5″，应按连线顶点内移误差数值确定调线段线路中线及相应衬砌位置，在满足设计要求情况下可相应顺延。如果夹角大于25″，应按照规范要求加设相应半径的圆曲线。

4.5.2 高程误差调整

隧道贯通后，对于纵向高程贯通误差的调整是通过两端不同高程控制网而测得，取不同控制网测取数据的平均值作为该点位置的最或然值，然后根据该最或然值构成相应水准路线，计算出闭合差，最后在衬砌未施工段按照线路长度比例进行相应的调整，其衬砌未施工段的高程应按照所调整高程调整。

5 结语

该文结合公路隧道贯通测量相关内容，对隧道洞内、洞外贯通误差测量与估算分析的关键技术进行了阐述，并以大东山1号隧道为例，通过洞外控制网设计，过程中结合洞内控制测量，分析计算了隧道洞内、外平面控制的测量误差及高程贯通误差对其贯通的综合影响，通过最终的贯通误差调整，解决了该隧道贯通测量及误差估算的关键技术难题，使隧道实现了高质量、高标准和高精度贯通，同时为类似隧道贯通提供参考和借鉴。