长大深埋隧洞测量控制探讨

谷云香

(辽宁水利职业学院，辽宁 沈阳 110122)

一、背 景

1. 工程概况

为了更好地解决辽宁省水资源短缺的问题，辽宁于2003年6月开始兴建大伙房水库输水工程，主体工程于2008年12月竣工，总投资为52.18亿元。工程建成后，主要解决沈阳等辽宁中部六城市的缺水问题，受益人口近1000万人。

大伙房输水工程的主体建筑物是一条长85.32 km的输水隧洞，其埋深均超过100 m，最深达300 m，属长大深埋隧洞，施工难度较大。经研究，隧洞施工决定在后61.80 km主要采用3台TBM机掘进施工，只在前23.52 km用钻爆法辅助施工。TBM机掘进段布置了7个施工支洞，包括3个施工标段。本文主要介绍TBM1合同段的情况。

TBM1合同段施工范围为21+610.82-44+262.17，全长为20.8 km(不含10号支洞上游人工钻爆法施工的1.9 km)，布设了3条施工支洞，其长度分别为：10号支洞长1 573.726 m；11号支洞长1 004.76 m；12号支洞长2 606.758 m(均由雇主提供的工程坐标系求得水平距离长度)。10号支洞至11号支洞贯通面的单向掘进长度12.8 km(包括10号支洞长度在内)，相向开挖长度13.8 km(含支洞)。11号支洞至12号支洞贯通面的单向掘进长度为10.5 km(包括11号支洞在内),相向开挖长度为13.2 km。

2. 问题的提出

从上述工程情况可见，大伙房水库输水工程的主体工程隧洞较长(85.3 km)，沿线地形复杂，隧洞埋深大，合同段多，支洞长(最长2.6 km)且高差大(最大高差254 m)，两支洞之间相向开挖距离长(最长13.8 km)。如何做好长大深埋隧洞的测量控制，保证相邻合同段(相邻支洞)之间相向开挖的主洞高精度贯通，是工程建设中的重大技术难题之一。

另外查《水利水电工程施工测量规范》(SL 52—93)可以看出，本工程中无论是单向掘进还是双向掘进长度，都超出了规范中给定贯通误差限差的长度范围。针对合同中提出的水工隧洞开挖极限贯通误差表(见表1)及贯通中误差分配值的要求，当时国内外采用TBM机施工单向掘进长度在10 km以上的隧洞还没有。在无可借鉴的施工经验、规范和规程的情况下，控制好贯通精度将成为工程施工的难点，也是保证工期按时完成，使工程发挥应有效益的关键节点。

表1 水工隧洞开挖极限贯通误差

因此，非常有必要对各合同段贯通的误差精度进行合理的分析与估算，保证隧洞贯通施工的限差控制在规定允许的范围内，使工程进度按计划顺利完成。并为以后类似的隧洞工程TBM施工积累经验和提供技术参考。

二、贯通的误差精度估算

下面以TBM1合同段为例来说明。

1. 基本情况说明

TBM1合同标段主洞总长约为20.8 km(不含上游人工钻爆法施工的1.9 km)，本合同标段中第一段单向掘进长度为12.8 km(包括10号支洞长度在内)。第二段单向掘进长度为10.5 km(包括11号支洞在内)。以规定的限差为基础，结合隧洞的具体地质条件，合理分析与估算该合同标段的贯通中误差，使其满足贯通施工的精度要求。

2. 估算依据

(1) 所用规范

1) 《水利水电工程施工测量规范》(SL52—93)；

2) 《工程测量规范》(GB 50026—93)。

(2) 所用仪器标称精度

mβ=±1″，ml=±(2+2×10-6D)(全站仪标称测量精度)。

(3) 中误差选择

取极限贯通误差的1/2作为贯通中误差的控制指标，见表2。具体到本合同标段：10号支洞至11号支洞与主洞交叉点选用表2中12～14 km的贯通中误差的要求。11号支洞到12号支洞与主洞叉点选用表2中8～12 km的贯通中误差的要求。洞外：10号支洞口至11号支洞口选用表2中8～12 km的贯通中误差的要求。11号支洞到12号支洞口选用表2中8～12 km的贯通中误差的要求。

表2 贯通中误差分配值

(4) 贯通面的选择

结合施工组织设计及TBM施工的特点，主洞第一个贯通面选在11号支洞与主洞的交点处，第二个贯通面选择在12号支洞与主洞交点处，具体见图1。

图1 本合同标段平面布置示意图

3. 估算的条件

由于是雇主提供本合同标段在勘测设计阶段的1/5000～1/10 000的带状地形图，致使无法在图上很好地结合实地地形条件进行合理的布点估算，因此只能在米格纸上将主、支洞的主点及拐点按1/10 000的比例展绘成图，然后在洞外、内布点进行估算，这样估算的结果可能与实际有所出入，从而影响估算的精度与可靠度。

4. 洞内外控制网形的选择

(1) 洞外控制网的布设

该工程的洞外控制测量中主要使用了GPS测量技术。洞外控制网作为工程主要控制网，平面控制网使用GPS静态相对测量，高程控制网采用二等水准测量。该工程可使用两种坐标系统坐标，即1954北京坐标系与工程坐标系。《工程测量规范》中规定测区内长度变形值需小于等于2.5 cm/km，若按常规高斯投影3°带坐标估算分析，因为测区离中央子午线较远，隧洞出口处长度投影变形为14 cm/km，这远远超过规范规定值的要求。为了保证投影变形最小，建立一个工程坐标系，中央子午线选在测区(工程区)中央，高程基准面采用测区平均高程面211.9 m。

设计院采用GPS技术完成了洞外整体施工控制网的布设，武汉大学教授参与了外业的数据采集和内业的数据解算和平差；2002年11月设计院委托国家基础地理信息中心对重点网的30个GPS点进行了第一次抽测；2003年9月，润中公司聘请武汉测绘科技大学独立对洞外施工控制网进行了第二次抽测；2004年11月，设计院完成了对洞外控制网的第一次全面复测。两次抽测及一次复测成果均表明整体施工控制网的布设精度满足规范要求。

(2) 洞内控制网的选择

由于隧洞具有长且宽度窄的特点，本估算拟采用支导线将基本导线点布设在隧洞两侧。设定估算时洞内基本导线边长选定为50 m，由于受洞内照明、烟雾、粉尘等诸多客观条件的限制，选此基本导线的边长略显保守，当然如上述条件得到很好的改善，基本导线的边长可能会更长一点。这样横向贯通的误差就会更小一点。

5. 导线点的布设

(1) 基本导线点的布设

基本导线点的位置要求选定在洞两侧坚固的基岩上，在基岩上浇筑一个混凝土平台，作为基本导线点的标石，平台高于周围基岩5～10 cm，中间布置一根不锈钢锚筋，锚筋入岩20 cm，外露头0.5 cm作为点位标志，上有护盖，以防控制点在施工中被破坏，其埋设方法见图2。

图2 基本导线点埋设示意图

(2) 施工导线的布设

洞内贯通导线点将根据洞内实际情况，选在隧洞中心线上，为了进行检核，将洞内导线布设为狭长的多环导线，且依据洞内通视条件，尽可能布设为边长大致相等的长边导线，并要求直线地段边长不能小于300 m，曲线段边长不能小于80 m。

洞内施工导线点的布设(施工放样用)主要用于指导施工，间断性地延伸洞轴线，将在基本导线的基础上加密，每隔50 m左右选埋一点。同时，根据洞内实际情况，布置形式可灵活机动，间隔几点与基本导线点重合，施工导线点由上一个基本导线点施测，注意校核。

高程标石与基本导线点标石合一，以光电测距三角高程方式和基本导线点同步观测。各级导线均明确编号，在现场洞壁上做有明显的标记，便于寻找使用；导线点成果均计算出其桩号及偏离值(工程坐标)，现场施工中视情况加以考虑和改正。

6. 估算公式

由于影响隧洞的贯通，主要是横向贯通误差及竖向贯通误差，因此本次估算只对横向及竖向贯通误差进行估算。

1) 洞外控制横向贯通误差估算所采用公式为

式中，myβ为因测角误差而产生在贯通面上的横向中误差，单位为mm；myl为因量距误差而产生在贯通面上的横向误差，单位为mm；mβ为导线测角中误差；ml/l为导线边长相对中误差；Rx、dy分别为导线(环)点至贯通面的垂直距离和投影长度；n为测量组数。

2) 洞内导线测量控制对横向贯通误差的影响为My2，其计算过程及方法同上。

3) 洞外、洞内控制测量对横向贯通面中误差总的影响为

4) 洞外和洞内高程测量误差，对竖向贯通的影响，按下式计算

三、结束语

综上所述，该工程属超长、大直径隧洞，还有较长一段为软弱围岩，存在断层破碎带等不良地质问题，再加上大直径TBM掘进机易使其在掘进过程中发生刀盘下沉等问题，使TBM掘进方向不易控制。因此，要保证其施工掘进贯通的测量精度符合要求有较大的技术难度，这也使得TBM掘进方向测量控制技术成为该工程的施工关键技术之一。搞好这项技术的研究对保证超长及软弱围岩隧洞的施工掘进贯通精度，保证该重大输水工程能按期、高质量、顺利地完成是非常重要的，对今后我国长大深埋隧洞TBM施工也可提供宝贵经验和实践指导。

如此长大深埋隧洞的TBM施工测量和掘进方向控制在我国还属首次，在国内外其他类似工程的施工中都很少见。我国的“引黄工程”中采用了双护盾TBM施工，控制长度也很长，为89. 5 km，但工程的施工主要由国外承包商为主来承担，我国工程技术人员并没有掌握掘进方向测量和控制的核心技术。虽然秦岭Ⅰ线隧道(18.45 km)、桃花铺Ⅰ线隧道 (7.234 km)和磨沟岭隧道(6.114 km)均为我国TBM自主施工的项目， 在掘进方向施工测量控制方

面积累了一些经验和一定的技术成果，但其技术还需作更进一步的完善和创新。同时，本工程所用TBM直径8 m，属于大直径掘进机，调向技术难度也大，需要创造性探索。采用大直径、超长隧洞的施工测量技术、TBM掘进方向测量技术和调向技术仍然是TBM施工技术的重要研究课题。经本工程实践，洞外采用GPS网控制、洞内采用高精度导线测量与TBM激光导向系统相结合是TBM掘进方向测量控制技术的重要发展趋势。

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