青草沙岛域段隧道贯通控制测量技术研究

邹锟

摘  要：青草沙岛域段隧道工作井深度大、圆弧多，贯通测量难度较大，本文首先对本工程分析了控制测量中每个环节的设计精度。以1-2井东线地下导线的实际测量数据为例，通过各种导线分析方法，判断出1-2井东线导线的测量成果中的问题，并证明地面GPS控制测量和地下导线联系测量的完成和偏差均符合设计要求。文末提出保证隧道控制测量精度的几点措施，保证了剩余隧道的横向贯通误差控制在±50mm之内。

关键词：横向贯通误差  竖井联系测量  精度分析  质量控制

中图分类号：U452.1           文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）07（c）-0029-04

Abstract： The tunnel working well in Qingcaosha island area has a large depth， many arcs， and it is difficult to make through survey. Firstly， this paper analyzes the design accuracy of each link in the control survey of the project. Taking the actual measurement of the underground traverse data of the east line of well 1-2 as an example， through a variety of traverse analysis methods， it is concluded that the connection survey of the east line of well 1-2 has obvious deviation， while the underground traverse survey and the ground GPS have obvious deviation conclusion that the control measurement meets the design requirements. Finally， the measures to ensure the accuracy of the tunnel control survey are put forward， which can ensure that the transverse through error of the other sections of the tunnel is within 5cm.

Key Words： Horizontal penetration error; Shaft connection measurement; Accuracy analysis; Quality control

青草沙岛输水管道工程位于长兴岛，是连接长江过江原水管道工程与上海青草沙水库的重要设施。项目起于青草沙水库大坝的闸门，至长江原水交叉管井。其中，主体工程隧道内径为Φ5500mm，外径为Φ6400mm。包含过江管岛域工作井[1号井]，盾构中间风井[2号井]以及水库出水输水闸井[3号井]，东线和西线共计4个盾构隧道区间长度分别为2.5km和2.8km。1号井（竖井联系测量井）深36m，净宽21m。其中1号井至2号井区间轴线有多个不同曲率半径的圆弧，且均位于盾构推进起始端的1km内，采用由我国自主研制生产的外径6.62m盾构机，隧道洞门圈直径为6.8m，与盾构机外径空隙为90mm。由于隧道工作井深度较深，所以使测量工作非常困难。本项目测量的横向贯通误差为《城市轨道交通测量规范》中规定的±50mm。隧道贯通误差预设组成为：（1）地面控制测量误差m1为±25mm;（2）竖井联系测量值误差m2为±20mm;（3）井下导线测量误差m3为±30mm;（4）盾构机姿态测量误差m4为±20mm;（5）洞门圈中心测量误差m5为±10mm，5个部分。

1  控制测量环节设计精度分析

由于盾构机姿态测量误差、洞门圈中心测量误差为固定误差，且不具备传递性。本文主要讨论控制测量误差产生的其他主要环节，即（1）地面控制测量误差（m1）;（2）竖井联系测量误差（m2）;（3）井下导线测量误差（m3），现在根据各个误差的分解分析这些部分中的关键测量过程，确定适当的测量方式。

1.1 地面控制测量

本项目首级控制采用GPS控制网，其技术指标采用《城市轨道交通测量规范》中规定的卫星定位控制网的主要技术指标和基本技术要求，其中平均边长不小于2km、最弱点的点位中误差不超过±12mm、相邻点的相对点位中误差不超过±10mm、最弱边的相对中误差不超过1/100000、与现有城市控制点的坐标误差不大于50mm，保证了地面控制网测量产生的误差对最终贯通误差的影响值控制在±25mm之内。

1.2 竖井联系测量

竖井联系测量包括将两根钢缆悬挂在轴上，并确定钢缆与轴上控制点的距离和角度，以便计算出轴的坐标、钢丝的坐标以及它们之间的方位角。众所周知，可以通过测量和计算獲得地下导体点的坐标和方位角，如图1所示。井下标点的初始位置为：

如图1所示井上测量值为：W，γ，α，b，c。α由计算得到，井下相同。

实际测量时，由于γ角是近似0°的角，而必需控制在1.5以内，因此α角也近似0°，则cosγ≈1，cosα≈1，代入上式并顾及，得：

按照误差传播定律，测距误差及测角误差为影响α角精度误差的两个部分：

取本项目近似数据，γ值取30′，c值取20m，取0.5，ms取1mm，则可得mα1=0.1"，由此可得α角的误差值主要取决于γ角的测角精度，而受测距误差影响很小。如设测距误差忽略不计，则：

设由于竖井联系测量造成的井下起始边方位中误差为m2α（即A'M'边的方位中误差），则可得·ρ=1.65"（其中m2值取±20mm，L值取2.5km）。设竖井联系测量中测角中误差为m2β（即γ角的测角中误差），则可根据误差传播定律、式（2）及式（6）可得：

按照以上分析可以看到，在竖井联系测量中，水平角观测必须按照国家《精密工程测量规范》中二级测角控制技术之要求施测，才能达到竖井联系测量的预设精度要求，即测角中误差不得大于±0.71"。

1.3 井下导线测量

在井下导线测量中，以目前采用的高精度全站仪精度水平，在保证导线长度、测量环境（无高温、振动影响）、通视良好的情况下，测距误差较小，且主要为纵向误差的产生，因此本文对井下导线测量中测角误差对横向贯通误差的影响进行分析。

支导线端点横向误差mu1公式为：

式中m3β为井下导线测角中误差，根据实际工况L值为导线总长度，取2.5km，n为导线条数取15，mu1取井下导线贯通横向误差设计值±30mm，得：

按照以上分析可以看到，在井下导线测量中，水平角的观测也必须按照国家《精密工程测量规范》中二级测角控制技术之要求施测，才能达到井下导线测量的预设精度要求，即测角中误差不得大于±0.71〞。

2  实测数据分析

实际施工中1号井至2号井区间东线率先贯通，盾构机到达2号井时，实测的横向贯通误差87mm，可以看出贯通过程中侧向偏移较大（洞门预留间隙为90mm），因此盾构机吊拆之后，将1号井至2号井区间东线井下导线K1～K16连接至2号井的井下起始边K2-1～K2-2以形成附合導线（总长度约为2.5km）进行复测，并分析误差。连接的导体上总共有18个点，点号为K1～K16，K2-1，K2-2，其中K1～K2是1号井东线井下导线起始边。K2-1～K2-2是2井的井下导线起始边（即2号井～3号井区间东线的起始边）。

2.1 附合导线数据分析法

将K2-1～K2-2及K1～K2设定为起始边，以附合导线线路方式对导线进行平差计算，得到附合导线角度闭合差为11.7"。设角度闭合差为△β，其计算公式为：

假定附合导线两端起始边由于竖井联系测量引起的方位中误差相同，均为mα起·ρ=1.65''则可得mα起;地面控制测量造成的角度闭合差设为mα控，则可得mα控·ρ=2.06";因此，如井下导线角度测量的设计最大中误差m3β=1.1"，则可得导线角度闭合差中误差，=5.39"而根据前文对该导线的平差计算，实际角度闭合差为11.7"，大于2m△β，由此判断导线中必定存在较大的误差。

2.2 支导线数据分析法

按照上述判断导线中存在较大的误差，分析有两个可能的误差原因：（1）导线两端方位角由于竖井联系测量而存在起始误差;（2）井下导线测量中产生的累积误差。利用导线一端的起始边，应用支导线方式分别计算另一端点的坐标并得出坐标差，分析并确定导线中最大误差的来源。如导线两端实际坐标差相近，在两条起始边方位角的精度相等且在设计误差范围内，那么如果最大误差主要来自井下导线测量中产生累积误差，否则可以判定为起始边方位角存在重大误差。计算结果如下：

从表1结果可以判断，导线起始边K1～K2存在明显的误差。由此可以初步判断在1号竖井联系测量中得到的成果井下初始边方位角存在较大误差，同时也证明了，地面GPS控制测量成果、2号井竖井联系测量成果（起始边K2-2～K2-1方位角误差）及井下导线测量成果均符合预设精度要求。而此处坐标差也可以等同为该区间最大横向贯通误差。

2.3 无定向导线数据分析法

假设固定导线中K2-1及K1点的坐标数据，分别并以无定向导线方式进行复算，得到的井下导线起始边方位角与提供成果的方位角对比差值如表2所示。

从表2中方位角差值结果亦可以判断K1～K2起始边存在明显误差，从而得到前述结论。

3  贯通精度控制措施

除去盾构机姿态测量误差、洞门圈中心测量误差为固定误差外，地面控制测量、竖井联系测量和井下导线测量是隧道贯通测量中的主要环节。地面控制测量由于目前GPS技术已经成熟，只要按照相关技术指标进行施测，不容易出现明显的误差或粗差，所以，以当前的设备及技术水平，地面GPS控制测量对隧道贯通误差的影响值远小于25mm。而井下导线测量环节中，借助目前高精度全站仪和自动观测技术，实际测量中，地下导线测量误差对贯通误差的影响值也易于控制在30mm左右。

技术难点主要集中在竖井联系测量环节，由于井深较大，井口较小，全手工观察以及环境变化等因素而难以控制。竖井联系测量控制质量成为影响隧道贯通进度的最重要环节。在该项目1号井至2号井区间东线贯通后，在其余三个区间的竖井联系测量中（见表3），采取了以下质量控制措施：

减小的比值，充分利用竖井宽度增加c值距离。

优化钢丝，钢丝直径须小于0.5mm，重锤质量大于10kg，稳定液的稠度适中确保锤体摆动自由。

钢丝悬架应牢固，不晃动，测量时施工暂停，禁止重型机具、车辆移动。保证各测量点通视条件。

选择最佳的观测环境，避免风、雨、强光影响及强烈温差变化。

内三角计算结果偏差控制在2″之内，上下钢丝间距偏差控制在1mm以内，确保单次联系测量的内角附合。

隧道贯通前增加竖井联系测量次数，以3″为合格成果标准，合理加权平均处理后采用。

竖井联系测量中细节的优化，显著提高后续区间竖井联系测量的精度，使得隧道横向贯通误差也都在设计允许范围之内。

4  结语

本文通过实际工程数据分析了影响隧道横向贯通误差的控制测量的各个方面。通过对1号井～2号井区间东线的实际井下导线数据采用多种导线数据分析方法得出由于竖井联系测量出现较大偏差导致最终贯通误差较大，同时也判断出井下导线测量和地面GPS控制测量结果均达到设计要求。总结了改善的措施及方法，提高了后续竖井联系测量精度，最终保证了本项目其余隧道区间的横向贯通误差在±50mm之内。

参考文献

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