长大隧道洞内平面控制网型研究

高 索

(中铁十七局集团第二工程有限公司 陕西西安 710043)

1 引言

随着我国基础建设飞速发展，特别是工程设计和施工技术的不断进步，长大隧道修建工程越来越多。为保证隧道按规定的精度正确贯通，很多单位均采用新仪器、新技术和新方法进行隧道控制测量，但隧道洞内观测条件复杂、影响因素多，仍有部分长大隧道贯通精度超限，贯通偏差过大，导致侵入建筑限界造成工程处理或废弃，出现不必要的工程损失。本文针对隧道洞内施工导线测量方法和网型进行深入研究，通过多条隧道双导线网、交叉双导线以及自由测站边角交会等方法得出的实测数据进行对比分析，结合多条隧道实际的测量方法及贯通情况，提出了最佳的洞内导线网型及测量方法，可以应运于铁路、公路、市政、水利工程等长大隧道洞内施工控制测量。

2 洞内导线测量方法

2.1 常规导线测量方法

常规隧道洞内控制导线测量方法一般采用人工照准观测记录，布设成多边形闭合环，每个导线环由4～6条边构成，见图1。长隧道宜布设成交叉双导线环，交叉双导线的点位宜前、后错位布设[1]，见图2。

图1 多边形闭合环导线示意

图2 交叉双导线环示意

由于测量速度慢、人工干预多、隧道洞内观测条件差、影响因素多，导致测量精度低。常规测量方法在长大隧道导线测量中已很少应用。

2.2 导线测量新方法

随着测量机器人的普及，长大隧道大多采用测量机器人自动采集数据，利用专业软件进行严密平差，测量速度快、观测数据质量高[2]。主要网型采用双导线网，见图3。也可以交错剔除靠近隧道壁的一条边形成两种交叉双导线，相当于与双导线网同条件下实测的两条交叉双导线。

图3 双导线网示意

近年来，随着铁路轨道控制网CPⅢ测量技术的日趋成熟，自由测站边角交会方法的CPⅢ布网方式也应用在隧道导线测量中[3-6]，点对间距一般为200～300 m，布网方式见图4。相关文献及规范中均叙述了隧道贯通后CPⅡ加密采用自由测站边角交会的方法施测，但在隧道施工过程中很少提及或缺乏实际工程验证。本文主要针对该方法与双导线法进行试验验证及精度进行研究，论证隧道施工导线测量的最优方法。

图4 自由测站边角交会导线网示意

3 验证比较分析

3.1 交叉双导线与双导线网比较分析

选择3段洞外GNSS控制网精度好且已贯通隧道CPⅡ双导线网测量成果，以两端约束闭合良好的成果为基准进行比较分析。完整的双导线网左右间隔剔除一条直线边形成交叉双导线，可以生成左起和右起(简写ZQ和YQ)两种交叉双导线，见图5。

图5 两种交叉双导线示意

双导线网(简写SD)和两种交叉双导线(简写ZQ和YQ)均以导线一端相同起算点进行约束平差，导出成果表进行分析比较，列出最远端相同最弱点位的不同网型间的成果坐标较差，见表1。

表1 不同网型最弱点位坐标较差

通过比较，很明显看出各种导线最弱点偏差随隧道长度增大而变大，且左起和右起导线相同点位的偏差较大，为两偏差之和；而左起和右起导线平均偏差很小，说明两项平均坐标值接近双导线网的实测坐标。若采取交叉双导线测量网型，左起或右起导线偏差一大一小，很难选择成果，也无法判断哪个成果精度更高。故在各项限差合格的情况下，证明双导线网精度比较可靠。

3.2 自由测站边角交会导线网与双导线网对比分析

(1)坐标及横向贯通偏差比较

选取相当长度的双导线网及自由测站边角交会导线网(简写ZYCZ)实测数据进行横向贯通偏差比较分析[7-8]。

选取的3条隧道相向开挖长度分别在L＜4 km、4≤L＜7 km和7≤L＜10 km三个区间范围内，按铁路工程规范标准，洞内贯通中误差分别为40 mm、50 mm和65 mm，贯通限差为2倍的中误差。

双导线网及自由测站边角交会导线网(长隧道采用相同段落CPⅢ实测数据代替)分别以进、出口端稳定的控制点作为起算点进行约束，取中部贯通点基本相同里程进行坐标比较和横向贯通偏差比较，见表2。

表2 双导线网和自由测站边角交会导线网比较

从表2可以看出，自由测站边角交会导线网随着隧道增长，坐标较差和横向贯通偏差也越大，自由测站边角交会的横向偏差约为双导线的2倍，终点端存在比较严重的摆动现象，导致横向贯通误差超过隧道净空富余量，侵入隧道建筑限界。两端极端综合影响，可能导致隧道横向贯通误差超限，会造成线路中线调整，在隧道掘进过程中不宜采用。

(2)点位精度

统计3条隧道双导线网及自由测站边角交会导线网分别按一端约束和两端约束平差后的点位精度最大值，见表3。

从表3可以看出，自由测站边角交会导线网一端约束最大点位精度偏大，双导线网精度稍小一些；两端约束最大点位精度在中部，比较小，所以两种网型用在两端约束洞内CPⅡ导线测量中可行。说明一端约束引起的横向贯通误差大，隧道施工掘进阶段的洞内控制导线不宜采用自由测站边角交会方式，而贯通后轨道控制网CPⅡ加密导线可以采用自由测站边角交会方式。

表3 最大点位精度

3.3 工程实例

沪昆、西成、宝兰、太焦、大张客专，广大、蒙华、浦梅铁路，引汉济渭、四平水利引水洞及西安机场线(西安机场线盾构区间单向掘进2.9 km，加上车站长度，单向控制超过3 km，故按长大隧道算。虽然区间曲线半径小，平均边长只有120 m左右，但出洞贯通偏差仅为8 mm)等多条长大隧道洞内施工控制均采用自动观测软件按双导线网进行施测，目前所有隧道均已准确贯通，贯通精度优良。列举几条代表性隧道的贯通情况，见表4。隧道贯通偏差均按段落贯通长度考虑，未采用整个隧道长度考虑限差。

表4 贯通情况统计

从表4可以看出，所有隧道横向贯通误差均满足规范要求，测量方法合理。

近年来，公司承建所有长度超过3 km的隧道，均采用双导线网的方式进行数据采集。只要洞外控制网精度好、洞口布网合理，采取强制对中等必要的加强手段，导线测量精度满足规范要求，贯通偏差都比较小。

由此证明双导线网测量精度满足长大隧道贯通精度要求，施工过程中定期复测检核也是保证数据可靠性的基本条件。

4 控制网网型分析

4.1 自由测站边角交会导线网

(1)从数据验证中可以看出自由测站边角交会导线测量贯通精度基本达到或超过了洞内贯通中误差，存在较严重的摆尾现象。造成较大摆尾原因分析如下:

①自由测站网中任意相邻2个CPⅡ控制点和2个CZ测站点间均没有直接联系边，组成的闭合环均是2个测站点和2个控制点间组成的四边形，见图6。所有四边形闭合环均缺少两个直接测量的较大角度的对角，而且传递均为锐角，直接点连接传递，方向不易控制，为不稳定的四边形，容易扭曲。

图6 自由测站边角交会闭合环示意

②虽然自由测站边角交会导线多余观测数较多，CPⅡ控制点布设在二衬上，棱镜采用CPⅢ标志强制对中，安装误差小，但视距相差较大，最长视距约为最短视距的3倍，点对间角度和距离测量精度不均匀，且无往返测复核，同一站左右点对偏差基本一致，易出现偏差。

③通过对多组实际数据的分析，说明自由测站边角交会若采用单向一端约束，最弱点位坐标较差和最弱点精度偏大，造成摆尾现象比较严重。

(2)自由测站边角交会导线网检核条件少，平差软件无闭合环和往返测统计。采用常用的中铁二、四院数据处理软件进行平差计算，均没有闭合环、附和导线、往返测精度统计，只显示第三边，不利于内业检核。

(3)若采用隧道两端约束，则中部最弱点精度比较小，可用于隧道贯通后的CPⅡ加密测量，但已知约束点不能过长，否则中部偏移会比较大。

(4)曲线地段特别是小半径曲线，不利于布网，曲线内侧视线离构筑物过近。

(5)自由测站在隧道掘进过程中，由于观测空气质量差、视距过长会导致观测精度差或不读数，加之施工设备材料的遮挡，自由测站不宜采用，容易造成贯通误差超限，不利于隧道准确贯通。

4.2 双导线网

(1)洞内导线贯通误差均按单导线进行预计，采用双导线网精度是单导线精度的倍，而且增加了闭合条件，精度会更高。

(2)双导线网中距离有往返测验证，每个控制点一般出现在多个闭合环中，能及时检核是否满足限差要求，超限即可进行补测。

(3)隧道掘进时布设的双导线网点一般设置在仰拱上，埋设位置要稳定，利于保护；导线点成对布设，纵向间距200～300 m，前后距离均匀，点对横向间距至少1 m以上，视线偏离构筑物至少0.3 m以上，减少折光差的影响[9-10]。若导线边太短可以采用强制对中标志，在二衬上埋设强制对中支架或在仰拱上埋设强制对中观测墩。

(4)双导线网测量对观测条件要求比较高，测量前应停工通风，减少干扰和洞内烟尘影响。

5 结束语

本文详细分析论证了双导线和自由测站边角交会导线网的精度和优缺点，证明双导线网是当前长大隧道导线测量的最优方法。自由测站边角交会导线网用在隧道贯通后的CPⅡ测量上有一定的优势，可以在水沟电缆槽没有成型即可在二衬上布设洞内CPⅡ加密网，节省隧道建设工期[11]。但在隧道施工掘进过程中不应采用自由测站方式。今后长大隧道施工过程中应采用双导线网，埋设强制对中标志及陀螺定向检核修正方位角[12-13]等方法，确保长大隧道准确贯通。