水利工程的長隧洞貫通測量方法
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摘要：本文根據(jù)水利工程隧洞貫通誤差值的最新規(guī)范要求，分析了隧洞貫通測量誤差的主要來源及減小誤差的方法，結合工程案例對隧洞貫通測量的測量方案、測量儀器、誤差值估算等方面進行了研究，對隧洞貫通測量的技術設計及施工放樣有一定的借鑒作用。
關鍵詞：水利工程；長隧洞測量；貫通誤差
0引言
水工隧洞是水利工程建設中為滿足導流、泄洪、灌溉、引水、排沙等需要修建的水工建筑物。按用途可分為引水洞，導流洞，泄洪洞，排沙洞，放空洞等。隨著中、大型水利項目的開工，越來越多的長大水工隧洞被相繼開挖，而測量工作是水工隧洞順利貫通的重要保障。在設計階段，要進行洞外控制網(wǎng)的布設；在施工階段，要復核原有洞外控制網(wǎng)是否滿足貫通要求，隧洞開挖時要布設隧洞內(nèi)的施工控制網(wǎng)。目前，涉及水利工程隧洞測量的規(guī)范[1、2]一般只對相向開挖長度介于0~20km的隧洞貫通精度進行了規(guī)定，如長度超出20km的隧洞則要求單獨做控制測量技術設計，而新的《水利水電施工測量規(guī)范》[3]（SL52-2015）對相向開挖長度0~50km的隧洞貫通測量極限誤差值做出了明確要求，并對相向開挖長度0~50km的水工隧洞貫通中誤差值進行了分配。本文根據(jù)水工隧洞測量新技術、布網(wǎng)新方法，就減小貫通誤差影響進行了研究，并結合工程實例對新規(guī)范中貫通中誤差值的分配進行了驗證。
1隧洞貫通誤差
1.1隧洞貫通誤差的來源
目前，隧洞洞外平面控制測量一般采用GNSS網(wǎng)取代傳統(tǒng)的導線網(wǎng)及三角形網(wǎng)，洞內(nèi)平面控制測量一般采用導線網(wǎng)或邊角網(wǎng)；洞內(nèi)、洞外高程控制測量，一般采用精密電子水準測量或光電測距三角高程測量進行。隧洞測量時，由于受地面、地下控制測量誤差的影響，使得隧洞貫通面的中線與設計產(chǎn)生偏移，即產(chǎn)生貫通誤差。隧洞的貫通誤差包括橫向、縱向及豎向三個方向的貫通誤差。按來源環(huán)境又分為洞外貫通誤差及洞內(nèi)貫通誤差。縱向和橫向貫通誤差主要由洞外GNSS網(wǎng)誤差、聯(lián)系測量誤差及洞內(nèi)導線測量誤差引起。其中，縱向貫通誤差主要由洞外的GNSS網(wǎng)測量及洞內(nèi)的測距引起，對工程貫通影響不大，也能較好地控制，本文不做分析。豎向貫通誤差主要由采用精密電子水準測量時水準儀的精度、大氣折光等因素引起或采用三角高程測量時的照準誤差、折光系數(shù)誤差及地球曲率影響引起，由于水工隧洞的特殊性，如豎向誤差超出限差，會引起水流變緩或出現(xiàn)倒坡，導致隧洞的過流及承壓發(fā)生改變，甚至使隧洞不能順利貫通。橫向貫通誤差主要由洞外GNSS網(wǎng)測量、聯(lián)系測量及洞內(nèi)導線測量引起，主要誤差有測距誤差、測角誤差、垂線偏差、對中誤差及旁折光誤差。其中，測距誤差對橫向誤差影響極小，測角誤差和對中誤差對橫向誤差影響較大，隧洞的主支洞高差較大時，垂線偏差對方位角有影響，而氣象因素引起的旁折光對控制網(wǎng)的橫向誤差也有一定影響[5]。
1.2隧洞貫通誤差值得確定
一般情況，根據(jù)隧洞相向開挖長度（包括支洞長度）來確定橫向、縱向及豎向相應的貫通中誤差值的大小[3]，最新的《水利水電施工測量規(guī)范》（SL52-2015）是國內(nèi)首個對長度超過20km的隧洞貫通精度做出明確要求的規(guī)范，給出了相向開挖長度50km以下水利工程隧洞貫通容許誤差值的分配。如相向開挖長度大于50km的隧道則需做專門技術設計。當在主斜洞內(nèi)貫通時，縱向誤差按橫向誤差值的大小確定，對于上下兩端相向開挖的豎井，其極限誤差值不超過±200mm。橫向和縱向貫通容許極限誤差取值相同，豎向貫通要求極其嚴格，極限誤差值為橫向及縱向貫通極限誤差值的三分之一左右。進行隧道貫通測量設計時，一般取極限誤差的二分之一作為貫通面上的貫通中誤差。在《水利水電施工測量規(guī)范》（SL52-2015）中，根據(jù)隧洞相向開挖的長度，橫向、豎向及縱向的貫通容許極限誤差值和貫通測量中誤差值按權函數(shù)法進行分配并做了適當?shù)恼{(diào)整[6]。地面、地下及貫通面的中誤差分配值滿足式（1）：M貫通面=±M2地面+M2地下姨（1）如顧及聯(lián)系測量時，則貫通面的中誤差分配值滿足式（2）：M貫通面=±M2地面+M2聯(lián)系+M2地下'姨（2）
1.3減小貫通誤差影響的方法
對于洞外GNSS網(wǎng)，通過優(yōu)化控制點布設、采用雙頻三星接收機、進行星歷預報、增加觀測時段、增長觀測時間和利用精密星歷解算等措施，可大大減小洞外GNSS網(wǎng)對橫向貫通誤差的影響[6]。水工隧洞斷面一般較小，測量時要面臨高溫、高壓、高濕度及多粉塵的影響，洞內(nèi)平面控制只能布設成邊長短而狹長的導線網(wǎng)，測量時可通過增加照明度、通風降塵、保持儀器干燥、嚴格規(guī)范操作、增加檢核條件等方法減小貫通誤差影響。操作儀器時，每站限差檢核合格后再搬站。為增加檢核條件，洞內(nèi)平面控制網(wǎng)可布設為洞內(nèi)交叉雙導線網(wǎng)或自由測站邊角交會網(wǎng)；布點時盡量避開洞壁側邊，減小旁折光的影響。聯(lián)系測量時洞外高等級控制點至少有一點與洞內(nèi)通視，高差不要相差太大，定向邊應有足夠的長度，以減小洞內(nèi)橫向貫通誤差的影響。為避免施工的影響，洞口的控制點應布置在不受施工影響的位置，并埋設強制對中觀測墩。洞內(nèi)導線點分別埋設貫通用的基本導線點和放線用的施工導線點，基本導線的邊長應盡量的長且近似相等，施工期間應定期檢核基本控制點的精度。當隧洞單向開挖長度大于8km時，加測陀螺方位角能減小橫向誤差的影響[3]。光電測距三角高程觀測時，采用對向觀測，能有效的消除球氣差的影響；往返測選取氣象條件相近的時段進行，能削弱大氣折光的影響。
2應用實例
2.1工程簡介
蒙自市楊柳河引水隧洞工程位于蒙自市鳴鷲鎮(zhèn)，地理位置為東經(jīng)103°33′~103°40′，北緯23°25′~23°28′，隧洞全長9.88km，隧洞軸線平均高程1830m，洞內(nèi)設計坡比1/1000，隧洞穿越區(qū)地形復雜，植被茂密，最高海拔2030m。云南省紅河州水利水勘察設計研究院承擔了該工程的勘察設計工作，通過該工程引水入菲白水庫，為蒙自市城區(qū)供水提供保障。
2.2洞外平面控制測量
引水隧洞坐標系統(tǒng)采用獨立平面直角坐標系，投影面為隧洞平均高程面，中央子午線采用過測區(qū)中央的子午線103°35′。洞外平面控制測量采用GNSS測量，施測等級按三等進行，儀器采用南方測繪S82-T型GNSS雙頻接收機，靜態(tài)標稱精度為5mm+1ppm，滿足《水利水電工程測量規(guī)范》（SL197-2013）[4]要求的10mm+5ppm技術要求。洞外控制網(wǎng)布設在滿足精度要求時主要考慮網(wǎng)型的可靠性，作業(yè)效率，施工階段方便對洞外控制點的使用及聯(lián)測[7]。GNSS控制點選在土質堅實，視野開闊，遠離高壓線，便于加密、交通便利的地方。洞口控制點滿足導線測量進洞引測需要，視線距障礙物的距離不受旁折光的影響。靜態(tài)觀測時，先檢查接收機，進行儀器的自測試，每站記錄測站名，儀器編號，天線高及觀測時間等信息，同步觀測時間長度大于90分鐘。在GNSS控制網(wǎng)基線解算前，先進行外業(yè)數(shù)據(jù)質量的檢查，再進行基線解算；基線解算合格后，進行無約束平差及約束平差計算；最后進行精度分析與評定[8]。該工程根據(jù)地形條件采用邊連式共布設12個GNSS控制點，網(wǎng)中共有32條基線參與平差計算，閉合環(huán)最大節(jié)點數(shù)為3個，閉合環(huán)總數(shù)32個，其中，同步環(huán)總數(shù)20個，異步環(huán)總數(shù)12個。二維網(wǎng)約束平差后最弱邊相對中誤差1/362607，精度滿足《水利水電工程測量規(guī)范》（SL197-2013）中小于1/80000的要求；對于近10km長的隧洞，對貫通誤差的影響值中誤差為10km×1/362607=±28mm，小于規(guī)范要求的±30mm，且控制網(wǎng)中其它邊的精度均高于最弱邊相對中誤差，因而洞外GNSS控制網(wǎng)對貫通誤差影響值中誤差要小于±30mm。
2.3洞內(nèi)平面控制測量
洞內(nèi)平面控制測量基本導線布設為交叉雙導線網(wǎng)，控制網(wǎng)的等級按三等施測，儀器采用徠卡TS09型全站儀進行，測角標稱精度為1″，測距標稱精度1.5mm+1.5ppm。觀測時，角度至少進行2～3次重復觀測，每次照準讀數(shù)差小于4″；角度測回數(shù)為6個，一測回讀數(shù)較差小于3mm；邊長進行往返各2次測量，往返較差小于5mm，滿足測角中誤差小于1.8″，導線平均邊長相對中誤差小于1/150000的技術要求。洞內(nèi)三等導線網(wǎng)橫向貫通誤差估算按下列公式計算[3、9]：MY=±（m2Yβ+m2Yl姨）/n（3）其中：mYβ=±m(xù)β/ρ∑R2x姨mYl=±m(xù)l/l∑d2y姨式中：mYβ———由于測角誤差所產(chǎn)生的在貫通面上橫向中誤差，mm；mYl———由于測距誤差所產(chǎn)生的在貫通面上橫向中誤差，mm；mβ———導線測角中誤差，（″）；Rx，dy———導線各點至貫通面的垂直距離和投影長度，m；ml/l———導線邊長相對中誤差；n———獨立測量次數(shù)。該工程為直線型隧洞，中誤差估算時洞內(nèi)平均導線邊長按500m計，洞徑為3m，設貫通面位于隧洞中間，采用交叉雙導線對橫向貫通的誤差影響值可按單導線的1/姨2計，把數(shù)值代入上式計算得洞內(nèi)橫向貫通中誤差為±52mm，小于規(guī)范要求的±75mm。從上面計算中可得，對于直線型隧洞，測距對橫向貫通的影響可忽略，橫向誤差主要誤差來源是測角的影響。如要減小測角引起的貫通中誤差，可從增加導線邊長、增加獨立觀測次數(shù)、采用更高精度測量儀器等方面進行。該工程在施工階段，設計方對施工方進行了技術指導，并在臨近貫通面時進行了洞內(nèi)外控制點的復測、聯(lián)測及統(tǒng)一平差，隧洞貫通時貫通面中誤差小于規(guī)范容許值的要求。
2.4高程控制測量
由于該工程地處高原、地形復雜，洞外，洞內(nèi)高程控制測量采用三等光電測距三角高程測量代替水準測量[3、4]。洞外測量路線滿足交通便利、盡量利用平面控制點，洞內(nèi)高程控制點與平面控制點共用。測量時，采用對向觀測方法進行，以消除大氣折光和地球曲率對高差的影響。平差計算時，要進行氣象、邊長投影、邊長加乘常數(shù)等項改正。洞外，洞內(nèi)高程測量誤差對豎向貫通誤差的影響按下列公式計算[3、5]：Mh=±（m2h外+m2h內(nèi)姨）（4）其中：mh外=±MΔ姨L外mh內(nèi)=±MΔ姨L內(nèi)式中：mh外，mh內(nèi)———洞外、洞內(nèi)高程測量中誤差；MΔ———洞外、洞內(nèi)每千米高差中數(shù)的中誤差；L外，L內(nèi)———洞外、洞內(nèi)兩洞口間的線路平距長度，km。該工程洞外高程控制測量平距長度為12km，洞內(nèi)高程控制測量平距長度為10km，三等每千米高差中數(shù)中誤差為6mm，代入上式得洞外豎向貫通中誤差mh外=±20.8mm，洞內(nèi)橫向貫通中誤差mh內(nèi)=±19.0mm，豎向貫通中誤差Mh=±28.2mm。其中，洞外豎向貫通中誤差值稍大于容許值±20mm，但小于容許極限誤差值±40mm，所以，洞外、洞內(nèi)高程控制測量可用光電測距三角高程測量代替相應等級的水準測量進行。
3結束語
水利工程隧洞貫通測量是按設計的要求，將洞外控制點引測至洞內(nèi)，并按照貫通誤差的估算，在建立地面和地下平面及高程控制網(wǎng)的前提下進行施工放線及指導施工開挖。由于采用GNSS技術，測量精度有了很大的提高，洞外平面控制點數(shù)量大大減少，使得洞外控制測量誤差引起的貫通誤差也相應減小。在嚴格控制洞外平面控制測量精度的前提下，洞內(nèi)平面控制測量對于隧洞的順利貫通起決定性作用。高程控制測量采用光電測距三角高程測量代替三、四等水準測量，在山區(qū)及復雜地形條件下能較好的提高工作效率。結合新規(guī)范要求在工程實例中進行水利工程長隧道誤差值的估算，對隧洞貫通測量的技術設計及施工放樣有一定的借鑒作用。
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作者:向垂規(guī) 李有華 單位:云南省紅河州水利水電勘察設計研究院