提高隧道洞内导线测量精度的方法

提高隧道洞内导线测量精度的方法

郭琪

北京市首发高速公路建设管理有限责任公司 北京 101100

摘要：本文根据现场实际操作总结而来，主要阐述了几种产测量误差的原因，并针对性的论述规避以上误差的方法以及原理，结合本人的工作经验，内容涵盖了测量工作中的准备工作、点位布置、对中整平、以及平差分析等环节的注意事项，供大家参考。

关键词：长大隧道、测量、洞内导线

1 引言

1.1 隧道施工测量现况

我国隧道施工测量技术现已趋于成熟，现代化高精度测量仪器的应用也十分广泛，然而在长大隧道施工中，想使洞内掌子面贯通误差远小于规范要求却并不容易做到，在实际测量工作中有许多容易被忽略掉的细节，而这些细节恰恰是成败的关键，鉴于洞内导线测量的重要性，结合延崇高速第九标段(北京段）工程松山隧道洞内导线测量的情况，对长大隧道洞内导线测量中遇到的细节问题进行分析，并总结几点提高隧道洞内导线测量精度的方法。

2工程概况

延
崇高速主体为松山隧道，松山隧道总长9.2公里，为双线隧道，其中北京段隧道长度4.6公里，河北段隧道长4.6公里，对向掘进施工。设斜井三处， 示意图如下：

由于总体长度长，穿越山岭且地形复杂，导致控制测量难道系加大，任务繁重，且北京段和河北段是由不同的设计院进行设计和交桩，两家中标单位分别施工，这又给施工单位的控制测量工作带来了更大的难度和挑战！为了使贯通误差在规范要求之内，我标段多方吸取经验，并在实际测量操作中采取了许多减小误差方法，并得到了一定的成效。

松山隧道北京段2#斜井与河北段1#斜井最大贯通长度L_G =900+900+3563=5363m，按照规范中规定当3000m≤L_G＜6000m时对应测量等级为三等。横向贯通中误差应小于等于±80mm。

2.1 准备工作

（1）提高测量精度第一要素就是仪器本身的精度，即标称精度，本项目使用的全站仪为徕卡TS09plus-500，测角精度为1″。为摩擦制动的一类测量仪器。但我标段洞内环境极其恶劣，二号斜井掌子面岩层水系分布较多，每天大概产生3万方裂隙水，就像水帘洞一样。考虑隧道洞内，水蒸气、施工机械尾气、岩层中的有害气体，加之长大隧道工期一般都在两年以上，而全站仪的横轴是无法封闭的，在测量作业时空气中的水蒸气、含油脂的汽车尾气会通过缝隙侵蚀横轴电子度盘，影响精度，原本1秒的全站仪通常在两年至三年之间精度会低于2秒级全站仪精度，再加上正常使用时会造成原件磨损，也会导致全站仪的测角精度和自身稳定性直线下降，针对此种情况，为了保持全站仪的性能，决定采用徕卡售后专员的建议：1在每次洞内测量结束后，要将仪器至于干燥的室内开箱放置于2小时以上，充分挥发掉侵入仪器内部的水蒸气以及含有油脂的施工车辆尾气；2每次施测之前利用仪器自身的校正功能进行指标差和标准差的调校，使仪器2c值小于2″以内、补偿器指标差保持在1.5″以内。3如果经过反复调校仍不能达到第2条的要求则应对全站仪进行一次返厂保养，包括检测仪器硬件性能是否达标、重新配置全站仪的出厂参数、各个旋转轴和制动盘之间重新上油等；4最后还不能保证精度只能更换仪器，保证测量精度。

（2）在全站仪和后视基座的整平对中过程中，应反复对中，在一侧对中整平之后要多变换角度旋转仪器，观查是否有偏中现象，如果有则应该反复调整直至最佳状态；如果脚架螺丝松弛就会导致对中基器不能准确对中，且对中之后只要稍旋转仪器就会发生仪器横轴与水平面不平行、偏中的现象，脚架如果不稳固，会大幅度影响观测精度，因此在测量之最总要的也是最容易被忽略的就是检查脚架是否紧固！开始测量之前要把脚架上的每一个螺丝都拧紧，不能让脚架有松散的感觉，同时也不要过紧，产生应力。调整脚架螺丝松紧要保证架腿稍有阻力感即可。

（3）对后视棱镜基座的对中偏心情况进行检查，通常使用的棱镜基座的对中标定误差为小于60″2mm，但这个值对于长大隧道来说还是比较大。而且对中误差属于偶然误差，没有规律，对测角的精度影响极大，在高精度测量中对中误差将成为主要的误差来源，产生误差后无法通过计算抵消，且越累积越大。所以减小后视基座的对中误差也极为重要，在开始进行导线测量之前要组织立后视基座人员进行专项培训，在操作过程中要仔细检验对中偏心误差。应将对中基座对中整平后反复旋转检测对中，一般对中之后再旋转基座都会有少量偏中，量取偏心值，小于0.5mm为合格，大于等于0.5mm则不能直接使用。如果经过反复调整旋转90°仍然存在较大的误差的要及时更换基座。降低对中棱镜的架设高度可有效减少对中器角度偏中产生的对中误差。

（4）利用仪器自身校准功能调校仪器，全站仪配置的校准功能非常强大，应经常对仪器进行校正以保持全站仪的性能和测角精度。校准功能分为标准差、指标差、补偿器指标差和竖盘倾斜，标准差可以调节仪器2c差，指标差可调节仪器竖轴和水平面的垂直度，当全站仪电子气泡不能精平时调整指调整后的标差应不大于1.5″，调整完指标差后校正补偿器指标差，调整后补偿器标差也应不大于1.5″。

（5）当隧道内空气湿度较大时会在反射棱镜表面形成一层水雾，影响瞄准，正确的做法是使用软布反复擦拭棱镜表面，直到不在形成水雾为止。

2.2 控制点布设

由于隧道工程的特殊性，隧道施工控制点布设有其独有的特点，与路基桥梁工程有很大区别，路基与桥梁工程可在施工之前一次性布设，通常采用静态或附合导线的方法。而隧道工程则是随着掌子面的深入，先在掌子面两侧拱腰处做施工转点供掌子面开挖放样，仰拱回填之后又在回填层顶面布设临时控制点，最后调平层施工完毕再在调平层上布设永久控制点，随着掌子面进尺的深入向前布设。掌子面的点只能由后方的永久控制点推算，严禁使用掌子面的施工转点作为后视点继续做施工转点。 我标段松山隧道为双线隧道，左右的设计线距离约35米，北京段主洞口的控制点为GP06、GP07、GP10，是由设计院提供的GPS点，均按照城市B级的测量标准进行观测的，中央子午线为117°高程投影面为700米。以GP06、GP07为起点向洞内进行导线测量，导线方式选用主、副导线闭合环的方法进行导线观测，最后通过车通从左洞闭合至右洞，效验最远端横向偏差。主副导线闭合环的方法具有闭合导线的优点，能够通过角度闭合差检验测角精度，通过平差分配误差提高最前方控制点的横向精准度，缺点是当隧道进尺较深时最远端的误差较大，为了减小水平贯通误差，我标段对同一条导线多次进行测量，把结果进行对比，每一次的结果都会有一点差别，但都分布与一定的范围之间，最后根据误差分布曲线的原则，采纳最近中值的导线计算结果。具体方法如图：

Z1~Z6为左洞调平层上的永久控制点,LZ8为仰拱回填面上的临时控制点，N1、N2为侧壁上的施工转点，由于N1、N2位于侧壁上，且只能采用极坐标法测得，所以此点精度较低，只供掌子面开挖和初支立架使用，二衬施工不得使用。Y1~Y6为右洞调平层上的永久控制点，LY8为仰拱回填面的临时控制点，S1、S2为施工转点，GP07、GP06、Y1、Y4、Y2为第一闭合环YI、Y3、Y6、Y4为下一闭合环，依次延续，取点号是基数的点为主导线，偶数点为辅导线，主导线既测边又测角，辅导线只测角不测边，用于计算角度闭合差。隧道每250m设有人行通横通道一处，每750m设有车行横通道一处，遇到车通时将左洞导线向右洞进行一次方位角复核测量，进一步核验导线的可靠性。点位布设距离控制在150m~240m之间，辅洞内的曲线段最小不小于70m，测量视线与障碍物之间不小于20cm，测量标志点选用不锈钢材质，严禁使用铁质及镀锌材质标志点，因为隧道内长时间的有水潮水环境会对标志点造成腐蚀，导致点位对中困难。调平层上的永久测量标志点顶面要略低于周围混凝土面，以防止十字丝或中点被施工车辆碾压。

2.3 观测方法及注意事项

（1）严格按照测量规范要求进行观测，每站测量之前输入温度、高程、气压等，开箱要静置仪器20分钟，以适应温度。如果在洞外要避免强光照射仪器，可使用遮阳伞或在阴天进行测量；

（2）每站观测8个测回，右角测4个测回之后改用左角测4个测回，每测回采用后、前、前、后的观测顺序进行观测，测距精确到0.1毫米，测角精确到0.1″，记录要书写工整、规范，当出现个别测回与其余测回互差较大时要注意观察环境是否反生变化，或者检查仪器是否平整，调整之后重新观测；

（3）每测回结束之后要检查仪器对中整平是否合格，全站仪电子气泡竖轴偏差大于2″会影响仪器2c互差和归零差，对测角精度影响也很大，因此当竖轴偏差大于2″时应停止测量，调整仪器后再测；

（4）隧道环境封闭，施工车辆尾气无法快速排开，观测视线要避免经过汽车尾气产生的热浪，且隧道内施工车辆一般自重较大，对周围扰动明显，有车辆经过时要停止测量；

2.4 测量时间

（1）由于洞内与洞外的温度、空气湿度都不同，且受光线折射影响较大，回归计算复杂，为避免出光在不均匀介质间传播产生折射，一般洞外GPS控制点与洞内导线点联测应在阴天或夜间使用手电进行测量；

（2）进入到洞里要将全站仪开机静置20min以上，一方面是使仪器与环境温度相适应，防止测量过程中由于仪器自身温度变化影响测量精度，另一方面防止仪器温度低于隧道内空气温度而在目镜处形成冷凝水，影响观测质量。

（3）由于延崇高速的特殊性，工期极度紧张，要求各施工工序负衔接，不能因为导线测量而停工，结合隧道施工的特点，即一般情况每循环转孔2~3小时，装药爆破1.5~2小时，出渣4~5小时，IV及围岩立架4~5小时，三级围岩不立拱架，喷浆3~4小时。转孔、装药和立拱架期间洞内空气较好，且无车辆扰动，宜在此期间进行测量工作，喷浆和出渣时通视情况差，空气混浊，且车流量大，不宜进行测量。每次测量之前注意先洒水除尘并提前移动干扰视线的车辆。

2.5 平差计算

（1）每次完成外业必须当天整理所观测数据，有超限或者不符合规范要求的要及时补测。

（2）由于设计提供控制点坐标的高程投影面为700米，是综合6到9标的平均高度，而我标段主体工程的设计高度在830米至910米之间，所以要把每次的测距边长度归算到700米投影面上再进行导线计算。改正值计算参考如下公式：

△h= - D+ ()² D

D——测距边水平距离(m)

Hm——测距边高出大地水准面（黄海平均海水面）的平均高程(m)；

hg——该测距地区大地水准面对于参考椭球面的高差（m）；

Rn——延测距方向参考椭球面法截弧的曲率半径（米）；

（3）由于主副导线的特点，每一站的角度都会对最远端的横向精度产生影响，而坐标增量闭合差平差后会改变已知边的方位角，因此在平差计算的过程中只进行角度的平差，不进行坐标增量闭合差的平差。

3 提高测量精度的意义

隧道贯通误差控制和超欠挖控制是隧道施工永恒的主题，长大隧道横向贯通误差超限对于一条隧道来说是毁灭性的灾难，减小长大隧道贯通面横向贯通误差一直是测量工作者不断追求的目标，也是每个隧道测量工作者最重视的课题之一，然而业内普遍关注的内容更多的是导线方法的选择，而关于细节的探讨却不多，容易被人忽视，本文结合延崇高速公路（北京段）工程松山隧道的洞内导线测量工作，着重对洞内导线测量从开始准备直到结果计算中容易产生误差的细节进行了深入分析，并围绕减小贯通面横向贯通误差的主题对施工测量操作进行探讨，有不足之处还望各位前辈、同行指正批评！

参考文献

[1]刘培文.道路与桥隧测量技术.北京：北京交通大学出版社，2013.533-534

[2]CJJ/T城市测量规范.北京：中国建筑工业出版社，1999

[3]GB 50026-2007工程测量规范.北京：中国计划出版社，2007。

[4]JTG C10-2007公路勘察规范.北京：人民交通出版社，2007