隧道盾构施工控制网布设——隧道施工控制测量研究

　　【摘要】通过3座隧道的控制测量比较及技术介绍，总结隧道控制测量经验，为隧道控制测量提供方便可行的控制测量方案。
　　【关键词】：中长隧道；控制测量；坐标系；贯通误差
　　
　　第一章隧道到工程的发展
　　
　　1．1隧道和地下工程的存在意义
　　隧道和地下工程随着我国经济和人民生活水平的提高而进一步发展和推广。隧道和地下工程已经是解决我国交通和工业的和很有前景的一门科学。
　　1．2隧道的概念
　　隧道是一种地下工程结构物，通常是指修筑在地下或山体内部，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线通过的通道。隧道一般包括交通运输方面的铁路、公路、航运和人行隧道；城市地下铁路和海底、水底隧道；军事工程方面的各种国防坑道；水利发电工程方面的各种水工隧道或隧洞等。
　　1．2．1隧道工程的概念
　　隧道工程是指从事研究和建造各种隧道的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术，它是土木工程的一个分支。
　　1．3修建隧道的目的
　　目前，大部分隧道的设置以交通运输为主要目的，穿越山岭、河流、港湾等障碍，修建地下铁道，缩短交通线路，改善线形，可提到车辆行驶速度，以获得良好的经济效益和社会效益。除此之外，在水电工程中设置各类水工隧道可实现引水、排水、通风等目的；在市政工程中，设置各类公共隧道可实现污水排放、管线铺设等目的。隧道的这些功能，决定了其一般在长度方向上有较大的尺寸，多数长度为几千米道几十千米，有的甚至更长。而横断面的尺寸则相对较小，一般仅几米到几十米。断面较小的隧道，一般不作为交通设施，仅用于污水排放和水、气管道、电缆、通讯线路等敷设用途，这些通道常常也被称为隧硐、导沟、管沟等。断面较大、长度较短的隧道所形成的地下空间，一般有其专用功能，如作为地下变电站、地下停车场、地下仓库、地下广场等。
　　1．3．1：隧道工程的优点
　　隧道之所以在近几年迅猛的发展，是因为它有独特的优点：
　　首先，利用隧道可以实现各种运输线路直线等穿越山岭而不必盘山绕岭。
　　其次，隧道还可以改善线路中的车辆运行情况和提高线路的运行能力。
　　其三，隧道是一项隐蔽在地下、水下或山体内部的重要结构。
　　其四，隧道在具有以上功能的同时，还存在有另一重要特点就是它不占据地面空间，这等于无形中增加了城市的有效面积，对于人口拥挤、道路密集、交通繁忙的城市来说，无疑是十分重要的。
　　最后，城市地下隧道的兴起，也带动了整个城市地下工程的发展。
　　
　　
　　第二章隧道控制测量前期工作
　　2．1：隧道盾构控制测量的目的
　　隧道是地下工程的一种，而矿井和巷道同样是地下工程的重要组成部分。矿井的建设和施工比隧道更困难，因为它位于较深的地下，地质条件更复杂和施工技术不完善！
　　隧道控制测量的主要目的，就是保证隧道在两个或两个以上开挖的相向施工中，使其中线符合线路平面和纵断面的设计要求，在允许误差的范围内，在满足限界要求的条件下正确贯通。多年，在隧道控制测量方向，尤其是中长隧道的控制测量，取得了丰富的测量经验，每座隧道的贯通，都取得理想的结果。现在结合已经运营的深圳梧桐山隧道、靠椅山隧道还有上海城市交通隧道的控制测量技术，介绍中长隧道控制测量方面的有关经验和体会。
　　2．2：隧道测量控制测量前的工作准备
　　由于，在隧道工程测量中一多半的工作时间都是在隧道里。但是，隧道里的工作环境一般的比较恶劣，如：光线太黑、空气恶劣、路面不平有少许暗沟等。因此，在隧道测量时的测量工作人员在上班之前必须要准备以下测量工具，强光探照灯、测量仪器和其它的辅助工具，其强光探照灯是在洞中测量中必不可少的一样。
　　在溪洛渡工程测量中每个单位用的测量仪器都不相同如葛洲坝测量队在右岸导流洞测量中用的是徕卡402、405、拓扑康502型红外线测量仪，而水电六局在左岸导流洞测量中用的是徕卡702、402、1202、等型号的红外线测量仪。在溪洛渡测量队中大部分的测量队都用的是红外线激光测量仪。以方便在洞中找点。
　　2.3:隧道盾构测量的程序及运用：
　　在测量隧道中由于时代的变化、科学的进步，我们运用的计算工具也在不断的变化。在如今我们测量工作中一般运用的是CASIO4500、4800、4850等型号的科学计算器还是一种有编程功能的计算器。
　　2.3.1：边角后方交会（1）
　　在隧洞测量时测量人员要根据现场的要求来进行编程，边角程序如：
　　边角后方交会
　　BJHFJH
　　L1ABCD：Lbl5：{KSP}
　　L2pol(C-A，D-B)
　　L3Q=90(1-K)+KSIN-1(SSINP/V)
　　L4T=W+180-P-Q
　　L6Rec(S，T):X=A+V◢Y=B+W◢
　　L7Goto5
　　说明：
　　
　　1、测边的已知点作为P1（A，B），未测边的已知点作为P2（C，D）。
　　测边对角为锐角时K=1，测边对角为钝角时
　　2、K=-1。
　　3、角度P是以测边方向为起始方向，顺时针观测另一个已知点方向的右角。
　　注：理想图形要求实测的S边相对于已知边P1P2越短越好，角P越接近180°越好。
　　
　　边角后方交会（2）
　　（Filename）9BJHFJH
　　L1ABCD：Lbl5：{KSP}
　　L2pol(C-A，D-B)
　　L3Q=90(1-K)+KSIN-1(SSINP/V)
　　L4T=W+180-P-Q
　　L6Rec(S，T):X=A+V◢Y=B+W◢
　　L7Goto5
　　说明：
　　
　　1、测边的已知点作为P1（A，B），未测边的已知点作为P2（C，D）。测边对角为锐角时K=1，测边对角为钝角时。
　　2、K=-1。
　　3、P是以测边方向为起始方向，顺时针观测另一个已知点方向的右角。
　　4、理想图形要求实测的S边相对于已知边P1P2越短越好，角P越接近180°越好。
　　以上使在测量过程中的准备条件和程序下面要说的就是具体做法。
　　2.3.2:坐标反算
　　ZBFS
　　L1AB：Fixm：{CD}
　　L2pol(C-A，D-B)◢
　　L3W＜0W=W+360
　　
　　L4lntW+0.01lnt(60FracW)+
　　0.006Frac(60FracW)◢
　　说明：
　　1、本程序用于计算直角坐标值已知的两点间的边长和坐标方位角。
　　2、起算点和目标点的坐标分别为（A，B）、（C，D）。
　　3、起算点改变时应重新调用程序以改变A、B的值。
　　4、边长值和方位角值分别自动存放在“V”和“W”中。“W”的单位为：度“°”。
　　
　　
　　2.3.3:直线断面放样程序
　　ZXFY2
　　L1Lbl0：{ABH}：ABH:POL(A-X，B-Y):
　　L2L=ICos(J-G)◢
　　L3M=Isin(J-G)◢
　　L4V=H-N◢
　　L5V=16.83W=
　　（(V-16.83)2＋M2）◢
　　Goto5
　　说明：
　　1.本程序用于计算直线段的如图断面样式的隧洞程系放样程系。
　　2.坐标A，B，H，是测算出来的坐标数据。
　　3.已知的坐标X，Y是从图纸上的起算点坐标。
　　4.J是方位角，是隧洞的轴线方向。
　　5.M是偏中，V是实际高程，W是实际测量出来的顶拱位置。
　　后方交会3HFJHCX
　　L1ABCDEF：Lbl5：{OPQ}
　　L2I=-O+P：J=Q-P
　　L3G=Abs（I/90）:H=Abs（J/90）
　　L4G=1I=I+0.01″
　　
　　L5G=2I=I+0.01″
　　
　　L6G=3I=I+0.01″
　　
　　L7H=1J=J+0.01″
　　
　　L8H=2J=J+0.01″
　　
　　L9H=3J=J+0.01″
　　
　　L10K=(A-C)+(B-D)/tanI
　　L11L=(D-B)+(A-C)/tanI
　　L12M=(C-E)+(F-D)/tanJ
　　L13N=(F-D)+(E-C)/tanJ
　　L14U=(K+M)/(L+N)
　　L15X=C+(K-UL)/(1+U2)◢
　　L16Y=D+U(K-UL)/(1+U2)◢
　　L17Goto5
　　1、本程序用于利用3个合适的已知点进行方向后方交会法计算测站坐标。
　　2、观测、计算时将3个已知点按顺时针方向对应排列，已知点的直角坐标分别为（A，B）、（C，D）和（E，F）。对应3个已知点的方向值分别为O、P、Q。
　　3、L3至L9行的作用是当两相邻方向间的夹角出现直角或平角时将导致不能计算时进行自动处理。
　　4、为提高解算精度和防止错误，宜尽可能使测站点与3个已知点组成较理想的图形，如采取测站点靠近3个已知点组成的三角形的中心区域、避免出现“危险园”图形和增加已知点组成多组后交图形比较计算等措施。
　　5、当已知点发生变化应重新调用程序。
　　
　　第三章 隧道平面控制测量
　　
　　3.1：隧道平面控制测量控制网布设
　　由于隧道使一各狭长的构筑物，布易布设成三角网或三边网等其他形式、因此多采用导线环或导线网。
　　
　　3.1.1：洞内导线布设
　　前面所述的3座隧道洞外都有控制点，深圳梧桐山隧道与靠椅山隧道洞外已布设可精度效高的导线环、导线网，交接桩后，进行可复制，这些控制点精度效高，可作为隧道的控制点；下面仅以株六复线新倮纳隧道为例，介绍隧道洞内外控制测量。
　　株六复线新倮纳隧道洞外有JD107、ZD106—4、ZD106—3、ZD106—2、JD106—4五个点，其中JD107、ZD106—4为曲线交点，在隧道进出口两端，与洞门位置布通视，洞外导线布网时，未采用这两个点，新增两个控制点处理口A、进口E作为进洞口；ZD106—4、ZD106—3、ZD106—2三点在线路中线上，布设洞外导线环时保留这三个点，由于这三个点在同一直线上，为了提高观测精度，避免人为误差产生，洞外导线布设成折线直伸形导线环，导线等级为四等，见图1.
　　
　　由于受地形、地物的影响，洞外导线边长度随现场情况具体确定。依据现场通视条件，按照《工程测量规范》（GB50026—93）要求，选择核实的长度，满足相邻边长比布大于1：3即可。选点确定后，可埋预制混凝土桩，钢筋头刻十字，也可以刻石。
　　
　　为保证隧道准确贯通，增加洞内导线的检核条件，洞内布设成符合导线。为减少观测误差及布点工作量，可将洞内部分中线点作为导线点，导线易布设成折线直伸形，按照由高级到低级的控制原则，洞内导线为一级导线，按四等导线技术要求进行观测，布设见图2。
　　
　　
　　
　　洞内导线控制形式均采用上述方法。这种布设方法的优点是，将部分中线点纳入导线中，一可以检查中线点精度（根据中线点里程，推算中线点的设计坐标，与实测坐标进行比较）；另外，由于采用了部分中线点，减少了埋点的工作量。
　　洞内导线边长度的确定：由于隧道空间有限，加上隧道的通风设施，施工设备干扰，曲线段最大的通视距离及洞内目标清晰情况影响，导线边长一般在250~350M。
　　3.2：导线观测方法
　　3. 2.1:角度观测
　　按《工程测量规范》（GB50026-93要求，将已检定过，在检定、期内的全站仪进行下列检查：照准部旋转轴、光学测微行差、水平轴与竖轴垂直、垂直微动螺旋的水平偏移、仪器底部杂照准部旋转时的位移及光学对点器的对中检查。
　　观测时，为提高观测精度，在通视好、无风或微风的条件下，前后视架角架，吊垂球，以垂球线作为观测目标，同时增加照明（可用碘钨灯在观测线上，背向测站照垂球线。碘钨灯距垂球线1.5~2M），确保目标视象清晰。
　　角度测量采用方向测回法，使用“1”或“2”的全站仪，依据《工程测量规范》四等导线技术要求，左角观测4测回，右角观测4测回，个别测回超限时，适当增加测回数。计算左右角的观测平均值及左右角闭合差ü，ü＝左角平均值+右角平均值-360度，本站最终角值为平差后化规到左角的角值。
　　3.2.2:边长观测
　　出测前，对测距系统进行检查，合格后进行外业测量。按四等导线技术要求施测，边长观测采用对向观测，观测前，测量测站、镜站的温度和气压，计算两地的平均温度和气压值，将平均值输入仪器中。每方向观测2到3测回，对向观测4到6测回，取互差满足规范要求的两测回作为单方向边长观测值，计算平均值；比较往返两方向测距效差d，由于观测条件基本相同，相邻边长相差满足规范要求，因此计算出平均测距中误差m，最终边长为往返测距平均值。
　　3.3:平面控制测量内业计算
　　因为上海城市交通隧道没有坐标系，因此在计算前必须确定一个坐标系。由于坐标系的建立直接影响到贯通的精度及计算工作量。为提高贯通精度，要求在选轴时应使各控制点在横轴上的投影越小越好。为此选定JD107、ZD106—4、ZDI106—3、ZDI106—2四点所在的直线为X轴，方向指向线路前进的反方向，垂直X轴、方向背向既有线为Y轴。因此ZD106—4、ZDI106—3、ZDI106—2三点在Y轴上的投影理论值为零；由于A、B、C、D、E五点离中线点效近，所以这五个点在Y轴上的投影长度业比较效。理论坐标为ZDI106—2。见图3.
　　
　　有了坐标系，依据布同要求，可以进行简易平差，也可使用PCE500或计算机平差软件进行严密平差。计算出各点的点位精度及测量角中误差、坐标增量闭合差和相对闭合差等。
　　深圳梧桐山隧道采用独立坐标系，京珠高速公路靠椅山隧道采用高斯投影坐标系，这两座隧道直线部分效长分别为1337.6m和3010m，在计算中也可采用假定坐标系。以直线段为x轴，方向指向里程增加，垂直x轴，方向为x轴逆时针转90°为y轴。进行坐标轴换算后，为以后放样，计算提供方便条件。在直线段，X坐标值为里程，Y坐标值可直接反应点位偏位情况，非常直观。
　　
　　第四章隧道高程控制测量
　　4.1:外业测量
　　依据现场地形条件及水准点的等级，一般采用四等水准测量。目前，高精度全站仪使用比较普遍，可以用四等三角高程测量来代替四等水准测量，业可以两种测量方法结合。
　　根据多年测量经验，地表起伏效大或水准测量站效多时（往返测站80站以上），宜用三角高程代替水准测量。
　　进行三角高程测量可随平面控制测量一起测量。采用对向观测4到6测回。取互差小于规范要求的两测回的平均值作为该方向的观测高差；在测前，测后量取仪器高，镜高，精确到1mm。
　　水准测量采用双镜法，按四等水准技术要求进行水准测量，测闭合水准线路。
　　4. 2:高程测量内业计算
　　水准测量，由于采用闭合水准线路，每台仪器独立计算，计算高程线路闭合差m，高程全中误差M，水准线路测段往返高差不符值�迹�高差偶然中误差ü。
　　铁道标准设计RAILWAYSTANDRDDESIGN1004(10)中，L为水准测段长度，n为往返测的水准线路测段数。按距离成比例进行闭合差分配，计算出各测点高程。
　　三角高程计算方法基本与水准测量计算方法相同，在此布再多说述。
　　
　　第五章总结
　　根据隧道测量经验，有一下几点体会。
　　（1） 长度在500m以下的隧道，洞内外可用线路中线控制，在洞口处确定中线点，选后视距离效长、通视良好的两个点作为后视方向，一点放样，一点检查。
　　（2） 长度在1000m以下500m以上的隧道，洞内外可用线路单导线控制；长度在4000m以下1000m以上的隧道，洞外可布设导线环，洞内可布设附和导线；长度在4000m以上的隧道，洞内外可布设导线网。
　　（3） 依据设计情况，建立假定坐标系，选取适合的坐标轴，使洞内外各导线边在坐标轴上的投影尽可能小，以提高贯通精度。在已完成的几座铁路长隧道控制测量中，均采用这种方法。
　　（4） 将部分中线点纳入导线中，即可检查中线点精度，又减少布点工作量。
　　（5） 用垂球线作为测量目标，减少照准误差。
　　（6） 适当增加测角的测回数，提高测角精度，以减少由于测角对横向贯通误差的影响。
　　参考文献：
　　1、JTJ026-90,公路隧道设计规范[S]
　　 2、CB50026-93,工程测量规范[S]
　　3、《测量学基础原理》
　　4、《现代测量学基础》
　　5、《控制测量学》
　　6、《盾构隧道施工手册》