隧道施工测量方案设计解析

一、工程概况
陕西宝鸡市省道212凤县县城过境段改线工程，道路全长2.95Km，包括520m道路和2430m隧道。

隧道位于线路交点JD1、JD2间的缓和曲线上，里程桩号为K3+180～K5+610，全长2430m，为特长隧道。

纵坡i=0.720，坡长1060m，i=-2，坡长1370m；设计开面为四心挖断圆拱形，上半圆R=5.40m，左右边墙R=100m，仰拱R=17.00m。

拟建省道212凤县县城过境段改线工程月亮湾隧道位于宝鸡市凤县双石铺乡，
G316国道和S212省道从勘察区东南侧通过，区内有乡级公路，各个村庄之间的乡级便道，交通条件较为便利。

隧址区为深谷梁状单斜山地形。

山体大致呈南北向展布，隧道与山体展布方向穿越土地坳镇安家田单斜山山脊，总体地形坡度为18°～52°，地面标高552～753m之间，植被稀少。

斜坡表土层为第四系的残坡积底液限粉质黏土，厚度较薄，一般小于2.00m局部地势低洼较厚，可达4.00m，分布于斜坡坡面、地表低洼地段。

二、测量作业任务和内容
测量工作是土建工程的重要组成部分，为工程施工提供准确的定位信息、实时监控量测施工进程地面、隧道相关变化量及周围构筑物、管线等的影响变化，为工程施工提供必要的测量数据，根据测量数据适当调整作业进度和措施方法，确保工程顺利准确进行，确保施工安全。

在本次工程项目中，测量作业的任务主要分为两大部分：隧道控制、施工放样。

三、测量作业依据
1《工程测量规范》（GB50026-2007）；
2《公路勘测规范》（JTG C10-2007）；
4 公路隧道施工技术规范》（JTJ042—94）；
5 隧道施工设计图纸（主要是隧道轴线平面控制点及曲线要素表、纵断面设计高程数据和施工设计图）；
6 已有地形图及相关资料
四、控制测量
隧道平面控制测量应结合隧道长度、平面形状、辅助坑道位置、以及线路通过地区的地形和环境条件等，采用GPS测量、导线测量、三角形网测量及其综合测量方法。

高程控制测量可采用水准测量、光电测距三角高程测量。

4.1：洞外控制测量
隧道的设计位置，一般是以定测的精度初步标定在地面上。

在施工之前必须进行施工复测，检查并确认两端洞口的中线控制桩（也称为洞口投点）的位量两部分。

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4.1.1控制点的置，它是进行洞内施工测量的主要依据。

主要包括平面控制测量和高程控制测设置
1、在每个洞口应测设不少于3个平面控制点（包括洞口投点及其相联系的三角点或导线点）2个高程控制点。

2、直线隧道上，两端洞口应各确定一个中线控制桩，以两桩连线作为隧道的中线；
3、在曲线隧道上，应在两端洞口的切线上各确定两个间距不小于200 m的中线控制桩，以两条切线的交角和曲线要素为依据，来确定隧道中线的位置。

4、平面控制网应尽可能包括隧道各洞口的中线控制点，这样既可以在施工测量时提高贯通精度，又可减少工作量。

5、同时进行高程控制测量,联测各洞口水准点的高程，以便引测进洞，保证隧道在高程方向准确贯通。

4.1.2洞外平面控制测量
洞外平面控制测量应结合隧道长度、平面形状、线路通过地区的地形和环境等条件进行，可采用的方法有：中线法、精密导线法、三角锁网法、GPS测量。

1．中线法（平面控制简单、直观，精度不高）
适用于长度较短或贯通精度要求不高的隧道。

方法：就是将隧道中线的平面位置，测设在地表上，经反复核对改正误差后，把洞口控制点确定下来，施工时就以这些控制点为准，将中线引入洞内。

在直线隧道，于地表沿勘测设计阶段标定的隧道中线，用经纬仪正倒镜延伸直线法测设中线；在曲线隧道，则按曲线测设方法，首先精确标出两端切线方向，然后测出转向角，将切线长度正确地标定在地表上，再把线路中线测设到地面上。

经反复校核，与两端线路正确衔接后，再以切线上的控制点（或曲线主点及转点等）为准，将中线引入洞内。

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2．精密导线法
在隧道进、出口之间，沿勘测设计阶段所标定的中线或离开中线一定距离布设导线，采用精密测量的方法测定各导线点和隧道两端控制点的点位。

在进行导线点的布设时，除应满足上面要求外，导线点还应根据隧道长度和辅助坑道的数量及位置分布情况布设。

导线宜采用长边，且尽量以直伸形式布设，这样可以减少转折角的个数，以减弱边长误差和测角误差对隧道横向贯通误差的影响。

为了增加检核条件和提高测角精度评定的可行性，导线应组成多边形导线闭合环或具有多个闭合环的闭合导线网，在一个控制网中，导线环的个数不宜少于4个；每个环的边数宜为4～6条。

导线可以是独立的，也可以与国家高等级控制点相连。

导线水平角的观测，宜采用方向观测法，测回数应符合表1的规定。

导线测量主要技术要求表一
当水平角为两方向时，则以总测回数的奇数测回和偶数测回分别观测导线的左角和右角。

左、右角分别取中数后应按式(1)计算圆周角闭合差⊿，其值应符合表二的规定。

再将它们统一换算为左角或右角后取平均值作为最后结果，这样可以提高测角精度。

⊿＝［左角］中﹢［右角］中﹣360° (1)
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测站圆周角闭合差的限差（″）表二
导线环角度闭合差，应不大于按下式计算的限差：
（2）式中 m——设计所需的测角中误差（″）；
n——导线环内角的个数。

导线的实际测角中误差应按下式计算，并应符合控制测量设计等级的精度要求。

（3）
导线环（网）的平差计算:
一般采用条件平差或间接平差。

当导线精度要求不高时，亦可采用近似平差。

用导线法进行平面控制比较灵活、方便，对地形的适应性强。

3.三角锁网法
将测角三角锁布置在隧道进出口之间，以一条高精度的基线作为起始边，并在三角锁的另一端增设一条基线，以增加检核和平差的条件。

三角测量的方向控制较中线法、导线法都高，如果仅从提高横向贯通精度的观点考虑，它是最理想的隧道平面控制方法。

由于光电测距仪和全站仪的普遍应用，三角测量除采用测角三角锁外，还可采用边角网和三边网作为隧道洞外控制。

但从其精度、工作量等方面综合考虑，以测角单三角形锁最为常用。

经过近似或严密平差计算可求得各三角点和隧道轴线上控制点的坐标，然后以这些控制点为依据，可计算各开挖口的进洞方向。

4．GPS测量
隧道洞外控制测量可利用GPS相对定位技术，采用静态测量方式进行。

测量时仅需在各开挖洞口附近测定几个控制点的坐标，工作量小，精度高，而且可以全天候观测，因此是大中型隧道洞外控制测量的首选方案。

隧道洞外控制测量技术要求应满足表3规定。

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平面控制测量设计要素表三
4.1.3洞外高程控制测量
洞外高程控制测量，是按照设计精度施测各开挖洞口附近水准点之间的高差，以便将整个隧道的统一高程系统引入洞内，以保证在高程方向按规定精度正确贯通，并使隧道各附属工程按要求的高程精度正确修建。

高程控制方法：1）常采用水准测量方法，2）四、五等高程控制亦可采用光电测距三角高程的方法进行。

（但当山势陡峻采用水准测量困难时，）
高程控制路线：应选择连接各洞口最平坦和最短的线路，以期达到设站少、观测快、精度高的要求。

每一个洞口应埋设不少于2个水准点，以相互检核；两水准点的
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位置，以能安置一次仪器即可联测为宜，方便引测并避开施工的干扰。

高程控制水准测量的精度：一般参照表4的洞外部分即可。

表四等级水准测量的技术要求表五
等级MΔ
（m
m）
M W
（m
m）
仪器
型号
木水
准尺
观测
方法
观测
顺序
观测次
数
往返较差或闭合
差（mm）
与已知
点联测
环线
或附
合
平丘地山地
四±5 ±10 DS3 双面中丝读
数法
后后
前前
往
返
往±20L1/2±5n1/2
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4.1.4 本工程洞外控制测量方案
本工程由于通视条件差，故洞外控制测量在导线控制和GPS控制之间做选则。

根据洞外导线控制测量设计方案和GPS控制测量设计方案的对比，拟定最终确定采用GPS 控制测量的布设方案。

因为：
1.导线测量网形设计太单一，多余观测条件少，不足宜检核。

外业观测时间较长，局部导线边离隧道中线较远和相临点间无法通视的困难，有时可能还要受到天气的影响。

而GPS技术不仅具有精度高，工期短的优点，而且由于GPS 测量本身的特点，网型结构简单，点的疏密和边长的长短都可适当选取，既保证了两边洞口各点的GPS 点间通视又解决常规测量中点位之间无法通视的困难，选点灵活，不需要高标，同时还可解决外业施测受天气影响的困难。

2.由于现在GPS 测量技术要求高，作业周期短，并且有两台接收机同时作业，在作业前有周密的计划，和有完善的协调组织工作，能合理安排，协调作业，认真细致地进行工作，使观测工作有条不紊地进行等等，从而为高精度、高效率的成果得到更充分的保证。

虽然导线测量的经费比GPS网的经费低，但是相差不多，从精度的角度和各方面的因素考虑导线方案不如GPS方案
GPS平面控制：建立隧道GPS控制网的基本要求
1) 建立GPS隧道控制网同样关注网内控制点间相对精度，虽然GPS测量本身不要求
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点间相互通视，但部分点需用常规仪器施工引测故仍然要求某些点间布测相互通视，如洞口需布设至少3个控制点，并至少两方向通视。

2) 隧道进行GPS控制网施测前应进行网形设计即GPS控制网设计和GPS观测网设计GPS控制网设计系根据工程控制及施工测量要求特点、测区实际情况(线路形状、洞口及地貌特点、测站道路交通及通讯状况等)、点间基线长度、控制区域等因素布设控制点位，把所选定的控制点以环形网(大地四边形、三角形、多边形)结构确定后进行同步环观测，同步观测环路之间以接边或接网的方式扩网，从而形成封闭式的整体GPS观测网；GPS观测网设计则是在GPS控制网设计后进行，其结合观测所用接收机的性能及台数、测站交通及站问通讯联络情况、测站处可视卫星数量及分布时段等因素来所设计如何完成控制网的观测。

其中包括按星历编制测前卫星预报计
划及观测时段选择、编制作业观测时刻调度计划。

3)GPS网的基准设计
GPS测量的直接观测量不是测点问的边长和角度，且其直接观测成果是属于WGS 一84系下的，施工实用的坐标系统一般为地方坐标系的坐标值，因此GPS网平差后需要把GPS网成果转化为地方坐标系中的坐标成果。

GPS网应明确其所用位置基准(起算点坐标)、方位基准(已知边方位角)和尺度基准(已知边距离及统一的距离度量单位)，且同测区实际相符。

4)隧道控制网坐标系统
可以是国家高斯平面坐标系统(如Beijing54，Bei—jing80等)或任意经度的中央子午线高斯平面坐标系统，但一般仍较多采用独立坐标系统。

同常规测量网一样为了施工方便，常以隧道主轴线进口至出口方向为X轴正向，隧道的某一线路中线里程为X 坐标起算值，右旋90。

确立y坐标轴，坐标原点处y坐标值可以为正常数也可为0。

取隧道设计路面的平均高程面为坐标系统投影面。

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5)为保证观测值成果精度及质量可靠性，GPS 工程网选点及布网需要遵循原则
①GPS 网点尽量选在交通方便地方，边长大于800 m ，主要控制点间距应大于1 000 m 。

②GPS 网点应尽量设在视野开阔地带，同时站点周围视场角应不低于15。

③隧道GPS 网洞口控制点应进行同步观测，同步观测的卫星颗数>4，越多越好且PDOP<6。

④GPS 网点避开强反射地面如水域、平滑地面及强反射环境(斜面山坡、漏斗形谷地等)以减少多路径影响，应避开高压输电、变电及大功率发射台如电视转播、通讯基站等强电磁设施以防防止信号干扰。

⑤为减少垂线偏差对方位传递的影响(GPS 为法线系统，而常规仪器为垂线系统)，各洞口的进洞方向点位应尽量在同一高程面上。

⑥为使隧道控制系统与线路设计关系完好吻合且坐标便于统一，直线隧道或曲线隧道切线上宜布设2个GPS 控制点。

6)为确保GPS 外业观测成果的精度及成果质量可靠性，观测时应准确量取仪器天线高度，同时应检核同步闭合环闭合差
∑∑∑===≤Δ=≤Δ=≤Δ=n
i n
i n
i n
Zi Wz n Yi Wy n
Xi Wx 1112.02.0`2.0δδδ （4）
和异步环闭合差，检核基线边复测互差；当GPS 网中有已知基线时，应与已知基线边
比较检查
7)隧道GPS控制网基线处理及网平差的基本方法
①建立项目及坐标系统(选择参考椭球参数，确定中央子午线经纬度)，确定位置及方位、长度基准。

②导入GPS采集数据，检查基线观测数据及预处理，利用基线处理软件进行基线向量计算，删除基线处理中残差较大时段或有问题基线，直至基线计算合格通过。

③在WGS一84坐标系下进行三维无约束平差，平差时最好在网中选择一具有已知高精度WGS一84三维坐标的点作为固定点(参考点)并作为起始坐标进行控制网的位置定位，如此提高基线精度。

三维无约束平差评估基线精度及控制网内符合精度。

④三维无约束平差合格通过后，整个GPS网在空间的相对定位已经确定，只不过其参考坐标系体系、长度基准及方位基准并不与隧道施工控制测量所要求的坐标系统一致。

为此通过引人已知的控制点(精度可靠时)进行约束平差转换得到投影转换后的施工控制网坐标系统或建立新的工程椭球进行坐标系统的旋转变换及投影改正计算，得到施工控制网坐标系统。

因此GPS网的数据后处理即基线解算、网平差计算及坐标系统投影转换在长大隧道GPS控制网成果的质量控制中占据重要地位。

GPS观测采用静态相对定位模式，严格按《公路勘测规范》要求执行，其GPS控制网观测基本技术指标如下：
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本工程高程控制网采用水准测量的方法。

洞外控制测量的具体实施均参照相应长度的技术方案。

4.2 隧道进洞测量
隧道进洞测量：（隧道洞外和洞内的联系测量）
在隧道开挖之前，必须根据洞外控制测量的结果，测算洞口控制点的坐标和高程，同时按设计要求计算洞内待定点的设计坐标和高程，通过坐标反算，求出洞内待定点
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与洞口控制点（或洞口投点）之间的距离和夹角关系，可按极坐标方法或其它方法测设出进洞的开挖方向，并放样出洞门内的待定点点位。

4.2.1正常进洞关系的计算和进洞测量
洞两者的坐标系不一致，应首先把洞外控制点和中线控制桩的坐标纳入同一坐标系统内，即必须先进行坐标转换。

一般在直线隧道以线路中线作为X轴；曲线隧道上以一条切线方向作为X轴，建立施工坐标系。

用控制点和隧道内待测设的线路中线点的坐标，反算两点的距离和方位角，从而确定进洞测量的数据。

把中线引进洞内，可按下列方法进行：
1．直线隧道进洞
直线隧道进洞计算比较简单，常采用拨角法。

如下图所示，A、D为隧道的洞口投点，位于线路中线上，当以AD为坐标纵轴方向时，可根据洞外控制测量确定的A、B和C、D点坐标进行坐标反算，分别计算放样角β
直线隧道进洞
1和β2。

测设放样时，仪器分别安置在A点，后视B点；安置在D点，后视C点，相应地拨角β1和β2，就得到隧道口的进洞方向。

2．曲线隧道进洞
曲线隧道每端洞口切线上的两个投点的坐标在平面控制测量中已计算出，根据四个投点的坐标可算出两切线间的偏角α（α为两切线方位角之差），α值与原来定测时所测得的偏角值可能不相符，应按此时所得α值和设计所采用曲线半径R和缓和曲线长l0 ,重新计算曲线要素和各主点的坐标。

曲线进洞测量方法：
（1）`洞口投点移桩法
即计算定测时原投点偏离中线(理论中线)的偏移量和移桩夹角,并将它移到正确
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的中线上,再计算出移桩后该点的隧道施工里程和切线方向,于该点安置仪器，就可按照曲线测设方法，测设洞门位置或洞门内的其它中线点。

（2）洞口控制点与曲线上任一点关系计算法
将洞口控制点坐标和整个曲线转换为同一施工坐标系。

无论待测设点位于切线、缓和曲线还是圆曲线上，都可根据其里程计算出施工坐标，在洞口控制点上安置仪器用极坐标法测设洞口待定点。

4.2.2辅助坑道的进洞测量
1．由洞外向洞内传递方向和坐标
如下图所示,当用斜井、横洞或竖井来增加隧道开挖工作面时，都要布设导线，把洞内外控制测量联系起来,从而把洞外控制的方向和坐标传递给洞内导线，构成一个洞内、外统一的控制坐标系，保证各施工段正确贯通,这种导线称为联系导线。

联系导线是一种支导线，其测角误差和边长误差将直接影响洞内控制测量并进而影响隧道的贯通精度，故必须进行多次重复精密测定。

1）经由斜井或横洞传递高程：
水准测量方法：由于斜井坡度较陡，使观测视线很短，测站数增多，加之观测环境差，故误差累积较大。

应每隔10站在斜井边脚设一临时水准点，以便往返测量时校核，用以减少返工的工作量。

2）经由竖井传递高程的方法：
悬挂钢尺方法：即在井上悬挂一根带标准重锤的经过检定的长钢尺或者钢丝（井上需有比长器）至井下，并在井上、井下各安置一台水准仪，同时读取钢尺读数L1和L2，
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然后再读取井上、井下水准点的标尺读数，由此求得井下水准点的高程。

井下水准点B的高程HB可用式计算：
HB =HA ＋a－[（L1－L2）＋△t十△k] －b （5）
式中 HA ——井上水准点A的高程；
a、b——井上、井下水准尺读数；
L1 、L2——井上、井下钢尺读数，L＝L1－L2；
△t——钢尺温度改正数，△t＝αL（t均一t0）；
α——钢尺的线膨胀系数，取1．25×10一5／℃；
t均——井上、井下的平均温度；
t0——钢尺检定时的温度；
△k——钢尺尺长改正数。

4.3隧道洞内控制测量
在隧道施工中，随着开挖的延伸进展，需要不断给出隧道的掘进方向。

为了正确完成施工放样，防止误差积累，保证最后的准确贯通，应进行洞内控制测量。

此项工作是在洞外控制测量和洞、内外联系测量的基础上展开的，包括洞内平面控制测量和洞内高程控制测量。

4.3.1洞内平面控制测量
隧道洞内平面控制测量应结合洞内施工特点进行。

由于场地狭窄，施工干扰大，故
洞内平面控制常采用: 中线法或导线法两种形式。

1.中线法( 适用于小于500 m的曲线隧道和小于1 000 m的直线隧道)
中线法是指采用直接定线法，即以洞外控制测量定测的洞口投点为依据，向洞内直
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接测设隧道中线点，并不断延伸作为洞内平面控制。

这是一种特殊的支导线形式，即
把中线控制点作为导线点，直接进行施工放样。

一般以定测精度测设出待定中线点，其距离和角度等放样数据由理论坐标值反算。

若将上述测设的中线点，辅以高精度的测角、量距，可以计算出新点实际的精确点
位，并和理论坐标相比较，根据其误差，再将新点移到正确的中线位置上，这种方法
也可以用于较长的隧道。

缺点：受施工运输的干扰大，不方便观测，点位易被破坏。

2．导线法（洞内导线平面控制方法适用于长大隧道）
导线法：是指隧道洞内平面控制采用布设精密导线进行。

导线特点：较中线形式灵活，点位易于选择，测量工作也较简单，而且可有多种检核
方法；当组成导线闭合环时，角度经过平差，还可提高点位的横向精度。

施工放样时
的隧道中线点依据临近导线点进行测设，中线点的测设精度能满足局部地段施工要求
即可。

洞内导线可以采用下列几种形式：
（1）单导线 导线布设灵活，但缺乏检测条件。

测量转折角时最好半数测回测左角，半数测回测右角，以加强检核。

施工中应定期检查各导线点的稳定情况。

（2）导线环 如图所示，是长大隧道洞内控制测量的首选形式，有较好的检核条件，而且每增设一对新点，如5和5′点，可按两点坐标反算5～5′的距离，然后与实地丈
量的5～5′距离比较，这样每前进一步均有检核。

3）主、副导线环
如图所示，图中双线为主导线，单线为副导线。

主导线既测角又测边长，副导线
只测角不测边，增加角度的检核条件。

在形成第二闭合环时，可按虚线形式，以便主
导线在3点处能以平差角传算3～4边的方位角。

主副导线环可对测量角度进行平差，
提高了测角精度，对提高导线端点的横向点位精度非常有利。

导线环 主副导线环
在洞内进行平面控制时应注意：
（1）每次建立新点，都必须检测前一个旧点的稳定性，确认旧点没有发生位移，才能用来发展新点。

（2）导线点应布设在避免施工干扰、稳固可靠的地段，尽量形成闭合环。

导线边以接近等长为宜，一般直线地段不短于200 m，曲线地段不宜短于70 m。

（3）测角时，必须经过通风排烟，使空气澄清以后，能见度恢复时进行。

根据测量的精度要求确定使用仪器的类型和测回数。

（4）洞内边长丈量，用钢尺丈量时，钢尺需经过检定；当使用光电测距仪测边时，应注意洞内排烟和漏水地段测距的状况，准确进行各项改正。

4.3.2洞内高程控制测量
洞内高程控制测量是将洞外高程控制点的高程通过联系测量引测到洞内,作
为洞内高程控制和隧道构筑物施工放样的基础,以保证隧道在竖直方向正确贯通。

洞内水准测量与洞外水准测量的方法基本相同，但有以下特点：
1．隧道贯通之前，洞内水准路线属于水准支线，故需往返多次观测进行检核。

2．洞内三等及以上的高程测量应采用水准测量，进行往返观测；四、五等也可采用光电测距三角高程测量的方法，应进行对向观测。

3．洞内应每隔200～500m设立一对高程控制点以便检核.为了施工便利,应在导坑内拱部边墙至少每100m设立一个临时水准点
4．洞内高程点必须定期复测。

测设新的水准点前，注意检查前一水准点的稳定性，以免产生错误。

5．因洞内施工干扰大，常使用挂尺传递高程，如图所示，高差的计算公式仍用hAB=a-b，但对于零端在顶上的挂尺（如图中B点挂尺），读数应作为负值计算，记录时必须在挂尺读数前冠以负号。

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