隧道洞内控制测量分析

隧道洞内控制测量分析
摘要：本文探析为了保证隧道的贯通精度而进行的洞内控制测量的设计、精度估算及提高贯通精度的测量方法。

关键词：控制测量、设计、精度估算、方法
1引言
对隧道工程的开挖，在各种规范中的要求很多，精度也要求比较高，特别是对有些管道及特种工程的隧道。

对施工单位而言，洞内控制测量精度的高低就直接影响到贯通的精度，为保证隧道在允许精度内贯通，我们首先要对洞内控制测量进行设计，在未贯通前对已施测的测量成果要进行相应的精度估算，为保证相应的控制测量精度还要采取相应的测量方案，下面就这几方面结合我分部管区内的重点控制工程“紫岭隧道”进行相应的探析。

2洞内控制测量设计
2．1平面控制测量设计
洞内平面控制测量在未贯通前都是支导线和或附合导线环。

当接到隧道工程开挖任务时，首先要根据洞室单向、对向或多向开挖长度及设计贯通精度要求，对洞内导线进行设计，估算预期的误差、确定导线施测的等级，以保证洞室开挖轴线的正确性，即贯通精度，更为合理、经济的选择测量设备及测量方案。

根据隧道设计开挖图，按一定比例尺在CAD或图纸上绘出隧道开挖平面图及贯通面位置，充分考虑开挖施工时洞内的测量环境（如通视条件及出渣等对测量的影响）、以及测量精度的提高，合理的选出导线点位置，并展于图上。

支导线的终点是支导线精度的最弱点，横向贯通中误差是由导线测角误差及导线边长误差所引起，而横向贯通中误差主要影响隧洞的贯通精度，下面主要分析横向贯通中误差。

根据误差传播定律，导线测角及测边是相互独立的两个量，则可得导线测角中误差所引起的横向贯通中误差m yβ为：
m yβ= ±mβ／ρ∑R X2 2.1.1
式中：mβ—导线测角中误差(s)；
∑R x2—观测角度的导线点到贯通面的垂直距离平方的总和(m2)。

导线测边误差所引起的横向贯通中误差为m yl：
m yl= ±m l／L√∑Dy2 2.1.2 式中：m l／L—导线边长相对中误差( mm)；
∑Dy２—各导线边在贯通面上的投影长度平方和的总和(m2)。

那么，导线测量误差在贯通面上所引起的横向贯通中误差my为：
m y=±√m yβ2＋m yl2 2.1.3
在绘制好的略图上量取各个导线点到贯通面的距离Rx和各导线边在贯通面上的投影长度Dx，再根据本工程项目所投入的仪器设备精度确定测角中误差mβ和测量边长的精度m l/L，代入2.1.3式中计算，当m y小于隧洞横向贯通中误差允许值时则可进行，否则应选择符合精度要求的仪器设备或调整线路及测量方案等重新计算，直至满足贯通精度要求。

2.1.3式也可根据本单位的仪器设备及技术水平，假设其中的一个mβ或m l/L值来求另外一个参数。

根据选定的mβ和m l/L值来确定导线测量的等级，并严格按确定的等级技术要求进行施测，来指导隧道的断面位置开挖。

我分部负责紫岭隧道出口1800m的施工任务（全长2424m），由于洞外控制导线的强度本身不高，为保证施工精度，同时考虑到测量与施工的交叉影响，洞内平面布设为主、副导线相闭合的导线环，其中主导线为控制导线，副导线只参与精度评定。

以下是模拟贯通测量的精度估算计算过程：
2.1.1仪器选用
按四等导线要求选用J2级全站仪对平面角度进行不小于4 测回观测，使其测角精度小于2.5秒，测距精度小于1/5000。

2.1.2布点
紫岭隧道为双线铁路隧道，曲线半径大（6000），且洞内衬砌后半径不小于12M，故主导线点布于隧道中线附近，边长控制在300米左右。

贯
通
面
2.1.3精度估算
洞内导线测量误差对横向贯通精度影响值计算表
将以上数据及测角中误差mβ=±2.5＂，测边相对中误差m l/L=1／5000代入2.1.1及2.1.2 可得：m yβ=±2.5/206265√11800100=±42mm
m yl=±1/5000√320,5=±4mm
将两数代入2.1.3 则：
m y=±√（m yβ2+ m yl2）=±42.2mm
根据《测规》要求，两开挖洞口的长度小于4km时，其横向贯通误差应小于±50mm，现估算值为±42.2mm，故可认为设计的施测精度能够满足贯通精度的要求，设计是比较合理的，若想进一步提高精度，可通过提高仪器等级、采用更多的测回数来提高横向贯通误差。

2．2高程控制测量设计
高程贯通误差通常是根据水准测量或三角高程测量误差引起的，一般引用竖向贯通中误差来确定高程控制测量的等级。

m h=±m△√L 2.2.1
式中：mh--竖向贯通中误差；
L—洞内高程测量路线的全长，km；
m△--按测段往返测的高差不符值计算的每公里高差中数的偶然中误差，mm；
由2.1.1式得：
m△=mh/√L 2.2.2 式中L可根据图上拟定的路线量取或取1.5～2倍洞轴线的长度。

根据测规要求，其高程贯通误差均为±50mm，并取L=4.8 （2倍的洞长），得：
m△ = ±50/√4.8=±22.3mm
确定水准路线方案后，在表1中查取大于或等于根据2.2.2式计算出m△的数值，选取相应的高程控制测量等级。

表1：水准测量的精度（摘录）
故五等水准能满足紫岭隧道洞内的高程贯通误差要求。

确定高程测量的等级后，选取方便施测、经济合理，又能保证高程传递精度的测量方法，如水准测量、三角高程测量，严格按相应的技术要求进行施测。

以上分析的洞内控制测量设计计算方法适应于相向开挖长度为8km以内的隧道开挖，也可作为相向开挖长度超过8km洞内平面控制测量的专门技术设计，但为保证设计贯通精度要求，洞内导线还应进行提高精度的特别技术设计，如采用陀螺经纬仪加测方位角，检测测角中的粗差及控制测角误差的累积；选取合理的导线路线方案；改善测量环境、测量设备等方法。

3提高洞内控制测量精度的几点建议
3．1严格按设计的控制测量等级相关技术要求进行施测，施测中尽量采用三联脚架法，但要注意各基座与棱镜及仪器有无隙动、气泡有无偏离、对中偏离是否较大等等，如有上述情况则要对仪器进行检修校正，找出问题所在；
3．2隧道每开挖到一定长度时要及时增设基本导线点，指导开挖的临时点要控制在2至3个以内，且要进行经常性的检测其正确性，确保洞室开挖的正确；
3．3隧道每开挖到一定阶段或一定长度时要及时对导线进行检测、复测及精度估算，对因其它原因而改变设计路线方案时要对精度进行估算；
3．4导线要尽可能布设成近似等边直伸型导线，在测量环境允许范围内尽可能的选长边；
3．5要严格进行边长的投影计算，正确计算各点平面坐标；
3．6三角高程测量时，要严格按操作程序进行，如垂直角的观测要同测距在同一次照准时完成，对于三角高程等级在四等或高于四等时则要采取一些提高精度的措施进行施测，如隔点设站法、提高对中精度等等；
3．7对贯通面较多的隧道，要考虑到隧洞全部贯通后的轴线情况，对洞内有二次衬砌时，还要对相向开挖的两条导线进行附合，并进行贯通误差分配或平差处理，保证洞内二次衬砌形体的正确。

参考资料：
《新建铁路工程测量规范》 TB10101—99
《铁路工程测量》西南交通大学。