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甘肃工业职业技术学院2011届毕业生论文浅谈高速铁路隧道施工测量甘肃工业职业技术学院测绘工程系测量0833 和强 摘 要 在中铁十七局第三建筑公司承建的杭州至宁波的高速铁路客运专线杭甬四工区施工段中，隧道贯穿主线。其包括凉帽山，外岙一二号，大山脑，寺前王及章家山大小六孔隧道。在隧道施工过程中，由于我国南方地质结构的特点，硬质地层采用了传统的矿山法（凿岩爆破），进行了洞体的掘进。施工测量方面，根据设计院洞内布设的地下导线点，经坐标推算而确定隧道中心线方向上有关点位，以准确知道较长隧道的开挖方向和便于日常施工放样。其中包括了中线放样，坡度放样，断面放样与隧道贯通误差的测定与调整。关键词 高速铁路 隧道 施工测量 放样一、前言在新建的杭甬高速铁路四工区施工段中以大山脑隧道为主。大山脑隧道位于余姚市及慈溪市境内，全长6209m，最大埋深约200m属深埋长隧道，起讫里程为DK112+207DK118+416大山脑隧道位于剥蚀低山丘陵区，地形起伏较大，自然坡度1035，植被发育。区内最高山峰为大山脑，海拔标高为288.4m，隧址所穿越山丘海拔一般为110265m。该隧道由进口和出口相向开挖，进出口各开挖至DK115+586，进口开挖长度为3379m；出口开挖长度为2830m。该隧道全部位于直线段上。其处于暗挖段。在此项山岭隧道施工中，为了加快采用了进口方向，出口方向及斜井两向，四面同时光面爆破掘进的作业方式。设以中间DK115+500处为基础面，向进出口延伸呈0.35%的下坡。隧道自两端洞口相向开挖，在洞内预订位置挖通，称为贯通（holing）。因此，隧道测量（tunnel survey）也称贯通测量（holing through survey）。隧道测量的任务是：准确测设出洞口、井口、坑口的平面位置和高程；隧道开挖时，测设隧道中线的方向和高程，指示掘进方向保证隧道按要求的精度正确贯通，放样洞室各细部的平面位置与高程，放样衬砌的位置等。与地面测量工作不同的是，隧道施工的掘进方向在贯通之前无法通视，只能完全依据沿隧道中线布设的支导线来指导施工。因为支导线无外部检核条件，同时隧道内光线暗淡工作环境较差，在测量工作中极易产生疏忽或错误，造成相向开挖隧道的方向偏离设计方向，使隧道不能正确贯通，其后果是必须部分拆除已经做好的衬砌，削帮后从新衬砌或采取其它补救措施，这样不但产生巨大经济损失，还会延期工期。所以，进行隧道测量工作时，要十分认真细致，除按规范的要求严格检验与校正仪器，还应注意采取多种有效措施，削弱误差，避免发生错误。在洞内支导线测量过程中，由于测量误差的积累，使两个相向开挖的隧道中线不能准确衔接，其错位距离H称为贯通误差（holing error），如下图13-37所示大意： H在隧道中线方向上的投影长度Ht,称为纵向贯通误差；在垂直于隧道方向上的投影长度Hu称为横向贯通误差；在铅垂面内的投影投影长度Hh称为高程贯通误差。备注：其中Ht只影响隧道的长度，与工程质量的关系不大，施工测量时较容易满足设计要求。当不考虑Ht时则隧道贯通相遇于一垂直于中线的平面，称为贯通面。规范只规定了贯通面横向误差Hu和高程误差Hht的限差。如铁路测量技术规范规定：长度小于4km的铁路隧道，Hu的容许值为100mm，Hh的容许值为50mm。现就学生在施工现场的测量与各项工作，对大山脑隧道施工中洞外控制测量，洞内控制测量，洞内中线测设，结合各项施工图纸及规范，做自己的一些总结认识与浅谈。 二、大山脑隧道洞外控制测量 为了保证隧道工程在两个或多个开挖面的掘进中，施工中线在贯通面上的Hu及Hh能满足贯通精度要求，符合断面的技术条件，必须进行控制测量。控制测量的中误差是指由测量误差引起在贯通面上产生贯通误差，取上述容许误差的一半，如3km公路隧道的横向误差为75mm，高程中误差为35mm。由于贯通误差主要来源洞外和洞内控制测量精度两方面。因此，进行洞外控制测量精度设计时，要将贯通误差按误差传播定律分解为洞外和洞内的横向误差和高程误差，此过程称为贯通误差影响值的分配。公路隧道勘测规程规定的贯通误差分配方案见下表：贯通面上贯通误差影响值的分配测量部位横向中误差（mm） 高程中误差(mm)两开挖洞口间长度(m)300030006000洞外455525洞内608025全部隧道7510035隧道两相向开挖洞口施工中线在贯通面上的横向和高程贯通误差应符合下表规定：隧道贯通误差规定项 目横 向 贯 通 误 差 高 程 贯 通误 差相 向 开 挖 长 度（km）L44L77L1010L1313L1616L1919L20洞外贯通中误差（mm）3040455565758018洞内贯通中误差（mm4050658010513516017洞内外综合贯通中误差（mm）50658010012512018025贯通限差（mm）10013016020025032036050注：1.本表不适合用于利用竖井贯通的隧道。2.相向开挖长度大于20km的隧道应作特殊设计。隧道长度大于1500m时，应根据横向贯通误差进行平面网设计，估计洞外控制测量产生的横向贯通误差影响值，并进行洞内测量设计。水准路线长度大于5000m时，应根据高程贯通中误差进行高程控制网设计。洞外控制网与线路控制网的连接应符合下列规定:1. 当线路控制网（CPI,CPII）的精度满足隧道控制测量要求时，应在线路控制网基础上扩展加密建立隧道控制网。2. 当线路控制网精度不能满足隧道控制测量要求时，应建立隧道独立控制网，并于隧道洞口附近线路控制点联测。3. 洞外控制高程测量应从隧道一段的线路水准点联测至另一端的线路水准点。4. 当隧道洞口两端的线路控制网（CPI,CPII）不在一个投影内时，可建立独立的隧道施工控制网。2.1洞外平面控制测量洞外平面控制测量的主要任务是：测定各洞口控制的相对位置，作为引测进洞和测设洞内中线的依据。一般要求洞外平面控制网包括洞口控制点。建立洞外平面控制的方法有：敷设中线法，精密导线法，三角锁法和GPS法等。由于测距仪，全站仪甚至GPS接收机已经基本在施工单位普及，敷设中线法由于精度较低，只适用于地形，地质条件简单的中、短隧道，因此在生产实践中已很少使用。下面介绍后三种方法：2.1.1 精密导线法 在洞外沿隧道线型布设精密光电测距导线来测定各洞口控制点的平面坐标。精密导线一般是采用正副导线组成的若干个导线环构成控制网，简图13-38所示。主导线应沿两洞口连线方向敷设，每13个主导线边应与副导线联系。主导线边一般不宜短于300m,且相邻边长不宜相差过大。主导线须同时观测水平角和边长副导线，一般只测水平角。水平角观测宜用不低于DJ6级经纬仪，以方向观测法为主。公路隧道勘测规程给出的采用精密导线法进行洞外平面控制测量的参考精度指标见下表。精密导线法参考精度测量方法两开挖洞口间距离（km）测角中误差（）导线边最小长度（m）导线边长相对中误差直线隧道曲线隧道直线隧道曲线隧道直线隧道曲线隧道导线测量462.54.02.05001501/50001/15000341.52.52.54001501/35001/10000231.01.54.03001501/35001/1000021.010.02001501/25001/100002.1.2 三角锁法在洞外沿隧道地形布设单三角形锁来测定各洞口控制点的平面坐标见图13-39所示。邻近隧道中线一侧的三角锁各边宜尽量垂直于贯通面，避免较大的曲折。测量三角锁的求距角不宜小于30，起始边宜设在三角锁的中部（边角锁可以不做此要求）公路隧道勘测规程给出的采用三角锁法进行洞外平面控制测量的参考精度指标见下表。三角锁法参考精度测量方法两开挖洞口间距离(km)测角中误差（）最弱边边长相对中误差起始边边长相对中误差三角测量4621/200001/300002421/150001/200001.522.51/150001/200001.541/100001/15000注：1.贯通精度估算贯通面按总横向中误差75 mm，高程中误差25 mm进行设计。依据各导线点至贯通面的垂直距离计算的结果为：Rx=48743292， dy2=0RX导线环在隧道两洞口连线上的各点至贯通面的垂直距离； 导线边边长相对中误差；dy导线环在邻近隧道两洞口连线的各边对贯通面上的投影长度。 2.1.3 GPS法 用GPS法测定各洞口控制点的平面坐标，由于各控制点之间可以互不通视，没有测量误差积累，因此特别适合于特长隧道及通视条件较差的山岭隧道。如下图13-40示。现行的公路隧道勘测规程是1985年制定，1986年实行的。因为当时的GPS系统还没有建立使用，所以规程中没有规定可以使用GPS测量方法建立洞外平面控制网的条款。但公路全球定位系统（GPS）测量规范中的3.1.1条款规定：根据公路及特殊桥梁、隧道等构造物的特点及不同要求，GPS控制网分一级、二级、三级、四级共四个等级。各级GPS控制网的主要技术指标规定见下表。大山脑隧道中结合隧道两开挖洞口间距离，在下表中选择应该级别布设GPS控制网。GPS控制网的主要技术指标级别 每对相邻点平均距离d(km)固定误差a(mm)比例误差b(ppm)最弱相邻点点位中误差m(mm)路线特殊构造物路线特殊构造物路线特殊构造物一级4.0105215010二级2.0105525010三级1.01051025010四级0.51020502.2 洞外高程控制测量 洞外高程控制测量的任务是按照测量设计中规定的精度要求，施测隧道洞口（包括隧道的进出口、竖井口、斜井口和坑道口）附近水准点的高程，作为高程引测进洞的依据。高程控制一般采用三、四等水准测量，当两洞口之间的距离不大于1km时，应在中间设临时水准点。如果隧道不长，高高程控制测量等级在四等以下时，也可采用光电测距三角高程测量的方法进行观测。三角高程测量中，光电测距的最大边长不应超过600m，且每条边均应进行对象观测。高差计算时，应加上地球曲率改正。 三、大山脑隧道施工测量大山脑隧道施工测量的内容包括：隧道正式开挖之前测设掘进方向；外挖过程中，测设隧道中线和腰线，指示掘进方向，隧道开挖到一定的距离后，进行洞内控制测量；如果在隧道中间开挖竖井，则还需进行竖井联系测量等。3.1 大山脑隧道掘进方向的测设与标定根据洞外控制点的坐标和路线交点JD的设计坐标，我们计算出进口点A处的隧道掘进夹角a,按a定出A-JD方向；计算出进洞点B处的隧道掘进夹角b,按b定出B-JD的方向。也可以在AutoCAD中直接标注a和b。其操作方法是：使用Point命令，通过直接输入洞外控制点和设计中线交点JD的坐标展点，使用Line命令连接各点，（注意使用节点捕捉nod）,然后使用角度标注命令Dimangular标注出a与b。将上述定出的掘进方向标定在地面上的方法是：在掘进方向上埋设并标定出A1,A2,A3,A4桩，在垂直于掘进方向埋设并标定出A5，A6，A7，A8。桩如下图。桩位应埋设为混凝土或石桩。点位的选取应注意在施工过程中不被破坏和扰动。还需要测量出进洞口点A至A2,A3 A6，A7点的距离以便在施工过程中随时检查和恢复洞口的位置。3.2 开挖施工测量3.2.1 隧道中线和腰线 洞口开挖后，随着隧道的向前掘进，要逐步往洞内引隧道中线和腰线。中线控制掘进方向，腰线控制掘进高程和坡度。3.2.1.1 中线测设 一般隧道每掘进20m左右时，就要测设一个中线桩，将中线向前延伸。中线桩可同时埋设在底部和顶部见示意图13-43所示：测设隧道曲线段中线桩时，因为洞内工作面狭小，不断可能使用切线支距法或偏角法测设中线桩，一般使用逐点搬移测站的偏角法进行测设。如左图13-44所示，将圆曲线长L分为等分，每一段曲线长为=，所对的圆心角为=/n,所对的弦切角为/2，对应的弦长为C=2Rsin/2。或在AutoCAD中使用倒圆角命令Fillet，以设计圆圆曲线半径R对直线A-JD和JD-B倒圆角，使用定数等分命令Divide在圆曲线上放置n-1个节点将圆曲线n等分，使用直线命令Line绘出圆心至n-1个节点的直线及各弦长，使用对齐标注命令Dimaligned标注弦长，使用角度标注命令Dimangular标注弦切角。测设时，仪器安置于ZY点，盘左后视进洞点A，配置水平度盘读数为0，倒镜即得曲线的切线方向ZY-JD,转角/2，得ZY-P1方向，沿该方向用测距仪测设出弦长c，然后用盘右重复上述操作，最后去两次测设点位的中点为最后结果。当掘进超过P1点时，将仪器安置于P1，以ZY点为后视方向重复上述操作，测设出P2。依此法，直至测设到曲线终点或贯通面。3.2.1.2 腰线测设高程由洞口水准点引进，随着隧道掘进的延伸，每隔10m应在岩壁上设置一个临时水准点，每隔50m设置一个固定水准点，以保证隧道顶部和底部按设计纵坡开挖和衬砌的正确放样。水准测量均应往返观测。根据洞内水准点的高程，沿中线方向每隔5-10m，在洞壁上高出隧道底设计地坪高1m的高度标定超平线，称为腰线。3.2.2 掘进方向指示由于洞内工作面狭小，光线暗淡，在隧道施工中，我们使用具有激光指示功能的TCA1201徕卡全站仪。还有激光经纬仪与指向仪来确定隧道掘进方向。注：当采用盾构法或自动顶管法施工时，可以使用激光指向仪或激光经纬仪配合光电跟踪靶，知指示掘进方向。光电跟踪靶安装在掘进机器上，激光指向仪或激光经纬仪安置在工作点上并调整好视准轴的方向和坡度，其发射的激光束照射在光电跟踪靶上，当掘进方向发生偏差时，安装在掘进机上的光电跟踪靶输出偏差信号给掘进机，掘进机通过液压控制系统自动纠偏，使掘进机沿着激光束指引的方向和坡度正确掘进。3.2.2 开挖断面放样 如果采用盾构机掘进，因盾构机的钻头架是专门根据隧道断面而设计的，可以保证隧道面在掘进时一次成形，混凝土预制衬砌块的组装一般与掘进同步或交替进行，所以，不需要测量人员放样断面。在大山脑隧道中我们采用凿岩爆破法施工，则每炮破一次后，都必须将设计隧道断面放样到开挖面上，以供施工人员安排炮眼，准备下一次爆破。 如右图所示。挖断面的放样是在中垂线VV和腰线HH的基础上进行的，在设计图纸上一般都给出断面的宽度、拱交合拱顶的标高、拱曲线半径等数据。侧墙的放样示意中垂线VV为准，向两边量取开挖宽度的一半，用红漆或白灰标出，即是侧墙线。拱形部分可根据计算或在AutoCAD上标注尺寸放出圆周上的1，2，3等点，然后连成圆弧。四、大山脑隧道洞内控制测量大山脑隧道洞内控制测量包括平面控制和高程控制，平面控制采用导线，高程控制采用水准。洞内控制测量的目的是为隧道施工测量提供依据。4.1 洞内导线测量洞内导线通支是指导线，而且它不可能一次测完，只有掘进一段距离后才可以增设一个新点布设一个新点就需要进行测量，一般每掘进2050m就要增设一个新点。为了防止错误和提高支导线的精度，通常是每埋一个新点后，都应从支导线的起点开始全面重复测量。复测还可以发现已建成的隧道是否存在变形，点位是否被碰动过。对于直线隧道，一般只复测水平角。洞内导线的水平角观测，可以采用DJ2级经纬仪观测2测回或DJ6级经纬仪观测4测回。观测短边的水平角时，应尽可能减少仪器的对中误差和目标偏心误差。使用全站仪观测时，最好使用三联架法观测。对于长度在2km以内的隧道，导线的测角中误差应不大于5，边长测量相对中误差应应小于1/5000。4.2 洞内水准测量 与洞内导线点一样，每掘进2050m就要增设一个新水准点。洞内水准点可以埋设在洞顶、洞底或洞壁上，但必须稳固和便于观测。可以使用洞内导线点标志作为洞内水准点标志，也可以每隔200500m设置一个较好的专用水准点。没埋设一个水准点后，都应从洞外水准点开始至新点重复往返观测。重复水准测量还可以监测已建成隧道的沉降情况，这对在软土中修建的隧道特别重要。五、竖井联系测量一般在长隧道的中部开挖竖井，增加速度掘进工作面，以加快工程进度，见下见图示。竖井联系测量的目的是将地面控制点的坐标、方位角和高程，通通过竖井传递到地下去，以保证新增工作面隧道开挖的正确贯通。根据地面上已有的控制点把竖井的设计位置放样在地面上。竖井开挖过程中，其垂直度靠悬挂重锤的铅垂线来控制，开挖深度用长钢尺丈量。当竖井开挖到设计深度，并根据概略掘进的中线方向向左右两翼掘进约10m后，就必须通过竖井联系测量将地面控制网的坐标、方位角和高程精度地传递到井下，为隧道施工测量提供依据。5.1 方向法一井定向 在竖井中自由悬挂两根钢丝线，下端挂上510kg的重锤，重锤浸在有适当粘稠度的油桶里，带悬挂钢丝线的重锤的摆幅稳定后，即可进行观测。一井定向有多种测量方法，现在就介绍方向线法。如上右图所示，利用图的洞外控制点3,4测设出位于竖井附近的K，L两点，使其连线KL位于隧道中线上；将经纬仪安置在K点，在KL方向上且距竖井边缘35m处a，b两个桩位；将经纬仪安置在a点，照准b点，先使较远的一根钢丝通过移动对中板使之严格的位于视线上；用同样的方法，调整较近的一根钢丝，再准确量出两钢丝间的平距l1和a点至钢丝的平距S1，利用a，b点的坐标和S1可以计算出右边悬吊钢丝的坐标。在井下，用拉线的方法在距离钢丝吊垂线510m的位置粗略确定四点c，d，e，f的位置并埋设好点位，在f点上安置仪器，用逐渐趋近法移动仪器，使仪器视线与两吊垂线严格位于同一竖直面内，旋紧仪器连接螺旋，将该方向投影并标志到预埋的c，d，e点位上，而f点的准确位置通过经纬仪的光学对中器将其投影下来确定，则c，d，e，f点的连线即为隧道中线。量出井下两根钢丝的平距l2及图中的平距S2，S3，S4，S5，要求l1与l2之差不超过1mm。利用右边悬吊钢丝的坐标及ab连线的坐标方位角可以计算出c，d，e，f点的坐标。在一井定向测量中，钢丝的稳定对保证定向的精度非常重要。为了提高照准精度，减少吊锤摆动的影响，可在两吊垂线后各横置1mm分划的直尺，辅以灯光照明，观测吊锤的摆动的振幅，然后取平均位置作为标定方向。5.2 使用陀螺经纬仪传递方位角如上右图所示，在地面竖井附近的洞为控制点4上安置陀螺经纬仪，在竖井中悬吊一根钢丝，测出4点至钢丝的真方位角，量出平距Sm，即可算得悬吊钢丝的坐标；在井下q点安置陀螺经纬仪，测出q点至钢丝的真方位角，量出平距Sq，即可推算出q点的坐标；再测出j点的方位角和距离Sj,即可推算出j点的坐标。采用陀螺经纬