隧道贯通控制的实施与贯通精度剖析.doc

隧道施工贯通控制测量与贯通误差剖析李军安（陕西省水利电力勘测设计研究院测绘分院 西安 710002）摘要：本文以大坪隧道施工贯通控制测量的实施过程为例，从洞外平面和高程控制的建立、到洞内监测三维支导线的观测以及贯通后的实际贯通误差测定等进行综合剖析，提出贯通过程中应加强的质量控制问题。关键词：隧道施工 贯通控制 实施 误差剖析 The Tunnel Construction Control Survey And Through Error AnalysisLi Jun-an(Shaanxi Provincial Water Conservancy and Electric Power Survey and Design Institute of Surveying and Mapping Branch,Xian,710002)Abstract: In this paper, in order to Daping tunnel construction through control measurement process as an example, from outside the plane and elevation control establishment, to the monitoring of three-dimensional traverse through the observation and the actual error of determination and comprehensive analysis, put forward through process should strengthen quality control problems.Key words: Tunnel Construction,Penetration Control,Implementation,Error Analysis1 项目概述陕西省引汉济渭工程黄三公路是连接三河口和黄金峡两大水利枢纽工程的主干交通要道，大坪隧道施工按期、准确贯通对黄三公路施工进程起着决定性作用。隧道全长4.202km（进口桩号：K4+490，出口桩号K8+692），隧道进出口均位于秦岭腹地的峡谷内，隧道最大埋深378米，施工分别从进出口两端相向开挖。建立洞内外平面和高程控制是施工贯通的基准，作为控制测量是保证隧道贯通质量的前提，测量数据的准确度将直接影响隧道贯通质量。下面结合工程实际实施过程，对贯通精度进行剖析。2 洞外平面控制测量2.1平面控制网布设在隧道进出口附近各布设一组GPS控制点，进口端GPS点编号：D4、D5、D6，出口端GPS点编号：D2、DG07、GPS59（后两点利用规划设计阶段已有控制点标石）；网形如图1所示。2.2 观测2.2.1 采用六台Trimble 双频GPS接收机观测，仪器标称精度为（5mm+1mm/km）。2.2.2 GPS观测采用静态方式测量，观测时段数2个，观测时段的时间（min）大于90分钟，接收机连续、同步跟踪卫星数大于4，卫星高度角大于15，PDOP值小于6。2.2.3 因隧道进出口位于秦岭腹地峡谷，为了加强及验证GPS网的精度，采用TOPCON全站仪（GTS3002LN）按三等观测精度分别加测隧道进、出口处控制点的水平角及边长。2.3 GPS数据处理2.3.1 基线向量解算采用GPS后处理软件TGO，平差采用PowerADJ4.0软件。首先对GPS观测数据进行基线解算；接着进行观测成果的检核，其重复观测边的任意两个时段的成果互差均小于接收机标称精度的2倍，但同步环各坐标分量闭合差偏大，故在数据处理时加入地面实测边长以加强网的精度。2.3.2 在各项质量检核后，以所有独立基线组成闭合图形，以三维基线向量及其相应方差协方差阵作为观测信息，以一个点的三维坐标作为起算依据，进行GPS网的无约束平差。2.3.3 在无约束平差确定的有效观测量基础上，在1954年北京坐标系(3分带)下以GPS59和DG07（GPS59和DG07为可研阶段测量时留设的GPS点）作为已知起算点进行约束平差，约束平差后控制网的最弱相邻边相对中误差小于1/70000。2.3.4 以1954年北京坐标系约束平差后的DG07点坐标、DG07D6的方位及全站仪观测的三等地面边长（以上边长均投影到隧道平均高程面680米）作为起算数据进行约束平差，作为隧道施工贯通平面控制基准。平差后控制网的最弱边边长相对中误差为1/614950规范1/70000，最弱点点位中误差为6.4mm。平差后的坐标解算水平角，与隧道进出口的地面观测水平角进行对比检核，检核结果如下表1所示。地面观测水平角与GPS网平差角值较差统计表 表1测站照准点观测值（）GPS平差值（）较差（）限差（）DG07D215 50 18.7215 50 18.98-0.275.1GPS59GPS59DG0716 15 16.0016 15 15.500.505.1D2D2D2147 54 27.06147 54 25.511.555.1D1D4D5114 45 41.67114 45 42.34-0.675.1D4D5D425 59 42.5625 59 42.71-0.155.1D6D6D639 14 34.9439 14 34.95-0.015.1D5通过上表1的地面观测水平角与GPS网平差角值较差对比看，说明GPS网观测精度可靠。3 洞外高程控制测量3.1测量方案3.1.1测区山高坡陡，水准测量难以施测，故采用三等光电测距三角高程测量方法布设控制方案，观测方法采用单程双测。3.1.2本次测量以DG07为起闭点，布设三环光电测距三角高程网，联测隧道进出口施工平面控制点D2,D4,D6，洞外三角高程控制网布置如图2所示。3.2 外业观测观测使用WILD T2/DI2002 红外测距仪施测。边长往返各测四测回，垂直角往返三丝法两测回，并在测站和镜站测定气象元素，取平均值；仪器高和棱镜高用钢尺量测两次取中数，读数取至毫米。边长进行了仪器加、乘常数，气象和倾斜改正，各项观测限差均符合规范要求。3.3 外业观测成果验算及数据平差处理首先对高程线路三个闭合高程环闭合差及每千米高差中数偶然中误差M进行验算，见表2所示；接着采用工程测量控制网平差系统（NASEW）平差软件进行严密平差，其精度统计表见表2所示。洞外三角高程测量精度统计表 表2起闭点型式路线长度(Km)高程路线闭合差(mm)每千米高差中数偶然中误差M(mm/km)最大高程中误差(mm)实测允许实测允许实测允许H0H0闭合5.80+0.428.92.753.03.6710.0H7H7闭合9.51+2.337.0H19H19闭合4.27-5.724.8由表2各项测量精度指标看，洞外高程控制采用多环光电测距三角高程方案达到了预期比较理想的效果。4洞内施工贯通监测控制4.0.1洞内施工贯通监测控制布设。洞内监测控制分别由进口、出口端洞外控制点起始，向洞内布设光电测距带高程支导线，平面等级为三等，高程等级为四等，控制点埋设由施工单位负责完成。4.0.2洞内控制观测。观测仪器使用Leica TCA2003全站仪（测角精度0.5，测距精度1mm+1ppm）。洞内三维支导线根据施工进度分两期进行了监测，并独立观测两次。4.0.3 光电测距支导线水平角观测4个测回。采用左、右角观测，奇数测回观测左角，偶数测回以前进方向为起始方向观测右角。边长往返各2个测回，斜距观测前后分别测取测站、镜站温度及气压。天顶距观测为中丝法对向各3个测回。4.0.4洞内监测控制贯通前实施了两次，第二次外业观测结束后，洞内监测控制按两次观测成果整体进行计算测角和测距中误差。测角中误差0.94（允许1.8），一次测量观测值中误差1.15mm，对向观测平均值中误差0.81mm。5贯通误差的测定及剖析5.0.1 进出口相向开挖隧道贯通后，在贯通面中线附近设点K12,由两端支导线分别测量K12点的坐标和高程。进口端支导线至K12点，导线边数13条，最大边长576.823m，最短边长106.181m，平均边长214.989m，总长2794.861m；出口端支导线至K12点，导线边数8条，最大边长383.673m，最短边长291.528m，平均边长341.396m，总长2731.167m。（1）分别按两次独立观测成果计算其较差如表3所示。两次独立观测成果对比较差表 表3位置第一次观测第二次观测较差（mm）平均值进口端光电测距支导线推至贯通面K12点X3684495.203783684495.24338-39.603684495.2236Y499830.48814499830.4389949.15499830.4636H690.8033690.8059 -2.60 690.8046出口端光电测距支导线推至贯通面K12点X3684495.053573684495.09317-39.603684495.0734Y499830.51256499830.4694243.14499830.4910H690.7904690.79010.30690.7902从表3看，进口、出口支导线各自两次独立观测成果差值均比较小。（2）由两端支导线分别计算得K12点的坐标较差为：X=150.2mm，Y=-27.4mm，高程较差H=14.4mm。其坐标较差分别投影至线路中线及其垂直的方向上，计算得横向贯通误差121mm，纵向贯通误差93mm。5.0.2测取贯通面中线附近设点K12的水平角，将两端洞内支导线进行了联测，组成两条独立的附合三维光电测距导线。其导线精度如下表4。 洞内贯通导线测量精度统计表 表4测次折角数长度(m)方位闭合差（）Fx(mm)Fy(mm)Fs(mm)fH(mm)相对精度点位中误差(mm)第一次225526-11.4-138.915.6139.8-12.941/3952444.3第二次-28.2-123.111.0123.6-15.81/4470554.9限差16.928.21/55000从上表可以看出，洞内贯通监测控制导线平面精度较差，特别是第二次独立观测的洞内贯通导线方位角闭合差未达到三等导线测量精度要求。5.0.3贯通后联测的洞内附合导线与进出口端洞内支导线在贯通面K12点的坐标进行比较，如表5所示。 贯通后的洞内附合导线与支导线坐标高程较差 表5导线名称XYHX(mm)Y(mm)H(mm)附合导线3684495.0972499830.5085690.798进口端支导线3684495.2236499830.4636690.805-126.4 44.9-7出口端支导线3684495.0734499830.4910690.79023.8 17.5+ 8从表5较差可以看出，贯通后联测的附合导线与出口端支导线在贯通面K12点的坐标差值较小；贯通后联测的附合导线与进口端支导线在贯通面K12点的坐标差值达134.2mm，这除与进口端洞内轴线为曲线、支导线布设边短、测站个数多有关外，还与进口端洞内支导线观测质量有关。6 监测质量的评价与思考6.0.1通过本工程施工贯通后的竖向误差测定值及贯通后组成的附合高程路线测量精度验证说明，在高山地域隧洞施工贯通洞外高程控制测量采用光电测距三角高程网方案，严格执行测量规范的作业方法，是完全可以满足隧洞施工竖向贯通精度要求的。6.0.2在峡谷地域的隧洞进出口布设GPS控制点，采用GPS网观测方案时，宜加测地面边长联合平差，可提高成果精度和可靠性。6.0.3通过本工程贯通后的实际贯通误差测定剖析说明，洞内三维支导线测量受洞轴线形状限制，测站个数无法优化。要提高贯通精度，应特别注意洞内观测环境诸如灰尘、照准目标光线强弱等因素对测量精度的影响。6.0.4对于贯通精度要求