铁路长大隧道施工控制网测量方案优化设计_孟拴成.pdf

地矿测绘2023，39(2):2529CN 531124/TDISSN 10079394Surveying and Mapping of Geology and Mineral esources铁路长大隧道施工控制网测量方案优化设计*孟拴成，王涛(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安710043)摘要:铁路长大隧道施工一般采用分段施工，如何通过斜井坑道建立一套高精度的施工平面控制网，是实现隧道各个贯通面准确贯通的前提。受观测条件、观测仪器、观测方法、施工干扰等因素影响，洞内测量误差和洞口联系测量误差对隧道横向贯通误差影响显著。据此，以西北某长大隧道施工平面控制网测量为例，通过现场踏勘和技术分析对测量方案进行优化设计，主要采用了固定测站联合自由设站边角交会以及在短边处采用移动式强制观测墩进行短边传递的构网方案，结合相应的测量精度控制和保证措施，使得隧道精密控制网的测量精度和可靠性得到明显提高，通过精度统计和隧道横向贯通精度验证，优化后的测量方案达到了预期效果。关键词:长大隧道;横向贯通误差;固定测站;自由设站边角交会;移动式强制观测墩中图分类号:U 238文献标识码:A文章编号:10079394(2023)02002505Optimization Design of Measurement Scheme for ConstructionControl Network in Long ailway TunnelsMENG Shuan-cheng，WANG Tao(China ailway First Survey and Design Institute Group CO，LTD，Xi an Shanxi 710043，China)Abstract:Long railway tunnel construction generally involves sectional constructionEstablishing a high-preci-sion construction plane control network through inclined shaft tunnels is a prerequisite for accurate breakthroughs atvarious tunnel interfacesInfluenced by factors such as observation conditions，instruments，methods，and constructioninterference，the measurement errors inside the tunnel and the errors at the tunnel entrance significantly affect thetunnel s lateral breakthrough errorsTaking the measurement of construction plane control network in the longtunnel in northwest China as an example，we optimize the measurement scheme through field surveys and technicalanalysisThe primary methods employed include the fixed station combined with the free station angle intersectionand a short-side transfer scheme using a mobile forced observation pier at the short edgeCombined with correspond-ing measurement accuracy control and assurance measures，the precision and reliability of the tunnel s precise con-trol network are significantly improvedThrough accuracy statistics and lateral breakthrough accuracy verification ofthe tunnel，the optimized measurement scheme achieves a desired effectKey words:long railway tunnel;lateral breakthrough error;fixed station;free station angle intersection;mobileforced observation pier0引言铁路长大隧道横向贯通误差是隧道工程质量控制的关键环节。目前隧道施工控制网一般采用导线网的形式，在复杂斜井条件下，短边或连续短边会使施工导线控制网精度大大降低，从而出现横52*收稿日期:20230203DOI:10.16864/ki.dkch.2023.0017向贯通误差偏大甚至超限，影响隧道的准确贯通。本文结合工程实际，通过对隧道贯通误差影响因素的分析，预测隧道洞外、洞内控制测量对隧道贯通误差的影响，同时经过现场踏勘，分析现场测量误差来源，围绕如何提高斜井洞内短边或连续短边的控制测量精度，减小由隧道施工控制网测量误差引起的横向贯通误差，采用对应的技术手段及精度控制措施，对隧道控制网测量方案优化设计进行探讨。1工程概况西北某长大隧道，全长 17.125 km，设计为双线隧道，时速 250 km，隧道穿越 F4、F5、F6、F7 大区域性断层，最大埋深 952 m。隧道施工采用“长隧短打”，通过辅助坑道开辟多个作业面，实现隧道分段施工，以缩短工期，提高经济效益。该隧道是国内首次在越岭选线中利用既有斜井解决越岭地质复杂揭示问题，同时解决环保选线及施工方案的隧道。其越岭段利用了既有 7 号、5 号斜井，为了将既有斜井和新建隧道联通，在既有斜井内又设置了 2号及 3 号支洞。隧道越岭段既有斜井及贯通面的分布如图 1所示。图 1隧道越岭段既有斜井及贯通面分布图Fig1Distribution diagram for existing inclined shaft and through surface in crossing ridge of tunnel通过现场踏勘发现，7 号既有斜井为单车道斜井，长度为 2 400 m，坡度为 10.71%;5 号既有斜井长度为1 750 m，坡度为12.33%;受现场地质条件影响，斜井截面较小，坡度大，支洞与原既有斜井衔接处为弯道衔接，导线布设边长短(平均导线边长116 m，最短处为 28 m)。采用常规的导线测量方法因受导线边长、转站多、洞壁旁折光、坑道内团雾以及现场施工车辆干扰等因素的影响，会导致传递进入正洞的导线方位精度降低，随着隧道正洞掘进，误差累积增大，最终会影响隧道横向贯通精度。2隧道内导线网精度影响因素分析1)隧道工程的贯通误差包括横向、纵向和竖向3 个方向的贯通误差，横向和纵向为平面贯通误差，竖向则为高程贯通误差13。从目前的测量技术水平和工程实际出发，横向贯通误差较难达到。横向贯通误差的主要来源包括洞外地面控制测量误差、洞口联系测量误差、洞内导线测量误差。本项目受辅助坑道截面小、坡度大、导线连续短边、观测环境受限等因素影响，洞内导线测角误差的累积将是横向贯通误差的最大来源。2)斜井口处于山谷里，洞口内外的大气环境差异较大，洞内阴暗、潮湿、粉尘大，洞外相对明亮、干燥，较大的环境差异将造成洞内外的方位角传递边受折光的影响，对洞内平面控制网起算方位角产生较大的影响。3)由于斜井长度长、纵坡较大，连续弯道导致斜井内导线边长较短。此外斜井转入正洞交会处因受辅助坑道断面狭窄、交叉口施工机具众多的影响，通视距离受到限制，也只能布设短边。采用常规的导线测量方法受到设站点、目标点对中误差累积的影响，传递进入正洞的导线方位精度降低，测量误差随着开挖的不断延伸进一步增大，最终影响贯通面贯通精度。4)施工期间观测条件限制，施工运输、爆破、烟尘、雾气等造成通视条件差，旁折光无规律变化对62地矿测绘2023 年 6 月测量过程干扰较大，随着误差累积，会造成导线端横向摆动增大，影响隧道横向贯通精度。因此，选择高精度的仪器设备、做好现场的协调配合，选择合适的测量时段，也是保证洞内导线测量精度的关键环节。3隧道施工控制网测量方案优化本项目在观测网形较弱的斜井与洞外、斜井与正洞采用了固定测站联合自由设站边角交会网进行联系测量35、在短边处采用移动式强制观测墩进行导线短边传递的构网方案，同时加强现场测量精度保证措施，有效地减少了误差的累积和传递，确保了隧道的顺利贯通。具体优化方案如下:31进洞联系测量控制网优化设计为满足施工进洞引测需要，在 7 号斜井和 5 号斜井口各布设 3 个 GNSS 平面控制点，洞外平面控制测量采用 GNSS 布网，基线边采用双频 GNSS 接收机观测，通过延长观测时间、增加观测时段和采用精密星历解算等措施，确保洞外起算点成果精度满足隧道贯通精度要求。以 7 号斜井为例，如图 2 所示，洞内外联测方案优化为:CPI71、CPI72、CPI74 为洞外控制点，CPI71 与斜井口的1 对交叉导线点 3ZDK1、3ZDK2 通视，同时也与 CPI72 通视。在 CPI71 点设站，后视 CPI72，前视 3ZDK1、3ZDK2。在斜井口附近寻找一个合适的设站点，加测一自由测站ZS01，该自由测站既与洞外控制点 CPI71、CPI74通视，又与斜井口 的 2 对交叉导线点 3ZDK1、3ZDK2、3ZD1、3ZD2 通视，在自由测站 ZS01 对这 6个点进行多测回边角测量;然后在斜井口的一对交叉导线点 3ZDK1、3ZDK2 上分别架设全站仪，对CPI71 和往斜井内的下一对交叉导线点 3ZD1、3ZD2 进行观测，从而完成斜井口联系测量。把传统方法的单边联系测量，优化为固定测站联合自由测站相结合的构网形式，使得联系测量具有多余观测量，并形成组合网形式，有效提高了进洞边方位角的联测精度。32斜井通道内短边控制测量优化设计斜井内存在多条连续超短边，仪器的对中误差和棱镜目标偏心差对于短边水平角观测精度的影响显著57。此外，由于洞内环境复杂，受通风、洞内湿度大和粉尘影响，全站仪测线在水平方向发生折射弯曲，因此旁折光对水平方向观测的影响也不图 2洞口联测示意图Fig2Tunnel entrance joint survey diagram容忽视。当全站仪测线位于隧道中心线附近时，受旁折光影响较小，因此，避免旁折光影响的有效方法是将洞内导线点布设在斜井中线附近，但斜井中线处往往因为交通运输繁忙，致使控制点容易遭受破环，所以要实现在隧道中线处布点观测也是比较困难的。采用移动强制观测墩进行短边处的导线边传递，较好地解决了上述问题，可最大限度地提高短边联测精度。移动强制观测墩由强制对中盘、立柱、底座、膨胀螺栓组成(见图 3)，制作立柱的关键是对中盘、底座与立柱焊接牢固且保持水平，考虑折光、仪器稳定等因素，立柱高度 0.9 m。底座螺栓开孔为 1 个圆孔和 3 个椭圆孔，是避免打孔偏差造成的现场无法快速与地面稳固连接。安装移动强制观测墩时应注意水泥地面和立柱基座连接处的地面需预先凿平。移动强制观测墩实景见图 4。图 3移动式强制观测墩组件Fig3Mobile forced observation pier component观测作业开展前，应注意通风管道开启防尘、除雾功能，施工车辆暂时中断运输。在弯道处同步安装好移动式强制对中立柱，观测网形如图 5 所示。短边处导线观测方法和常规交叉导线观测方法一致，即在 3ZD20 设站观测前后各一对点，在3ZD19 设站观测前后各一对点，依次推进，直至在3ZD25、3ZD26 设站完成后，现场检核数据合格72第 39 卷第 2 期孟拴成，王涛:铁路长大隧道施工控制网测量方案优化设计图 4移动强制观测墩实景Fig4eal view of mobile forced observation pier图 5移动强制观测墩观测示意图Fig5Observation diagram of mobile forced observation pier后，方可拆除在地面安置的强制观测墩。移动式强制观测墩的设置使得全站仪设站和棱镜安装的对中精度优于 0.1 mm，大大改善了仪器的对中误差和棱镜目标偏心差对于短边水平角观测精度的影响，同时移动设站也解决了通道交通运输导致的测点难以保护和点位布设困难的难题。33斜井与正洞测量优化设计辅助通道与正洞交叉口施工机具众多，通视条件不好。由于斜井的纵坡较大，斜井内的交叉导线网的边长布设较短，斜井洞内导线边长为 65 m 左右。此外，为了确保隧道的横向贯通，需要对辅助通道与正洞交叉口平面联系测量方案进行优化。观测方案如图 6 所示，分别在辅助通道内加测一个自由测站 ZS02，在正洞内加测一个自由测站ZS03，通过加强网形确保辅助通道与正洞交叉口平面联系测量精度。在自由测站 ZS02，观测 3ZD45、3ZD46、3ZD47、3ZD48，和正洞导线点 168SG05、168SG06。在正洞内加测自由测站 ZS03，观测斜井导线点 3ZD47、3ZD48，和正洞导线点 168SG03、168SG04、168SG07、168SG08。相对于传统的辅助通道与正洞交叉口平面联系测量，优化后的方法具有以下优势:在交叉口短图 6斜井与正洞联测示意图Fig6Diagram for joint measurement of inclined shaft and forward边和通视条件不好的情况下，优化后的辅助通道与正洞交叉口测量多余观测数明显增多，图形强度显著增强，方位角传递的精度得到明显提高。34导线网现场测量精度控制措施1)导线点布设在施工干扰小、稳定可靠、便于设站的地方，视线应离洞内设施 0.2 m 以上，有条件的地方尽量布设在隧道中线附近，以减少旁折光的影响。2)开展洞内控制测量前，隧道施工应提前停止、运砟车辆停运，保证洞内无明显震动、无灰尘影响，开启隧道通风除雾设备，提高洞内能见度。3)采用高精度仪器设备，并对设备进行常规检校，确保仪器和棱镜基座的对中误差在限差允许范围内。本项目采用徕卡 TS60 全站仪，测角精度为0.5，测距精度能达(0.6+1106D)mm810。4)施测时将边长两端的温度气压平均值准确输入仪器，直接进行气象改正，最大限度消除环境温度和气压对测距的影响。5)洞口测站观测宜在晚上或阴天，洞内外气压、温度等气象条件稳定的环境下进行。6)采用强制对中装置能有效消除仪器对中误差，提高观测效率和测量精度。4精度分析41导线测量精度分析隧道贯通后进行了贯通导线测量，隧道导线控制网贯通精度统计见表 1。从表中可以看出:隧道导线控制网测距中误差为 0.76 mm2 mm 限差、测角中误差 1.041.3限差、相邻点相对点位中误差1.11 mm5 mm 限差、导线全长闭合差 1/187 32682地矿测绘2023 年 6 月1/100 000 限差和方位角闭合差 2.119.4限差，说明导线网主要精度指标均满足规范隧道二等精度的要求。42贯通误差测定与调整隧道贯通后，在贯通面选取一个公共点，分别由 7 号斜井和 5 号斜井导线对该点进行测量，测量结果见表 2。从表中可以得出:隧道贯通面横向贯通误差为 34.6 mm130 mm 限差，满足隧道贯通限差要求。该隧道为直线隧道，隧道贯通后对未衬砌段采用折线法调整施工。表 1导线网测量主要技术指标统计表Tab1Statistics of main technical indicators of wire network measurement导线等级测距中误差/mm测角中误差/()相邻点相对点位中误差/mm导线全长相对闭合差方位角闭合差/()隧道二等0.761.041.111/187 3262.1表 2贯通面贯通误差统计表Tab2Statistical of through errors in penetration plane导线X/mY/m反算里程反算偏距/m7 号斜井4112276478121DK166+617.1721.2195 号斜井4112140477793DK166+617.1831.184注:因保密需要，表 2 中坐标的部分数值用“*”号代替。5结论对于特殊环境下的隧道控制网，为保证隧道的横向贯通误差满足规范要求，应结合工程实际，采用相应技术手段优化测量方案。通过实例，笔者得出以下结论:1)在洞口和辅助通道与正洞交叉口采用固定测站联合自由测站相结合的构网形式，使得联系测量具有多余观测量，并形成组合网形式，网形强度显著增强，可以有效提高进洞方位角精度。2)采用移动式强制观测墩，可以有效减少仪器的对中误差和棱镜目标偏心差，确保短边水平角观测精度，同时移动设站也解决了弯道处测点难以保护的问题。3)选择高精度的设备，对测距进行气压、温度改正，避开现场施工干扰、观测环境较差的时段，也是提高观测精度的重要手段。隧道施工控制网测量方案的优化设计，有效地提高了隧道洞内导线控制网测量精度，确保隧道贯通面准确贯通。文中介绍的隧道控制网优化方法对于类似长大隧道的施工具有一定的借鉴意义。参考文献 1 中华人民共和国铁道部TB106012009 高速铁路工程测量规范 S 北京:中国铁道出版社，2010 3 杨思山高铁长大隧道洞内 CP控制网分段测量技术研究 D 成都:西南交通大学，2017 4 武瑞宏兰渝铁路兰州至广元段精密工程控制测量 技术体系及特点 J 铁道标准设计，2019(11):3539 5 王建成，刘成龙，杨思山，等高铁长大隧道洞内 CPII网分多段建网方案探讨J 铁道科学与工程学报，2017(7):1 3611 368 6 陈光金，刘海江，付宏平，等隧道 GNSS 施工控制网复测若干问题探讨 J 铁道标准设计，2017(1):6064 7 陈光金，付宏平，秦德生铁路隧道洞内 CP导线测量与复测精度指标合理性探讨 J 铁道标准设计，2014，58(4):6569 8 赵普分甲乌拉矿区井下控制导线测量方案的设计与实施 J 地矿测绘，2018，34(1):4144 9 朱晓江引水隧洞贯通测量中地下导线测量技术方案设计 J 地矿测绘，2017，33(4):2224 10 凡建林姚辉，林建涛TS60 全站仪在特长隧洞贯通测量中的应用 J 经纬天地，2020(4):47作者简介:孟拴成(1971)，男，山西汾阳人，本科，工程师，主要从事铁路精密工程测量研究。通讯作者:王涛(1991)，男，陕西凤翔人，专科，助理工程师，主要从事铁路精密工程测量研究。92第 39 卷第 2 期孟拴成，王涛:铁路长大隧道施工控制网测量方案优化设计