摘要:本文根據(jù)水利工程隧洞貫通誤差值的最新規(guī)范要求,分析了隧洞貫通測(cè)量誤差的主要來(lái)源及減小誤差的方法,結(jié)合工程案例對(duì)隧洞貫通測(cè)量的測(cè)量方案、測(cè)量?jī)x器、誤差值估算等方面進(jìn)行了研究,對(duì)隧洞貫通測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)及施工放樣有一定的借鑒作用。
關(guān)鍵詞:水利工程;長(zhǎng)隧洞測(cè)量;貫通誤差
0引言
水工隧洞是水利工程建設(shè)中為滿足導(dǎo)流、泄洪、灌溉、引水、排沙等需要修建的水工建筑物。按用途可分為引水洞,導(dǎo)流洞,泄洪洞,排沙洞,放空洞等。隨著中、大型水利項(xiàng)目的開(kāi)工,越來(lái)越多的長(zhǎng)大水工隧洞被相繼開(kāi)挖,而測(cè)量工作是水工隧洞順利貫通的重要保障。在設(shè)計(jì)階段,要進(jìn)行洞外控制網(wǎng)的布設(shè);在施工階段,要復(fù)核原有洞外控制網(wǎng)是否滿足貫通要求,隧洞開(kāi)挖時(shí)要布設(shè)隧洞內(nèi)的施工控制網(wǎng)。目前,涉及水利工程隧洞測(cè)量的規(guī)范[1、2]一般只對(duì)相向開(kāi)挖長(zhǎng)度介于0~20km的隧洞貫通精度進(jìn)行了規(guī)定,如長(zhǎng)度超出20km的隧洞則要求單獨(dú)做控制測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì),而新的《水利水電施工測(cè)量規(guī)范》[3](SL52-2015)對(duì)相向開(kāi)挖長(zhǎng)度0~50km的隧洞貫通測(cè)量極限誤差值做出了明確要求,并對(duì)相向開(kāi)挖長(zhǎng)度0~50km的水工隧洞貫通中誤差值進(jìn)行了分配。本文根據(jù)水工隧洞測(cè)量新技術(shù)、布網(wǎng)新方法,就減小貫通誤差影響進(jìn)行了研究,并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)新規(guī)范中貫通中誤差值的分配進(jìn)行了驗(yàn)證。
1隧洞貫通誤差
1.1隧洞貫通誤差的來(lái)源
目前,隧洞洞外平面控制測(cè)量一般采用GNSS網(wǎng)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線網(wǎng)及三角形網(wǎng),洞內(nèi)平面控制測(cè)量一般采用導(dǎo)線網(wǎng)或邊角網(wǎng);洞內(nèi)、洞外高程控制測(cè)量,一般采用精密電子水準(zhǔn)測(cè)量或光電測(cè)距三角高程測(cè)量進(jìn)行。隧洞測(cè)量時(shí),由于受地面、地下控制測(cè)量誤差的影響,使得隧洞貫通面的中線與設(shè)計(jì)產(chǎn)生偏移,即產(chǎn)生貫通誤差。隧洞的貫通誤差包括橫向、縱向及豎向三個(gè)方向的貫通誤差。按來(lái)源環(huán)境又分為洞外貫通誤差及洞內(nèi)貫通誤差?v向和橫向貫通誤差主要由洞外GNSS網(wǎng)誤差、聯(lián)系測(cè)量誤差及洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量誤差引起。其中,縱向貫通誤差主要由洞外的GNSS網(wǎng)測(cè)量及洞內(nèi)的測(cè)距引起,對(duì)工程貫通影響不大,也能較好地控制,本文不做分析。豎向貫通誤差主要由采用精密電子水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)水準(zhǔn)儀的精度、大氣折光等因素引起或采用三角高程測(cè)量時(shí)的照準(zhǔn)誤差、折光系數(shù)誤差及地球曲率影響引起,由于水工隧洞的特殊性,如豎向誤差超出限差,會(huì)引起水流變緩或出現(xiàn)倒坡,導(dǎo)致隧洞的過(guò)流及承壓發(fā)生改變,甚至使隧洞不能順利貫通。橫向貫通誤差主要由洞外GNSS網(wǎng)測(cè)量、聯(lián)系測(cè)量及洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量引起,主要誤差有測(cè)距誤差、測(cè)角誤差、垂線偏差、對(duì)中誤差及旁折光誤差。其中,測(cè)距誤差對(duì)橫向誤差影響極小,測(cè)角誤差和對(duì)中誤差對(duì)橫向誤差影響較大,隧洞的主支洞高差較大時(shí),垂線偏差對(duì)方位角有影響,而氣象因素引起的旁折光對(duì)控制網(wǎng)的橫向誤差也有一定影響[5]。
1.2隧洞貫通誤差值得確定
一般情況,根據(jù)隧洞相向開(kāi)挖長(zhǎng)度(包括支洞長(zhǎng)度)來(lái)確定橫向、縱向及豎向相應(yīng)的貫通中誤差值的大小[3],最新的《水利水電施工測(cè)量規(guī)范》(SL52-2015)是國(guó)內(nèi)首個(gè)對(duì)長(zhǎng)度超過(guò)20km的隧洞貫通精度做出明確要求的規(guī)范,給出了相向開(kāi)挖長(zhǎng)度50km以下水利工程隧洞貫通容許誤差值的分配。如相向開(kāi)挖長(zhǎng)度大于50km的隧道則需做專門(mén)技術(shù)設(shè)計(jì)。當(dāng)在主斜洞內(nèi)貫通時(shí),縱向誤差按橫向誤差值的大小確定,對(duì)于上下兩端相向開(kāi)挖的豎井,其極限誤差值不超過(guò)±200mm。橫向和縱向貫通容許極限誤差取值相同,豎向貫通要求極其嚴(yán)格,極限誤差值為橫向及縱向貫通極限誤差值的三分之一左右。進(jìn)行隧道貫通測(cè)量設(shè)計(jì)時(shí),一般取極限誤差的二分之一作為貫通面上的貫通中誤差。在《水利水電施工測(cè)量規(guī)范》(SL52-2015)中,根據(jù)隧洞相向開(kāi)挖的長(zhǎng)度,橫向、豎向及縱向的貫通容許極限誤差值和貫通測(cè)量中誤差值按權(quán)函數(shù)法進(jìn)行分配并做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整[6]。地面、地下及貫通面的中誤差分配值滿足式(1):M貫通面=±M2地面+M2地下姨(1)如顧及聯(lián)系測(cè)量時(shí),則貫通面的中誤差分配值滿足式(2):M貫通面=±M2地面+M2聯(lián)系+M2地下'姨(2)
1.3減小貫通誤差影響的方法
對(duì)于洞外GNSS網(wǎng),通過(guò)優(yōu)化控制點(diǎn)布設(shè)、采用雙頻三星接收機(jī)、進(jìn)行星歷預(yù)報(bào)、增加觀測(cè)時(shí)段、增長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間和利用精密星歷解算等措施,可大大減小洞外GNSS網(wǎng)對(duì)橫向貫通誤差的影響[6]。水工隧洞斷面一般較小,測(cè)量時(shí)要面臨高溫、高壓、高濕度及多粉塵的影響,洞內(nèi)平面控制只能布設(shè)成邊長(zhǎng)短而狹長(zhǎng)的導(dǎo)線網(wǎng),測(cè)量時(shí)可通過(guò)增加照明度、通風(fēng)降塵、保持儀器干燥、嚴(yán)格規(guī)范操作、增加檢核條件等方法減小貫通誤差影響。操作儀器時(shí),每站限差檢核合格后再搬站。為增加檢核條件,洞內(nèi)平面控制網(wǎng)可布設(shè)為洞內(nèi)交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)或自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng);布點(diǎn)時(shí)盡量避開(kāi)洞壁側(cè)邊,減小旁折光的影響。聯(lián)系測(cè)量時(shí)洞外高等級(jí)控制點(diǎn)至少有一點(diǎn)與洞內(nèi)通視,高差不要相差太大,定向邊應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度,以減小洞內(nèi)橫向貫通誤差的影響。為避免施工的影響,洞口的控制點(diǎn)應(yīng)布置在不受施工影響的位置,并埋設(shè)強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩。洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)分別埋設(shè)貫通用的基本導(dǎo)線點(diǎn)和放線用的施工導(dǎo)線點(diǎn),基本導(dǎo)線的邊長(zhǎng)應(yīng)盡量的長(zhǎng)且近似相等,施工期間應(yīng)定期檢核基本控制點(diǎn)的精度。當(dāng)隧洞單向開(kāi)挖長(zhǎng)度大于8km時(shí),加測(cè)陀螺方位角能減小橫向誤差的影響[3]。光電測(cè)距三角高程觀測(cè)時(shí),采用對(duì)向觀測(cè),能有效的消除球氣差的影響;往返測(cè)選取氣象條件相近的時(shí)段進(jìn)行,能削弱大氣折光的影響。
2應(yīng)用實(shí)例
2.1工程簡(jiǎn)介
蒙自市楊柳河引水隧洞工程位于蒙自市鳴鷲鎮(zhèn),地理位置為東經(jīng)103°33′~103°40′,北緯23°25′~23°28′,隧洞全長(zhǎng)9.88km,隧洞軸線平均高程1830m,洞內(nèi)設(shè)計(jì)坡比1/1000,隧洞穿越區(qū)地形復(fù)雜,植被茂密,最高海拔2030m。云南省紅河州水利水勘察設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)了該工程的勘察設(shè)計(jì)工作,通過(guò)該工程引水入菲白水庫(kù),為蒙自市城區(qū)供水提供保障。
2.2洞外平面控制測(cè)量
引水隧洞坐標(biāo)系統(tǒng)采用獨(dú)立平面直角坐標(biāo)系,投影面為隧洞平均高程面,中央子午線采用過(guò)測(cè)區(qū)中央的子午線103°35′。洞外平面控制測(cè)量采用GNSS測(cè)量,施測(cè)等級(jí)按三等進(jìn)行,儀器采用南方測(cè)繪S82-T型GNSS雙頻接收機(jī),靜態(tài)標(biāo)稱精度為5mm+1ppm,滿足《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》(SL197-2013)[4]要求的10mm+5ppm技術(shù)要求。洞外控制網(wǎng)布設(shè)在滿足精度要求時(shí)主要考慮網(wǎng)型的可靠性,作業(yè)效率,施工階段方便對(duì)洞外控制點(diǎn)的使用及聯(lián)測(cè)[7]。GNSS控制點(diǎn)選在土質(zhì)堅(jiān)實(shí),視野開(kāi)闊,遠(yuǎn)離高壓線,便于加密、交通便利的地方。洞口控制點(diǎn)滿足導(dǎo)線測(cè)量進(jìn)洞引測(cè)需要,視線距障礙物的距離不受旁折光的影響。靜態(tài)觀測(cè)時(shí),先檢查接收機(jī),進(jìn)行儀器的自測(cè)試,每站記錄測(cè)站名,儀器編號(hào),天線高及觀測(cè)時(shí)間等信息,同步觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度大于90分鐘。在GNSS控制網(wǎng)基線解算前,先進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查,再進(jìn)行基線解算;基線解算合格后,進(jìn)行無(wú)約束平差及約束平差計(jì)算;最后進(jìn)行精度分析與評(píng)定[8]。該工程根據(jù)地形條件采用邊連式共布設(shè)12個(gè)GNSS控制點(diǎn),網(wǎng)中共有32條基線參與平差計(jì)算,閉合環(huán)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為3個(gè),閉合環(huán)總數(shù)32個(gè),其中,同步環(huán)總數(shù)20個(gè),異步環(huán)總數(shù)12個(gè)。二維網(wǎng)約束平差后最弱邊相對(duì)中誤差1/362607,精度滿足《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》(SL197-2013)中小于1/80000的要求;對(duì)于近10km長(zhǎng)的隧洞,對(duì)貫通誤差的影響值中誤差為10km×1/362607=±28mm,小于規(guī)范要求的±30mm,且控制網(wǎng)中其它邊的精度均高于最弱邊相對(duì)中誤差,因而洞外GNSS控制網(wǎng)對(duì)貫通誤差影響值中誤差要小于±30mm。
2.3洞內(nèi)平面控制測(cè)量
洞內(nèi)平面控制測(cè)量基本導(dǎo)線布設(shè)為交叉雙導(dǎo)線網(wǎng),控制網(wǎng)的等級(jí)按三等施測(cè),儀器采用徠卡TS09型全站儀進(jìn)行,測(cè)角標(biāo)稱精度為1″,測(cè)距標(biāo)稱精度1.5mm+1.5ppm。觀測(cè)時(shí),角度至少進(jìn)行2~3次重復(fù)觀測(cè),每次照準(zhǔn)讀數(shù)差小于4″;角度測(cè)回?cái)?shù)為6個(gè),一測(cè)回讀數(shù)較差小于3mm;邊長(zhǎng)進(jìn)行往返各2次測(cè)量,往返較差小于5mm,滿足測(cè)角中誤差小于1.8″,導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差小于1/150000的技術(shù)要求。洞內(nèi)三等導(dǎo)線網(wǎng)橫向貫通誤差估算按下列公式計(jì)算[3、9]:MY=±(m2Yβ+m2Yl姨)/n(3)其中:mYβ=±mβ/ρ∑R2x姨mYl=±ml/l∑d2y姨式中:mYβ———由于測(cè)角誤差所產(chǎn)生的在貫通面上橫向中誤差,mm;mYl———由于測(cè)距誤差所產(chǎn)生的在貫通面上橫向中誤差,mm;mβ———導(dǎo)線測(cè)角中誤差,(″);Rx,dy———導(dǎo)線各點(diǎn)至貫通面的垂直距離和投影長(zhǎng)度,m;ml/l———導(dǎo)線邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差;n———獨(dú)立測(cè)量次數(shù)。該工程為直線型隧洞,中誤差估算時(shí)洞內(nèi)平均導(dǎo)線邊長(zhǎng)按500m計(jì),洞徑為3m,設(shè)貫通面位于隧洞中間,采用交叉雙導(dǎo)線對(duì)橫向貫通的誤差影響值可按單導(dǎo)線的1/姨2計(jì),把數(shù)值代入上式計(jì)算得洞內(nèi)橫向貫通中誤差為±52mm,小于規(guī)范要求的±75mm。從上面計(jì)算中可得,對(duì)于直線型隧洞,測(cè)距對(duì)橫向貫通的影響可忽略,橫向誤差主要誤差來(lái)源是測(cè)角的影響。如要減小測(cè)角引起的貫通中誤差,可從增加導(dǎo)線邊長(zhǎng)、增加獨(dú)立觀測(cè)次數(shù)、采用更高精度測(cè)量?jī)x器等方面進(jìn)行。該工程在施工階段,設(shè)計(jì)方對(duì)施工方進(jìn)行了技術(shù)指導(dǎo),并在臨近貫通面時(shí)進(jìn)行了洞內(nèi)外控制點(diǎn)的復(fù)測(cè)、聯(lián)測(cè)及統(tǒng)一平差,隧洞貫通時(shí)貫通面中誤差小于規(guī)范容許值的要求。
2.4高程控制測(cè)量
由于該工程地處高原、地形復(fù)雜,洞外,洞內(nèi)高程控制測(cè)量采用三等光電測(cè)距三角高程測(cè)量代替水準(zhǔn)測(cè)量[3、4]。洞外測(cè)量路線滿足交通便利、盡量利用平面控制點(diǎn),洞內(nèi)高程控制點(diǎn)與平面控制點(diǎn)共用。測(cè)量時(shí),采用對(duì)向觀測(cè)方法進(jìn)行,以消除大氣折光和地球曲率對(duì)高差的影響。平差計(jì)算時(shí),要進(jìn)行氣象、邊長(zhǎng)投影、邊長(zhǎng)加乘常數(shù)等項(xiàng)改正。洞外,洞內(nèi)高程測(cè)量誤差對(duì)豎向貫通誤差的影響按下列公式計(jì)算[3、5]:Mh=±(m2h外+m2h內(nèi)姨)(4)其中:mh外=±MΔ姨L外mh內(nèi)=±MΔ姨L內(nèi)式中:mh外,mh內(nèi)———洞外、洞內(nèi)高程測(cè)量中誤差;MΔ———洞外、洞內(nèi)每千米高差中數(shù)的中誤差;L外,L內(nèi)———洞外、洞內(nèi)兩洞口間的線路平距長(zhǎng)度,km。該工程洞外高程控制測(cè)量平距長(zhǎng)度為12km,洞內(nèi)高程控制測(cè)量平距長(zhǎng)度為10km,三等每千米高差中數(shù)中誤差為6mm,代入上式得洞外豎向貫通中誤差mh外=±20.8mm,洞內(nèi)橫向貫通中誤差mh內(nèi)=±19.0mm,豎向貫通中誤差Mh=±28.2mm。其中,洞外豎向貫通中誤差值稍大于容許值±20mm,但小于容許極限誤差值±40mm,所以,洞外、洞內(nèi)高程控制測(cè)量可用光電測(cè)距三角高程測(cè)量代替相應(yīng)等級(jí)的水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行。
3結(jié)束語(yǔ)
水利工程隧洞貫通測(cè)量是按設(shè)計(jì)的要求,將洞外控制點(diǎn)引測(cè)至洞內(nèi),并按照貫通誤差的估算,在建立地面和地下平面及高程控制網(wǎng)的前提下進(jìn)行施工放線及指導(dǎo)施工開(kāi)挖。由于采用GNSS技術(shù),測(cè)量精度有了很大的提高,洞外平面控制點(diǎn)數(shù)量大大減少,使得洞外控制測(cè)量誤差引起的貫通誤差也相應(yīng)減小。在嚴(yán)格控制洞外平面控制測(cè)量精度的前提下,洞內(nèi)平面控制測(cè)量對(duì)于隧洞的順利貫通起決定性作用。高程控制測(cè)量采用光電測(cè)距三角高程測(cè)量代替三、四等水準(zhǔn)測(cè)量,在山區(qū)及復(fù)雜地形條件下能較好的提高工作效率。結(jié)合新規(guī)范要求在工程實(shí)例中進(jìn)行水利工程長(zhǎng)隧道誤差值的估算,對(duì)隧洞貫通測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)及施工放樣有一定的借鑒作用。
參考文獻(xiàn):
[1]GB50026-2007,工程測(cè)量規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2007.
[2]DL/T5173-2012,水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范[S].北京:中國(guó)電力出版社,2012.
[3]SL52-2015,水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2015.
[4]SL197-2013,水利水電工程測(cè)量規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2013.
[5]劉永林,陳永彰,李曉明,等.特長(zhǎng)輸水隧洞工程設(shè)計(jì)研究[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2012.
[6]張正祿,張松林,伍志剛,王衛(wèi)國(guó),周通,張國(guó)良.20~50km超長(zhǎng)隧道(洞)橫向貫通誤差允許值研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2004,33(1),83-88.
[7]馮大福.礦山測(cè)量[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2013.
[8]向垂規(guī).水利工程GPS平面控制測(cè)量技術(shù)要求的確定[J].水利建設(shè)與管理,2015(8):56-59.
[9]谷云香.長(zhǎng)大深埋隧洞測(cè)量控制探討[J].測(cè)繪通報(bào),2014(6):63-65.