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隧道洞内控制测量
隧道洞内控制测量
作者：
刘西为（向浦）
摘要：
隧道洞内控制测量的方法由于受环境条件的限制，在测量条件差，干扰大等各方面情况的影响下，保证测量的精度和可靠性，使隧道相向开挖的工作面能按规定的精度正确贯通，并使各项建筑界限符合验收精度要求。
分析和研究隧道控制测量的贯通精度及试测方法尤为重要。
关键词：
隧道 控制测量 精度 贯通 误差估算
一、隧道控制测量的目的
隧道控制测量的目的在于控制隧道的贯通误差在允许的贯通误差内，保证隧道相向开挖的工作面，沿着隧道线路前进，在贯通面处将隧道贯通。
二、影响隧道贯通误差的因素
影响隧道贯通误差大小的三个因素：
洞外控制测量精度等级、洞内控制测量精度等级、隧道长度。
整个隧道控制网由洞外和洞内两部分组成。
洞内和洞外控制通过洞口投点传递。
最好是将洞口投点纳入洞外控制网一起观测和平差。
因此在选择洞口投点时，不仅要考虑在洞口开挖时不受破坏，还应顾及洞口场地布置不影响与控制网通视和向洞内联测方便。
按照《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定（铁建设[2006]189号）》第5.5.5，隧道平面控制测量适用长度，如下表：
测量部位
测量方法
测量等级
测量精度（″）
适用长度（km）
边长相对精度
洞外
导线测量
二
1.0
6～20
1/200000
三
1.8
4～6
1/150000
四
2.5
＜4
1/100000
GPS测量
B
1.5
≥6
C
2.0
＜6
洞内
导线测量
二
1.0
7～20
1/100000
三
1.8
5～7
1/50000
四
2.5
≤5
1/20000
洞外平面控制测量宜结合隧道长度、平面线形、地形和环境等条件，采用GPS测量或导线测量，并符合下列规定：
1 洞外导线网应沿隧道两洞口连线方向布设；
2 洞外高程控制测量应根据测量设计精度，结合地形情况、水准路线长度以及仪器设备条件，采用水准测量或光电测距三角高程测量；
在铁路山岭隧道工程来说，隧道的贯通误差主要包括以下几个方面：
纵向、横向、方位角、高程等。
（1）纵向贯通误差：
铁路隧道的纵向贯通误差影响隧道中线长度，只要它不低于线路定测精度的1/2000，就能满足铺轨要求，不会造成坡度的有害影响。
（2）方位角贯通误差：
用贯通导线将两端洞内导线连通后，对于同一方位边由两端算得的方位角之差即为方位角贯通误差。
该误差是洞内和洞外测角误差的总影响。
（3）横向贯通误差：
对于铁路山岭隧道来说，横向贯通精度至关重要。
如果横向贯通误差过大，就可能使已衬砌地段侵入建筑界限，造成巨大经济损失。
按照《新建铁路工程测量规范》TB10101-99第4.1.4条，隧道相邻开挖面间的允许贯通中误差如下表：
测量部位
横向中误差（mm）
高程中误差（mm）
相邻两开挖洞口间长度（km）
<4
4～<8
8～<10
10～<13
13～<17
17～<20
洞 外
30
45
60
90
120
150
18
洞 内
40
60
80
120
160
200
17
洞内、洞外总影响
50
75
100
150
200
250
25
贯通误差的限差为贯通中误差总影响值的2倍，如下表所示：
两开挖洞口间长度（km）
<4
4～<8
8～<10
10～<13
13～<17
17～<20
横向贯通误差（mm）
100
150
200
300
400
500
高程贯通误差
50
（4）高程控制测量：
在隧道洞口设置施工水准点，并使用精密水准仪与导线点高程联测，精度不低于二等几何水准要求。
每隔200~500m设一水准点，并定期进行复测，作高程贯通误差估算。
（5）误差控制：
在纵向、横向、方位角和高程几项贯通误差中，关键的是横向贯通误差和高程贯通误差。
所以在隧道测量中主要以横向贯通误差和高程贯通误差作为衡量精度的主要尺度加以规定。
根据现行《新建铁路工程测量规范》（TB10101-99）中关于隧道开挖极限贯通误差、贯通中误差及洞内各等级光电测距基本导线的基本要求对施工误差进行控制。
三、隧道贯通误差估算方法
（1）平面贯通误差估算
用GPS技术建立隧道施工控制网估计控制网测量误差对隧道横向贯通误差的影响一般采用下面的简化公式进行估算：
式中，表示洞外GPS控制测量误差对贯通面横向贯通误差的总影响，、分别表示两端洞口GPS控制点误差对横向贯通误差的影响，S1、S2分别为两端洞口GPS进洞控制点至贯通面的距离，、分别表示两端洞口进洞边方向值中误差，ρ为常数206265″。
洞内控制测量测角、测距对横向贯通误差的影响值按下式计算：
测角影响值：
，测距影响值：
。
为导线点至贯通面的垂直距离（m），为导线边对贯通面的投影长度（m），为洞内测角中误差（″），为导线边长相对中误差。
（2）高程贯通误差估算
高程测量对隧道竖向贯通误差的影响用下式子估算：
式中，为每公里水准测量偶然中误差，L为水准路线长度。
四、洞内控制测量的规范性做法
1）、洞内导线精度设计
在施测前，首先应根据隧道的长度来确定洞内控制网的测量等级。
洞内控制网的等级和测角中误差及边长相对精度按《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定（铁建设[2006]189号）》第5.5.5执行。
2）洞内导线网形设计
洞内导线网应布设为闭合导线环，以加强测量检核和提高测量精度，每个导线环的边数为4～6条；洞内导线设计平均边长不小于300m，特殊情况下最短边长应不低于250m，相邻边长的比不宜小于1：
3。
导线网可参照下图布设：
图1：
多边形闭合环
图2：
菱形闭合环
3）导线点的埋设
导线点埋设时，在确保视线清晰的条件下，应尽量将导线边长放长，以减少洞内测站数，削弱误差的积累；导线点应沿中线附近布设，以削弱旁折光对水平角测量精度的影响；导线点应成对埋设，埋设时成对的两个导线点应在里程方向前后错开5～10m，左右错开0.5～1m，以便于观测和防止导线点在使用过程产生混淆；导线点的埋设位置应在隧道边墙上用红油漆进行标记，并注明距边墙的距离，以便于寻找。
4）洞内导线点的编号原则
由于导线点埋设时前后错开，各导线点里程不同，为避免导线点编号重复，建议按照导线点里程作为点名，里程取整至m,左线点号前冠以“Z”，右线点号前冠以“Y”，例如：
Z462+758、Y462+761分别表示左线462+758、右线462+761处的导线点，如导线点遭到破坏，第一次补设的导线点在点名前再冠以字母A，如补设点继续被破坏第二次补设的在点名前再冠以字母B，依次类推。
5）控制网观测的仪器要求
鉴于洞内导线测量环境差、施工干扰大、占用时间长而精度要求高的特点，建议洞内导线测量采用高精度、稳定性好的全站仪进行导线网的观测，全站仪标称测角精度不应低于±1″，测距标称测角精度不应低于2mm+2ppm，即应采用DJ1级或DJ05型测角精度的全站仪进行观测。
6）控制网观测技术要求
洞内导线测角的基本方法是方向观测法。
方向观测法的测回数，应根据测量设计的测角精度要求，结合所用的仪器等级选定，并应符合《新建铁路工程测量规范》TB10101-99第4.2.9条的规定：
三角锁、导线测量等级
测角中误差（″）
仪器型号
测回数
二
1.0
DJ1
6～9
DJ2
9～12
三
1.8
DJ1
4
DJ2
6
四
2.5
DJ1
2
DJ2
4
五
4.0
DJ2
2
距离测量时要注意进行气象改正、投影改正。
7）控制网平差计算
控制网平差应采用“工程施工测量自动化处理系统TCAS”软件对导线进行严密平差计算，并形成各种报表。
8）洞内控制测量值得注意的几点
1导线自洞口向洞内是分期、逐次测量建立，并最后贯通的。
2洞内测量是在施工条件下进行的，因此防水排水、通风排烟和照明等因素对测量的影响十分重要。
3宜布设成多边形导线环，导线点应布设在施工干扰小、稳固可靠的地方，点间视线应离开洞内设施0.2m以上，洞内高程控制点应每隔200-500m设置一对。
4仪器进洞后为适应洞内的温度和湿度必须晾露30~40min后才能正常使用，并应擦干仪器和反射器镜面的水气后才宜观测。
5受场地和观测条件限制，导线边长一般不可能较长。
有时难免采用短边和特殊短边。
一旦有条件时，须及时改善短边条件并加以补测，以避免方位误差过大的有害影响。
6导线需联测必要的施工中线点，以利及时检查和定正中线。
7由于诸多施工因素影响，在利用已测导线点伸引前，必须先检测判明已知点是否位移。
检测方法一般按原有导线最前端的相邻三点点位、通过同精度测角检测和侧边检测。
如果角和边的差值均在精度允许范围内，则可认为原导线点的精度和点位均为可信；如果超限则应认为存疑，应沿着原有导线依次倒退检测边角，直至精度合格为止。
这时以合格处的导线点作起算点向前建立新导线。
经检测不合格部分的导线点坐标成果应予废弃；如果检测结果虽未超过限差，但其差值已大于较差的中误差而接近限差时，亦应依次倒退多检测几站角和几条边，以判明原有成果是否可靠。
8洞口投点通常距贯通点最远，因此测角误差对贯通的影响最大；同时，投点又是由洞外引向洞内的测角站，由于测角条件的诸多不利因素，为使洞口投点测角获得较好成果，观测时间宜选在夜间较稳定后进行；夜间观测有困难时，可选择气象稳定的阴天观测。
进洞后第一对导线点向投点观测时，也宜在相同的条件下进行。
9仪器、目标多次置中，因为洞内导线边长较短，仪器和目标的对中误差对水平角观测的影响较大。
为减少此项误差影响，导线测角可采用在测回间将仪器和觇标多次重新置中的方法。
10在观测时，应在所有观测方向中选择一个通视良好、成像清晰、竖直角较小和距离适中的方向作为零方向。
当方向数较多，需分组观测时，或观测中、遇某些方向目标暂时不清晰而分组观测时，应采用同一零方向。
五、实例应用
（1）工程概况
洋门隧道为单洞双线隧道，隧道全长6339m，起讫里程：
DK491+433～DK497+782，由中铁一局和中铁二局相向施工，全隧只有一个贯通面，根据初步施工组织设计，洋门隧道施工正洞贯通面里程为FDK494+603。
（2）贯通误差估算
为进一步验证测量设计方案的可行性和可靠性，按照测量设计的精度指标对各个贯通面的贯通误差进行估算。
①洞外GPS控制测量对横向贯通误差的影响计算
根据GPS网平差报告，隧道进口进洞边宜选为CPI501～YM1，该边方位角中误差为±0.5″，进洞点YM1至贯通面之间的距离为3582m。
隧道出口进洞边宜选为J10～J11，该边方位角中误差为±0.61″，进洞点J11至贯通面之间的距离为3178m。
则洞外GPS控制测量对横向贯通误差的影响值为：
则=13.1mm≤45mm
②洞内导线测量对横向贯通误差的影响计算
洞内导线RX、dY的计算
各导线点至贯通面的垂直距离RX（m）
各导线边长至贯通面的投影距离dY（m）
点号
RX
RX2
导线边
dY
dY2
YM1
3582
12830724
FDK491+433
2953
8720209
YM1～FDK491+433
389
151321
FDK491+683
2751
7568001
FDK491+433～FDK491+683
147
21609
FDK491+933
2536
6431296
FDK491+683～FDK491+933
128
16384
FDK492+183
2316
5363856
FDK491+933～FDK492+183
118
13924
FDK492+433
2096
4393216
FDK492+183～FDK492+433
118
13924
FDK492+683
1870
3496900
FDK492+433～FDK483+396
105
11025
FDK492+933
1636
2676496
FDK483+396～FDK492+683
86
7396
FDK493+183
1402
1965604
FDK492+683～FDK493+183
89
7921
FDK493+433
1162
1350244
FDK493+183～FDK493+433
71
5041
FDK493+683
916
839056
FDK493+433～FDK493+683
39
1521
FDK493+933
669
447561
FDK493+683～FDK493+933
43
1849
FDK494+183
421
177241
FDK493+933～FDK494+183
30
900
FDK494+433
171
29241
FDK494+183～FDK494+433
11
121
FDK494+603
0
0
FDK494+433～FDK494+603
6
36
FFDK494+770
170
28900
FFDK495+020～FFDK494+770
13
166
FFDK495+020
420
176400
FFDK495+270～FFDK495+020
26
655
FFDK495+270
670
448900
FFDK495+520～FFDK495+270
38
1436
FFDK495+520
920
846400
FFDK495+770～FFDK495+520
51
2581
FFDK495+770
1170
1368900
FFDK496+020～FFDK495+770
63
4007
FFDK496+020
1420
2016400
FFDK496+270～FFDK496+020
76
5700
FFDK496+270
1670
2788900
FFDK496+520～FFDK496+270
88
7674
FFDK496+520
1920
3686400
FFDK496+770～FFDK496+520
99
9880
FFDK496+770
2170
4708900
FFDK497+020～FFDK496+770
111
12299
FFDK497+020
2420
5856400
FFDK497+270～FFDK497+020
122
14933
FFDK497+270
2670
7128900
FFDK497+520～FFDK497+270
133
17742
FFDK497+520
2920
8526400
FFDK497+770～FFDK497+520
144
20678
FFDK497+770
3170
10048900
FFDK497+520～FFDK497+770
156
24336
J11
3178
10099684
J11～FFDK497+770
167
27889
∑RX2=114020029
∑dY2=375060
洞内导线测边误差对横向贯通误差的影响值为：
洞内导线测角误差对横向贯通误差的影响值为：
洞内导线测量对横向贯通误差的影响值为：
≤60mm
综合影响值：
≤75mm
（3）贯通面贯通中误差预计如下表：
开挖面
贯通面
里 程
洞外控制测量影响值
洞内控制测量影响值
洞内外综合影响值
两开挖面
间的长度
允许贯通
中误差
出口～
FDK494+603
FDK494+603
±13.1mm
±52.2mm
±53.8mm
6339m
±75mm
从上贯通误差的估计结果可以看出，估算贯通中误差均小于允许中误差，表明制定的洞内控制测量设计方案能够满足隧道横向贯通精度的要求。
（4）、隧道洞内高程控制测量设计
根据《新建铁路工程测量规范》TB10101-99第4.1.1条，两相邻开挖面高程路线长度大于5000m时，需按高程贯通精度要求进行高程控制测量设计，洋门隧道两相邻开挖面高程路线长度最大为6.339km，按二等水准测量进行洞内高程控制测量的高程贯通中误差为：
说明采用二等水准测量进行洞内高程控制测量可以满足所有贯通面之间高程贯通精度的要求。
按照二等水准测量进行洞内高程控制测量对于满足贯通精度来讲偏于安全，考虑到洋门隧道将来要施做无砟轨道，直接施测二等水准测量可为无砟轨道施工做好高程测量准备。
二等水准测量应采用DS1及以上精度等级的水准仪配合因瓦水准尺进行测量或者相应精度等级的电子水准仪配合条码水准尺进行测量。
总结：
由上述可见，只要按相应的测量精度及试测方法进行施工，就可以尽可能的减小测量误差对两相向开挖工作面的贯通精度，避免由于控制测量对隧道造成的危害。
参考文献：
1、客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定（铁建设[2006]189号）；2006.中国铁道出版社.北京
2、《时速200～250公里有砟轨道铁路工程测量指南（试行）》（铁建设函[2007]76号）；2007.中国铁道出版社.北京
3、《新建铁路工程测量规范》TB10101-99；1999.中国铁道出版社.北京
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