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【摘 要】对于TBM施工的超长隧洞，为了保证顺利贯通，控制测量是关键。本文介绍了洞内有关控制测量的估算、实施的测量控制技术。
【关键词】超长隧洞控制测量分析应用
1、工程概况
桓集隧道引水工程位于吉林省xx市和辽宁省桓仁县境内，该合同主体工程为隧洞工程，主洞长35441.382m，桩号47+587.467～83+028.849，纵坡i=0.28‰。共布置5条施工支洞，分别为7#、9#、10#、11#和12#。主洞采用两台TBM施工（TBM3和TBM4），TBM3由9#支洞运入主洞，在9#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内组装，掘进至7#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内检修，检修后掘进至6#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内拆卸，由6#支洞运出。TBM4由11#支洞运入主洞，在11#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内组装，掘进至10#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内检修，检修后掘进至9#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内拆卸，由9#支洞运出。
根据进度安排，TBM4-1段最先贯通，因此以本段为例进行分析。TBM4-1段由79+828.87开始掘进至桩号72+553.6贯通，加上11#支洞及组装间和通过段的长度，该段单向掘进长度约8.5公里（见图1）。
2、误差估算
2.1误差控制指标
根据《水利水电工程施工测量规范》DL/T5173-2012中的误差要求和施测控制指标规定见下表
表1贯通测量限差
相向开挖长度
（km） 限差（mm）
横向 高程
<5 ±100 ±80
5～9 ±150
9～14 ±300
14～20 ±400
表2控制测量对贯通中误差的影响值的限差
相向开挖长度（km） 中误差（mm）
横向 高程
地面 地下 地面 地下
<5 ±25 ±40 ±20 ±30
5～9 ±37 ±60
9～14 ±75 ±120
14～20 ±100 ±170
2.2误差估算。为了保证长距离隧洞的准确贯通，隧洞控制测量是关键。隧洞控制测量分为高程控制测量和平面控制测量。它们的误差会对隧洞贯通产生竖向误差、横向误差和纵向误差。由于纵向误差对工程的影响不大，所以纵向误差基本可以不考虑。竖向误差可以用精密水准仪测量方法解决，所以隧洞的贯通误差主要体现在横向误差。因此，隧洞平面控制测量对隧洞贯通起着决定性作用，隧洞控制测量可分为洞外控制测量，洞内控制测量，由于洞外控制测量采用GPS网控制测量，因此本方案只对洞内控制测量进行设计。
2.2.1洞内导线测量横向贯通误差估算。由于TBM4-1段单向开挖达到8.5km，基本导线宜采用双导线的形式布设，并根据贯通限差要求，估算预期的误差、确定导线的等级，以保证贯通要求，选择更为合理、经济的测量设备及测量方案。
洞内导线测量误差在贯通面上产生的横向误差估算公式
（公式1）
（公式2）
（公式3）
式中：
——由于测角中误差所产生的在贯通面上的横向中误差，mm；
——测角中误差，″；
——206265″；
——导线点至贯通面的距离，m；
——由于测边中误差所产生的在贯通面上的横向中误差，mm；
L——导线总长度
——导线边相对中误差；
——导线边在贯通面上的投影长度，m；
——洞內导线测量在贯通面上所产生的总的横向中误差，mm；
——导线组数。
根据隧洞开挖设计平面图，按一定比例尺在CAD上画出设计平面图及贯通面位置，充分考虑洞内施工的测量环境，合理的选出导线点的位置，并绘在图纸上。见图2
在绘制好的略图上量取各个导线点到贯通面上的距离Ryi和各个导线边在贯通面上的投影长度Dyi，再根据本项目所投入的仪器设备精度确定测角中误差和导线边长相对中误差代入式中计算，来回进行试算，直至满足贯通精度要求。最后根据选定的中误差来确定导线测量等级，并在施测中要严格按照确定的导线等级进行测量。贯通中误差的估算见下表：
表311#至10#支洞洞内控制横向贯通中误差估算表
11#支洞～10#支洞与主洞贯通面处平面横向贯通中误差：
2.2.2洞内导线测量竖向贯通误差估算
影响贯通测量高程误差因素有两端进洞控制点高程误差和洞内两端高程控制测量误差。而洞内竖向贯通误差通常是根据水准测量或三角高程测量误差引起的竖向贯通中误差来确定高程控制测量的等级（见下表）。本工程采用三等水准测量，因此不能采用三等三角高程测量成果，只是作为一种校核。
国家三、四等水准测量每公里水准测量的偶然中误差M△不得超过下表规定数值
测量等级 三等 四等
M△（mm） 3.0 5.0
洞内高程控制测量误差估算公式为：
Mh=±M△
式中Mh为竖向贯通中误差，M△为高程测量每公里水准测量的偶然中误差（mm），L为洞内水准测量路线全长（km）
故11#支洞～10#支洞与主洞贯通面处竖向贯通中误差：
Mh=±M△=±3.0×=12.4mm<80mm
因洞内线路总长约8.5km，采用往返测量，故线路按增加一倍计算。
由以上估算可知，要满足规定的贯通精度要求，洞内高程控制采用三等水准测量，洞内平面控制采用测角精度1″，测距精度1+1.5ppm的仪器，平均边长500m以上的三等导线环测量能满足本工程贯通误差的要求。 3、洞内控制测量
洞内控制测量包括洞内平面控制测量和高程控制测量。
3.1、洞内高程控制测量
洞内高程控制测量在实际施测中将严格按照水利水电施工测量规范中三等水准的要求去做。由于洞内控制点在埋设时，在洞内轨道一侧埋设有顶端带十字丝的钢筋桩，平面控制點与水准点可以共用，这样在测水准时保证各个水准控制点完全落在水平控制点上，在施测平面控制网时的三角高程可以对水准高程进行校核。高程控制网观测采用三等水准测量方法，观测时应注意事项如下；
（1）观测前30min，应将仪器置于露天阴影下，使仪器与外界气温趋于一致。
（2）除路线转弯处外，每一测站上仪器与前后视标尺的三个位置，应接近一条直线。
（3）每一测段的往测与返测，其测站数均应为偶数。由往测转为返测时，两个标尺应互换位置，并应重新整置仪器。
（4）尽量避免视线被遮挡，遮挡不要超过标尺在望远镜中截长的20%；确信震动源造成的震动消失后，才能时行读数。
事实上，在实际测量过程中，各个控制点的三角高程与水准高程基本一致，最大误差不超过3cm。
3.2洞内平面控制测量
3.2.1平面控制网加密点的埋设
洞内导线点布置在行车轨道两侧60cm左右，洞壁的一侧埋置30cm左右φ20顶端带十字丝的钢筋桩，另一侧埋置观测桩，桩顶焊接钢板，中心孔径与仪器的连接螺栓紧配合。观测桩规格为30×30cm，保证点位的稳定性（观测桩见下图）。
3.2.2平面控制网布设
洞内的基本导线点布设成直伸型导线环向前延伸，每个导线环边数不大于7条，尽量布设成距离近似相等的长边导线网，在不得已发生短边时，相邻的长、短边的比值不得大于3：1。一般情况下，边长应不短于500～550m，且在有条件的情况下应当尽量拉长距离，以减小转折角观测误差对贯通精度的影响。导线环布设形式见下图
3.2.3平面控制网观测
外业观测仪器测距使用徕卡TS15A全站仪。严格按规范中的相应技术指标进行施测。根据相关规范及监理要求，观测应在成像清晰且充分通风、无尘时进行，测量时间尽量安排在硫化皮带或每天早上8：00～12：00TBM检修时进行。测距过程中，量取前视及测站两点的测边温度及气压数值，计算时取平均值。所有测边均采用往返观测6测回，水平角采用左右角观测6个测回，垂直角（天顶距）观测6个测回，照明采用强光手电或碘钨灯照明，保证观测目标清晰明亮。观测与记录均应满足规范要求。
3.3数据处理及平差计算
由于计算机及各种软件的大量使用，大大降低了人工计算的难度和出错几率，在实际应用中，我们只需把每次观测的数据从TS15A全站仪通过数据线下载到电脑，然后把每一测回的观测值输入到自行设计的EXCEL电子表格中，电子表格即可按照设计的公式直接计算出每个测站的水平角、竖直角以及经过各种改正后的平距和高差。然后把改正后的数据输入到平差软件南方平差易2005，对所有的数据进行严密平差，保证了平差结果的准确可靠。
通过以上措施，本工程TBM4-1段于2014年12月3日顺利贯通，通过与监理工程师对贯通误差进行联合测量，其结果为横向误差为56mm（规范限差要求不大于150mm）；竖向误差为7mm（规范限差要求不大于80mm），达到了引水隧洞的高精度贯通。
结束语
对于超长隧洞的控制测量，存在着与一般隧洞控制测量不同的特殊问题，文中对洞内控制测量在施测中应注意的问题进行了分析和解决，保证了隧洞的顺利贯通。
【关键词】超长隧洞控制测量分析应用
1、工程概况
桓集隧道引水工程位于吉林省xx市和辽宁省桓仁县境内，该合同主体工程为隧洞工程，主洞长35441.382m，桩号47+587.467～83+028.849，纵坡i=0.28‰。共布置5条施工支洞，分别为7#、9#、10#、11#和12#。主洞采用两台TBM施工（TBM3和TBM4），TBM3由9#支洞运入主洞，在9#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内组装，掘进至7#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内检修，检修后掘进至6#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内拆卸，由6#支洞运出。TBM4由11#支洞运入主洞，在11#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内组装，掘进至10#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内检修，检修后掘进至9#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内拆卸，由9#支洞运出。
根据进度安排，TBM4-1段最先贯通，因此以本段为例进行分析。TBM4-1段由79+828.87开始掘进至桩号72+553.6贯通，加上11#支洞及组装间和通过段的长度，该段单向掘进长度约8.5公里（见图1）。
2、误差估算
2.1误差控制指标
根据《水利水电工程施工测量规范》DL/T5173-2012中的误差要求和施测控制指标规定见下表
表1贯通测量限差
相向开挖长度
（km） 限差（mm）
横向 高程
<5 ±100 ±80
5～9 ±150
9～14 ±300
14～20 ±400
表2控制测量对贯通中误差的影响值的限差
相向开挖长度（km） 中误差（mm）
横向 高程
地面 地下 地面 地下
<5 ±25 ±40 ±20 ±30
5～9 ±37 ±60
9～14 ±75 ±120
14～20 ±100 ±170
2.2误差估算。为了保证长距离隧洞的准确贯通，隧洞控制测量是关键。隧洞控制测量分为高程控制测量和平面控制测量。它们的误差会对隧洞贯通产生竖向误差、横向误差和纵向误差。由于纵向误差对工程的影响不大，所以纵向误差基本可以不考虑。竖向误差可以用精密水准仪测量方法解决，所以隧洞的贯通误差主要体现在横向误差。因此，隧洞平面控制测量对隧洞贯通起着决定性作用，隧洞控制测量可分为洞外控制测量，洞内控制测量，由于洞外控制测量采用GPS网控制测量，因此本方案只对洞内控制测量进行设计。
2.2.1洞内导线测量横向贯通误差估算。由于TBM4-1段单向开挖达到8.5km，基本导线宜采用双导线的形式布设，并根据贯通限差要求，估算预期的误差、确定导线的等级，以保证贯通要求，选择更为合理、经济的测量设备及测量方案。
洞内导线测量误差在贯通面上产生的横向误差估算公式
（公式1）
（公式2）
（公式3）
式中：
——由于测角中误差所产生的在贯通面上的横向中误差，mm；
——测角中误差，″；
——206265″；
——导线点至贯通面的距离，m；
——由于测边中误差所产生的在贯通面上的横向中误差，mm；
L——导线总长度
——导线边相对中误差；
——导线边在贯通面上的投影长度，m；
——洞內导线测量在贯通面上所产生的总的横向中误差，mm；
——导线组数。
根据隧洞开挖设计平面图，按一定比例尺在CAD上画出设计平面图及贯通面位置，充分考虑洞内施工的测量环境，合理的选出导线点的位置，并绘在图纸上。见图2
在绘制好的略图上量取各个导线点到贯通面上的距离Ryi和各个导线边在贯通面上的投影长度Dyi，再根据本项目所投入的仪器设备精度确定测角中误差和导线边长相对中误差代入式中计算，来回进行试算，直至满足贯通精度要求。最后根据选定的中误差来确定导线测量等级，并在施测中要严格按照确定的导线等级进行测量。贯通中误差的估算见下表：
表311#至10#支洞洞内控制横向贯通中误差估算表
11#支洞～10#支洞与主洞贯通面处平面横向贯通中误差：
2.2.2洞内导线测量竖向贯通误差估算
影响贯通测量高程误差因素有两端进洞控制点高程误差和洞内两端高程控制测量误差。而洞内竖向贯通误差通常是根据水准测量或三角高程测量误差引起的竖向贯通中误差来确定高程控制测量的等级（见下表）。本工程采用三等水准测量，因此不能采用三等三角高程测量成果，只是作为一种校核。
国家三、四等水准测量每公里水准测量的偶然中误差M△不得超过下表规定数值
测量等级 三等 四等
M△（mm） 3.0 5.0
洞内高程控制测量误差估算公式为：
Mh=±M△
式中Mh为竖向贯通中误差，M△为高程测量每公里水准测量的偶然中误差（mm），L为洞内水准测量路线全长（km）
故11#支洞～10#支洞与主洞贯通面处竖向贯通中误差：
Mh=±M△=±3.0×=12.4mm<80mm
因洞内线路总长约8.5km，采用往返测量，故线路按增加一倍计算。
由以上估算可知，要满足规定的贯通精度要求，洞内高程控制采用三等水准测量，洞内平面控制采用测角精度1″，测距精度1+1.5ppm的仪器，平均边长500m以上的三等导线环测量能满足本工程贯通误差的要求。 3、洞内控制测量
洞内控制测量包括洞内平面控制测量和高程控制测量。
3.1、洞内高程控制测量
洞内高程控制测量在实际施测中将严格按照水利水电施工测量规范中三等水准的要求去做。由于洞内控制点在埋设时，在洞内轨道一侧埋设有顶端带十字丝的钢筋桩，平面控制點与水准点可以共用，这样在测水准时保证各个水准控制点完全落在水平控制点上，在施测平面控制网时的三角高程可以对水准高程进行校核。高程控制网观测采用三等水准测量方法，观测时应注意事项如下；
（1）观测前30min，应将仪器置于露天阴影下，使仪器与外界气温趋于一致。
（2）除路线转弯处外，每一测站上仪器与前后视标尺的三个位置，应接近一条直线。
（3）每一测段的往测与返测，其测站数均应为偶数。由往测转为返测时，两个标尺应互换位置，并应重新整置仪器。
（4）尽量避免视线被遮挡，遮挡不要超过标尺在望远镜中截长的20%；确信震动源造成的震动消失后，才能时行读数。
事实上，在实际测量过程中，各个控制点的三角高程与水准高程基本一致，最大误差不超过3cm。
3.2洞内平面控制测量
3.2.1平面控制网加密点的埋设
洞内导线点布置在行车轨道两侧60cm左右，洞壁的一侧埋置30cm左右φ20顶端带十字丝的钢筋桩，另一侧埋置观测桩，桩顶焊接钢板，中心孔径与仪器的连接螺栓紧配合。观测桩规格为30×30cm，保证点位的稳定性（观测桩见下图）。
3.2.2平面控制网布设
洞内的基本导线点布设成直伸型导线环向前延伸，每个导线环边数不大于7条，尽量布设成距离近似相等的长边导线网，在不得已发生短边时，相邻的长、短边的比值不得大于3：1。一般情况下，边长应不短于500～550m，且在有条件的情况下应当尽量拉长距离，以减小转折角观测误差对贯通精度的影响。导线环布设形式见下图
3.2.3平面控制网观测
外业观测仪器测距使用徕卡TS15A全站仪。严格按规范中的相应技术指标进行施测。根据相关规范及监理要求，观测应在成像清晰且充分通风、无尘时进行，测量时间尽量安排在硫化皮带或每天早上8：00～12：00TBM检修时进行。测距过程中，量取前视及测站两点的测边温度及气压数值，计算时取平均值。所有测边均采用往返观测6测回，水平角采用左右角观测6个测回，垂直角（天顶距）观测6个测回，照明采用强光手电或碘钨灯照明，保证观测目标清晰明亮。观测与记录均应满足规范要求。
3.3数据处理及平差计算
由于计算机及各种软件的大量使用，大大降低了人工计算的难度和出错几率，在实际应用中，我们只需把每次观测的数据从TS15A全站仪通过数据线下载到电脑，然后把每一测回的观测值输入到自行设计的EXCEL电子表格中，电子表格即可按照设计的公式直接计算出每个测站的水平角、竖直角以及经过各种改正后的平距和高差。然后把改正后的数据输入到平差软件南方平差易2005，对所有的数据进行严密平差，保证了平差结果的准确可靠。
通过以上措施，本工程TBM4-1段于2014年12月3日顺利贯通，通过与监理工程师对贯通误差进行联合测量，其结果为横向误差为56mm（规范限差要求不大于150mm）；竖向误差为7mm（规范限差要求不大于80mm），达到了引水隧洞的高精度贯通。
结束语
对于超长隧洞的控制测量，存在着与一般隧洞控制测量不同的特殊问题，文中对洞内控制测量在施测中应注意的问题进行了分析和解决，保证了隧洞的顺利贯通。