水利工程的長隧洞貫通測量方法

水工隧洞是水利工程建設中為滿足導流、洩洪、灌溉、引水、排沙等需要修建的水工建築物。按用途可分為引水洞，導流洞，洩洪洞，排沙洞，放空洞等。隨著中、大型水利專案的開工，越來越多的長大水工隧洞被相繼開挖，而測量工作是水工隧洞順利貫通的重要保障。在設計階段，要進行洞外控制網的佈設；在施工階段，要複核原有洞外控制網是否滿足貫通要求，隧洞開挖時要佈設隧洞內的施工控制網。目前，涉及水利工程隧洞測量的規範一般只對相向開挖長度介於0~20km的隧洞貫通精度進行了規定，如長度超出20km的隧洞則要求單獨做控制測量技術設計，而新的《水利水電施工測量規範》（SL52-2015）對相向開挖長度0~50km的隧洞貫通測量極限誤差值做出了明確要求，並對相向開挖長度0~50km的水工隧洞貫通中誤差值進行了分配。本文根據水工隧洞測量新技術、佈網新方法，就減小貫通誤差影響進行了研究，並結合工程例項對新規範中貫通中誤差值的分配進行了驗證。

1隧洞貫通誤差

1。1隧洞貫通誤差的來源

目前，隧洞洞外平面控制測量一般採用GNSS網取代傳統的導線網及三角形網，洞內平面控制測量一般採用導線網或邊角網；洞內、洞外高程控制測量，一般採用精密電子水準測量或光電測距三角高程測量進行。隧洞測量時，由於受地面、地下控制測量誤差的影響，使得隧洞貫通面的中線與設計產生偏移，即產生貫通誤差。隧洞的貫通誤差包括橫向、縱向及豎向三個方向的貫通誤差。按來源環境又分為洞外貫通誤差及洞內貫通誤差。縱向和橫向貫通誤差主要由洞外GNSS網誤差、聯絡測量誤差及洞內導線測量誤差引起。其中，縱向貫通誤差主要由洞外的GNSS網測量及洞內的測距引起，對工程貫通影響不大，也能較好地控制，本文不做分析。豎向貫通誤差主要由採用精密電子水準測量時水準儀的精度、大氣折光等因素引起或採用三角高程測量時的照準誤差、折光係數誤差及地球曲率影響引起，由於水工隧洞的特殊性，如豎向誤差超出限差，會引起水流變緩或出現倒坡，導致隧洞的過流及承壓發生改變，甚至使隧洞不能順利貫通。橫向貫通誤差主要由洞外GNSS網測量、聯絡測量及洞內導線測量引起，主要誤差有測距誤差、測角誤差、垂線偏差、對中誤差及旁折光誤差。其中，測距誤差對橫向誤差影響極小，測角誤差和對中誤差對橫向誤差影響較大，隧洞的主支洞高差較大時，垂線偏差對方位角有影響，而氣象因素引起的旁折光對控制網的橫向誤差也有一定影響。

1。2隧洞貫通誤差值得確定

一般情況，根據隧洞相向開挖長度（包括支洞長度）來確定橫向、縱向及豎向相應的貫通中誤差值的大小，最新的《水利水電施工測量規範》（SL52-2015）是國內首個對長度超過20km的隧洞貫通精度做出明確要求的規範，給出了相向開挖長度50km以下水利工程隧洞貫通容許誤差值的分配。如相向開挖長度大於50km的隧道則需做專門技術設計。當在主斜洞內貫通時，縱向誤差按橫向誤差值的大小確定，對於上下兩端相向開挖的豎井，其極限誤差值不超過±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。進行隧道貫通測量設計時，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《水利水電施工測量規範》（SL52-2015）中，根據隧洞相向開挖的長度，橫向、豎向及縱向的貫通容許極限誤差值和貫通測量中誤差值按權函式法進行分配並做了適當的調整。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地下如顧及聯絡測量時，則貫通面的中誤差分配值滿足式（2）：M貫通面=±M2地面+M2聯絡+M2地下

1。3減小貫通誤差影響的方法

對於洞外GNSS網，透過最佳化控制點佈設、採用雙頻三星接收機、進行星曆預報、增加觀測時段、增長觀測時間和利用精密星曆解算等措施，可大大減小洞外GNSS網對橫向貫通誤差的影響。水工隧洞斷面一般較小，測量時要面臨高溫、高壓、高溼度及多粉塵的影響，洞內平面控制只能佈設成邊長短而狹長的導線網，測量時可透過增加照明度、通風降塵、保持儀器乾燥、嚴格規範操作、增加檢核條件等方法減小貫通誤差影響。操作儀器時，每站限差檢核合格後再搬站。為增加檢核條件，洞內平面控制網可佈設為洞內交叉雙導線網或自由測站邊角交會網；布點時儘量避開洞壁側邊，減小旁折光的影響。聯絡測量時洞外高等級控制點至少有一點與洞內通視，高差不要相差太大，定向邊應有足夠的長度，以減小洞內橫向貫通誤差的影響。為避免施工的影響，洞口的控制點應佈置在不受施工影響的位置，並埋設強制對中觀測墩。洞內導線點分別埋設貫通用的基本導線點和放線用的施工導線點，基本導線的邊長應儘量的長且近似相等，施工期間應定期檢核基本控制點的精度。當隧洞單向開挖長度大於8km時，加測陀螺方位角能減小橫向誤差的影響。光電測距三角高程觀測時，採用對向觀測，能有效的消除球氣差的影響；往返測選取氣象條件相近的時段進行，能削弱大氣折光的影響。

2應用例項

2。1工程簡介

蒙自市楊柳河引水隧洞工程位於蒙自市鳴鷲鎮，地理位置為東經103°33′~103°40′，北緯23°25′~23°28′，隧洞全長9。88km，隧洞軸線平均高程1830m，洞內設計坡比1/1000，隧洞穿越區地形複雜，植被茂密，最高海拔2030m。雲南省紅河州水利水勘察設計研究院承擔了該工程的勘察設計工作，透過該工程引水入菲白水庫，為蒙自市城區供水提供保障。

2。2洞外平面控制測量

引水隧洞座標系統採用獨立平面直角座標系，投影面為隧洞平均高程面，中央子午線採用過測區中央的子午線103°35′。洞外平面控制測量採用GNSS測量，施測等級按三等進行，儀器採用南方測繪S82-T型GNSS雙頻接收機，靜態標稱精度為5mm+1ppm，滿足《水利水電工程測量規範》（SL197-2013）要求的10mm+5ppm技術要求。洞外控制網布設在滿足精度要求時主要考慮網型的可靠性，作業效率，施工階段方便對洞外控制點的使用及聯測。GNSS控制點選在土質堅實，視野開闊，遠離高壓線，便於加密、交通便利的地方。洞口控制點滿足導線測量進洞引測需要，視線距障礙物的距離不受旁折光的影響。靜態觀測時，先檢查接收機，進行儀器的自測試，每站記錄測站名，儀器編號，天線高及觀測時間等資訊，同步觀測時間長度大於90分鐘。在GNSS控制網基線解算前，先進行外業資料質量的檢查，再進行基線解算；基線解算合格後，進行無約束平差及約束平差計算；最後進行精度分析與評定。該工程根據地形條件採用邊連式共佈設12個GNSS控制點，網中共有32條基線參與平差計算，閉合環最大節點數為3個，閉合環總數32個，其中，同步環總數20個，非同步環總數12個。二維網約束平差後最弱邊相對中誤差1/362607，精度滿足《水利水電工程測量規範》（SL197-2013）中小於1/80000的要求；對於近10km長的隧洞，對貫通誤差的影響值中誤差為10km×1/362607=±28mm，小於規範要求的±30mm，且控制網中其它邊的精度均高於最弱邊相對中誤差，因而洞外GNSS控制網對貫通誤差影響值中誤差要小於±30mm。

2。3洞內平面控制測量

洞內平面控制測量基本導線佈設為交叉雙導線網，控制網的等級按三等施測，儀器採用徠卡TS09型全站儀進行，測角標稱精度為1″，測距標稱精度1。5mm+1。5ppm。觀測時，角度至少進行2～3次重複觀測，每次照準讀數差小於4″；角度測回數為6個，一測回讀數較差小於3mm；邊長進行往返各2次測量，往返較差小於5mm，滿足測角中誤差小於1。8″，導線平均邊長相對中誤差小於1/150000的技術要求。洞內三等導線網橫向貫通誤差估算按下列公式計算：MY=±（m2Yβ+m2Yl）/n（3）其中：mYβ=±mβ/ρ∑R2xmYl=±ml/l∑d2y式中：mYβ———由於測角誤差所產生的在貫通面上橫向中誤差，mm；mYl———由於測距誤差所產生的在貫通面上橫向中誤差，mm；mβ———導線測角中誤差，（″）；Rx，dy———導線各點至貫通面的垂直距離和投影長度，m；ml/l———導線邊長相對中誤差；n———獨立測量次數。該工程為直線型隧洞，中誤差估算時洞內平均導線邊長按500m計，洞徑為3m，設貫通面位於隧洞中間，採用交叉雙導線對橫向貫通的誤差影響值可按單導線的1/2計，把數值代入上式計算得洞內橫向貫通中誤差為±52mm，小於規範要求的±75mm。從上面計算中可得，對於直線型隧洞，測距對橫向貫通的影響可忽略，橫向誤差主要誤差來源是測角的影響。如要減小測角引起的貫通中誤差，可從增加導線邊長、增加獨立觀測次數、採用更高精度測量儀器等方面進行。該工程在施工階段，設計方對施工方進行了技術指導，並在臨近貫通面時進行了洞內外控制點的複測、聯測及統一平差，隧洞貫通時貫通面中誤差小於規範容許值的要求。

2。4高程控制測量

由於該工程地處高原、地形複雜，洞外，洞內高程控制測量採用三等光電測距三角高程測量代替水準測量。洞外測量路線滿足交通便利、儘量利用平面控制點，洞內高程控制點與平面控制點共用。測量時，採用對向觀測方法進行，以消除大氣折光和地球曲率對高差的影響。平差計算時，要進行氣象、邊長投影、邊長加乘常數等項改正。洞外，洞內高程測量誤差對豎向貫通誤差的影響按下列公式計算：Mh=±（m2h外+m2h內）（4）其中：mh外=±MΔL外mh內=±MΔL內式中：mh外，mh內———洞外、洞內高程測量中誤差；MΔ———洞外、洞內每千米高差中數的中誤差；L外，L內———洞外、洞內兩洞口間的線路平距長度，km。該工程洞外高程控制測量平距長度為12km，洞內高程控制測量平距長度為10km，三等每千米高差中數中誤差為6mm，代入上式得洞外豎向貫通中誤差mh外=±20。8mm，洞內橫向貫通中誤差mh內=±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於容許值±20mm，但小於容許極限誤差值±40mm，所以，洞外、洞內高程控制測量可用光電測距三角高程測量代替相應等級的水準測量進行。

3結束語

水利工程隧洞貫通測量是按設計的要求，將洞外控制點引測至洞內，並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的前提下進行施工放線及指導施工開挖。由於採用GNSS技術，測量精度有了很大的提高，洞外平面控制點數量大大減少，使得洞外控制測量誤差引起的貫通誤差也相應減小。在嚴格控制洞外平面控制測量精度的前提下，洞內平面控制測量對於隧洞的順利貫通起決定性作用。高程控制測量採用光電測距三角高程測量代替三、四等水準測量，在山區及複雜地形條件下能較好的提高工作效率。結合新規範要求在工程例項中進行水利工程長隧道誤差值的估算，對隧洞貫通測量的技術設計及施工放樣有一定的借鑑作用。