楊 全 剛

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 太原 030024)

1 工程概述

山西省中部引黃工程是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中一項(xiàng)重要的工程，本工程干線自天橋水電站庫(kù)區(qū)取水，供水范圍包括四市十六個(gè)縣(市/區(qū))，涉及忻州市保德縣；呂梁市：興縣、臨縣、離石、柳林、中陽(yáng)、石樓、交口、孝義、汾陽(yáng)九個(gè)縣(市/區(qū))；臨汾市：隰縣、蒲縣、大寧、汾西四個(gè)縣；晉中市有靈石縣和介休市兩縣(市)。

中部引黃工程規(guī)模為大(Ⅱ)型，包括取水工程和輸水工程。

輸水工程包括總干線、東干線、西干線以及各供水支線輸水。

輸水總干線起于取水泵站出水池(設(shè)計(jì)洞底高程1 023.34 m)，設(shè)計(jì)縱坡1/3 000，經(jīng)保德縣、興縣、臨縣、方山縣、離石區(qū)后，在離石區(qū)東側(cè)穿過(guò)東川河后，向南至中陽(yáng)縣城東側(cè)，在邢家?guī)X(樁號(hào)總200+217.14，設(shè)計(jì)洞底高程954.07 m)處分為東、西干線。

總干線(約K0+000～K77+040)和(約K118+400～K200+217.14)采用人工掘進(jìn)法施工，隧洞長(zhǎng)度約158.8 km，有47個(gè)支洞口、3個(gè)洞進(jìn)口和2個(gè)洞出口。

該工程在總干線(約K77+040～K118+400)采用2臺(tái)TBM相向掘進(jìn)法施工，隧洞長(zhǎng)度約41.4 km，有2個(gè)進(jìn)洞支洞、2個(gè)通風(fēng)支洞、1個(gè)分水口和1個(gè)拆卸支洞。

工程作業(yè)區(qū)域位于山西省的西部高原，是以呂梁山脈為骨干的山地型高原，測(cè)區(qū)內(nèi)海拔在830～1 500 m之間，由蘆芽山、云中山、呂梁山等山系和晉西黃土高原組成，最高峰關(guān)帝山海拔2 830 m，山高溝深，地形、地貌較為破碎。施工支洞均位于狹長(zhǎng)的山谷內(nèi)，通視困難，建立施工控制網(wǎng)工作難度較大。

受山西省中部引黃工程管理局的委托，山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司承擔(dān)了總干線施工控制網(wǎng)測(cè)量任務(wù)，目的是為了向業(yè)主提供準(zhǔn)確、統(tǒng)一的控制點(diǎn)測(cè)量成果，以保證總干線隧洞正確貫通。

2 平面控制網(wǎng)精度的確定

2.1 人工掘進(jìn)法平面控制網(wǎng)等級(jí)的確定

2.1.1 人工掘進(jìn)法平面控制網(wǎng)精度的技術(shù)設(shè)計(jì)

(1)本工程主要是隧洞部分，根據(jù)本工程隧洞的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度和施工的設(shè)計(jì)方案，每個(gè)施工支洞大概開(kāi)挖4.0 km左右(已包括施工支洞長(zhǎng)度，施工支洞長(zhǎng)度按0.5 km估計(jì))，依據(jù)《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL52-93)地下洞室貫通中誤差,見(jiàn)表1。4 km以下隧洞，相向開(kāi)挖洞外測(cè)量的橫向誤差為±30 mm[1]。

表1 隧洞貫通中誤差分配值

注：相向開(kāi)挖長(zhǎng)度為4 km以下。

綜合以上分析，我們選定人工掘進(jìn)支洞平面放樣精度為±30 mm，隧洞縱向貫通誤差只影響隧洞長(zhǎng)度，可不予考慮，這當(dāng)然是偏于安全的。

因?yàn)橐笃矫娣艠泳葹椤?0 mm，其中包含起始數(shù)據(jù)誤差和測(cè)量誤差即：

(1)

式中：M為平面位置總誤差， mm;M1為起始數(shù)據(jù)誤差，mm;M2為測(cè)量數(shù)據(jù)誤差，mm。

2 km(預(yù)估的平面控制網(wǎng)平均邊長(zhǎng))邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為8/2 000 000=1/(25×104)

可得測(cè)角中誤差為1.0″。

(2) 根據(jù)以上論述，依據(jù)《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL52-93)，結(jié)合中部引黃工程施工的迫切需要，采用GNSS作業(yè)方法，建立人工掘進(jìn)法平面控制網(wǎng)，其精度如下：測(cè)角中誤差為1.0″；邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/(25×104)；平面點(diǎn)位中誤差為±12 mm，限差為±24 mm；相鄰點(diǎn)邊長(zhǎng)中誤差為±8 mm，限差為±16 mm。

2.1.2 人工掘進(jìn)法平面控制網(wǎng)等級(jí)的確定

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)采用二等GNSS作業(yè)方法，可以滿足本工程施工的需要。

2.2 TBM掘進(jìn)法平面控制網(wǎng)等級(jí)的確定

2.2.1 TBM掘進(jìn)法施工控制網(wǎng)精度的技術(shù)設(shè)計(jì)

(1)本工程在總干線(約K77+040～K118+400)采用TBM掘進(jìn)法施工。

總干線(約K77+040～K118+400)采用兩臺(tái)TBM相向掘進(jìn)，在上游進(jìn)口和下游進(jìn)口兩者中間，設(shè)置了2個(gè)TBM檢修支洞和1個(gè)TBM拆卸支洞，因此總干線每臺(tái)TBM控制的隧洞長(zhǎng)度大約為10 km，就可以進(jìn)行校核。

依據(jù)《水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范》(DL/T 5173-2003)地下洞室貫通中誤差,見(jiàn)表2，5～10 km以下隧洞，相向開(kāi)挖洞外測(cè)量的橫向誤差為±45 mm[3]。

表2 隧洞貫通中誤差分配原則

注：相向開(kāi)挖長(zhǎng)度為5～10 km。

綜合以上分析，我們選定TBM掘進(jìn)支洞平面放樣精度為±45 mm，隧洞縱向貫通誤差只影響隧洞長(zhǎng)度，可不予考慮，這當(dāng)然是偏于安全的。

因?yàn)橐笃矫娣艠泳葹椤?5 mm，其中包含起始數(shù)據(jù)誤差和測(cè)量誤差計(jì)算見(jiàn)式(1)。

3 km(預(yù)估的平面控制網(wǎng)平均邊長(zhǎng))邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為13/3 000 000=1/(23×104)

可得測(cè)角中誤差為1.0″。

(2)根據(jù)以上論述，依據(jù)《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL52-93)，參考我院在山西省萬(wàn)家寨引黃工程聯(lián)接段所作施工控制網(wǎng)的精度，結(jié)合中部引黃工程施工的迫切需要，采用GNSS作業(yè)方法，建立TBM掘進(jìn)法施工測(cè)量控制網(wǎng)，其精度如下：測(cè)角中誤差為1.0″；邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/(23×104)；平面點(diǎn)位中誤差為±18 mm，限差為±36 mm；相鄰點(diǎn)邊長(zhǎng)中誤差為±13 mm，限差為±26 mm。

2.2.2 TBM掘進(jìn)法平面控制網(wǎng)等級(jí)的確定

綜上所述，依據(jù)《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL52-93)的規(guī)定，TBM掘進(jìn)法平面控制網(wǎng)布設(shè)二等GNSS平面控制網(wǎng)，可以滿足山西省中部引黃工程總干線TBM掘進(jìn)法隧洞貫通的精度要求。

2.3 首級(jí)平面控制網(wǎng)等級(jí)的確定

由于設(shè)計(jì)進(jìn)度還在可研設(shè)計(jì)階段，隧洞的洞進(jìn)出口和支洞口的具體位置還沒(méi)有確定，中部引黃工程管理局對(duì)于開(kāi)工要求又比較迫切，初設(shè)報(bào)告批復(fù)后，馬上就要求開(kāi)工。在這種情況下，首級(jí)網(wǎng)也按二等GNSS布設(shè)。待隧洞的洞進(jìn)出口和支洞口的具體位置確定后，能及時(shí)進(jìn)行后續(xù)控制測(cè)量。

3 平面控制設(shè)計(jì)方案

選點(diǎn)埋石以及觀測(cè)平差計(jì)算按照有關(guān)國(guó)家規(guī)范執(zhí)行。

(1)首級(jí)平面控制網(wǎng)。利用國(guó)家A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)GNSS 控制點(diǎn)作為控制的起算數(shù)據(jù)。布設(shè)C級(jí)平面控制網(wǎng)。C級(jí)GNSS網(wǎng)沿引水線路布設(shè)，盡可能靠近線路，其圖形以邊連接方式連接。

(2)人工掘進(jìn)法和TBM掘進(jìn)法平面控制網(wǎng)。利用國(guó)家GNSS 高等級(jí)控制點(diǎn)和施測(cè)的首級(jí)控制網(wǎng)作為控制的起算數(shù)據(jù)，布設(shè)二等平面控制網(wǎng)。

每個(gè)支洞口布設(shè)3個(gè)GNSS控制點(diǎn)(布成三角形或?qū)Ь€形)并且互相通視，邊長(zhǎng)原則上不短于300 m，每個(gè)洞口相鄰GNSS控制點(diǎn)保證同步觀測(cè)，并盡量有控制點(diǎn)能直接觀測(cè)到洞口或水工建筑物位置。

4 平面控制網(wǎng)的投影改算

為了提高隧洞施工放樣的精度，減少邊長(zhǎng)投影誤差，需對(duì)1980西安坐標(biāo)系進(jìn)行改算。為了不損失本次GNSS觀測(cè)精度，改算采用的1980西安坐標(biāo)成果，按單點(diǎn)無(wú)約束進(jìn)行平差。

4.1 改算精度

(1)采用TBM掘進(jìn)的平面控制網(wǎng)邊長(zhǎng)每千米理論變形值不大于1.5 mm。

(2)采用人工掘進(jìn)支洞的施工控制網(wǎng)邊長(zhǎng)每千米理論變形值不大于3.0 mm。

(3)1980西安坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)和施工坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)具有嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

(4)施工坐標(biāo)系統(tǒng)方便工程應(yīng)用，采用有效的方法避免不同標(biāo)段之間坐標(biāo)值的誤用。

4.2 改算的方法

按照山西省中部引黃工程施工坐標(biāo)系統(tǒng)建立原則，經(jīng)過(guò)驗(yàn)算比較，考慮到施工的方便，山西省中部引黃工程總干線總共建立3個(gè)施工坐標(biāo)系統(tǒng)。

(1)山西省中部引黃工程取水口-總干22號(hào)支洞施工坐標(biāo)系統(tǒng)，控制范圍：取水口至總干22號(hào)支洞距離約70 km。參考點(diǎn)：X0=4 290 000 m，Y0=520 000 m，H0=1 006 m。Y坐標(biāo)最大值為520 354 m，Y坐標(biāo)最小值為513 594 m，施工坐標(biāo)系統(tǒng)邊長(zhǎng)理論變形值小于等于1.9 mm/km。

(2)山西省中部引黃工程總干TBM(22號(hào)支洞-27號(hào)支洞)施工坐標(biāo)系統(tǒng)，控制范圍：22號(hào)支洞-27號(hào)支洞距離約40 km。參考點(diǎn)：X0=4 230 000 m，Y0=514 000 m，H0=986 m。Y坐標(biāo)最大值為520 873 m，Y坐標(biāo)最小值為514 936 m，施工坐標(biāo)系統(tǒng)邊長(zhǎng)理論變形值小于等于0.9 mm/km。

(3)山西省中部引黃工程總干27號(hào)支洞-總干51號(hào)支洞施工坐標(biāo)系統(tǒng)，控制范圍：27號(hào)支洞-總干51號(hào)支洞距離約80 km。參考點(diǎn)：X0=4 170 000 m，Y0=525 000 m，H0=962 m。Y坐標(biāo)最大值為520 643 m，Y坐標(biāo)最小值為512 487 m，施工坐標(biāo)系統(tǒng)邊長(zhǎng)理論變形值小于等于1.8 mm/km。

為了對(duì)GNSS測(cè)量成果的可靠性進(jìn)行外部檢核，應(yīng)采用高精度全站儀對(duì)部分邊長(zhǎng)、角度進(jìn)行檢測(cè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本工程充分利用GNSS定位技術(shù)，為中部引黃工程總干線隧洞施工建立了正確可靠的測(cè)量控制基準(zhǔn)，為隧洞施工順利放線、正確貫通提供了可靠的技術(shù)保障，對(duì)于類似的工程也有一定的參考價(jià)值。

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