白芝勇

(中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司,陜西寶雞 721006)

隨著我國城市化快速發(fā)展,交通擁堵已成為國內(nèi)各大城市的通病。由于城市用地緊張,交通立體化解決方案得到越來越多的應(yīng)用。相較于地面的大型工程,隧道工程深埋于地下,施工過程中的測量工作存在較多技術(shù)難題[1-2]。根據(jù)誤差傳播定律,隨著隧道洞內(nèi)導(dǎo)線延伸,誤差會(huì)越來越大。因此,如何控制洞內(nèi)控制測量的精度,從而保證隧道掘進(jìn)方向的精度,是隧道工程施工中需要解決的難題[3-5]。以南京市定淮門過江通道工程為例,對大型過江隧道控制測量關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程背景

南京市定淮門過江通道工程為雙管雙層八車道規(guī)模,設(shè)計(jì)速度80km/h,該工程起于浦珠路與定向河交叉口附近,按左、右線分離布置,作用是連接南京主城區(qū)與浦東規(guī)劃新市區(qū)中心。工程全長約7.7km,其中,地下隧道部分長約5.6km。過江通道工程區(qū)段位于長江河床、高河漫灘及長江一級(jí)階地,施工內(nèi)容包括浦口明挖段、盾構(gòu)段、定淮門大街明挖段和揚(yáng)子街大道明挖段。江北接線長1990m,北線隧道長4962.6m,其中盾構(gòu)段長3557.2m;南線隧道長5330m,其中盾構(gòu)段長4134.6m。浦口明挖段長473m,江南揚(yáng)子江大道明挖暗埋段長697.6m,敞開段長120m,定淮門大街明挖暗埋段長452.6m,敞開段長155m。隧道位置及工程分布見圖1。

圖1 隧道位置示意

2 隧道內(nèi)控制網(wǎng)精度影響因素分析

由于施工地點(diǎn)位于市區(qū),綜合考慮各方面因素,采用單向盾構(gòu)掘進(jìn)的方式進(jìn)行施工,這對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的三維坐標(biāo)精度要求較高。因此,洞內(nèi)導(dǎo)線的精度直接決定盾構(gòu)機(jī)能否準(zhǔn)確從預(yù)留洞門處貫通,且對貫通誤差有決定性影響。

一般情況下,貫通誤差在線路中線方向的投影長度稱為縱向貫通誤差,在垂直于中線方向的投影長度稱為橫向貫通誤差,在高程方向的投影長度稱為高程貫通誤差[6]。隧道貫通后,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行貫通測量,測定實(shí)際的橫向貫通誤差。隧道貫通測量的誤差來源主要有:①地面控制測量誤差m1;②豎井聯(lián)系測量誤差m2;③地下導(dǎo)線測量誤差m3[7-11]。假定隧道貫通誤差為m0,則m0可表示為

選取2012年6月以及2015年3月的兩期控制網(wǎng)復(fù)測成果進(jìn)行對比分析。受復(fù)雜地質(zhì)條件、水文環(huán)境因素的影響,選取兩次復(fù)測坐標(biāo)差值較大的點(diǎn),平面坐標(biāo)見表1,高程值見表2。

表2 地面控制網(wǎng)兩次復(fù)測結(jié)果高程值對比 mm

由表1、表2可知,受時(shí)間與外部條件影響,控制點(diǎn)坐標(biāo)變化非常明顯。根據(jù)上述情況,結(jié)合施工現(xiàn)場情況,總結(jié)出該隧道的洞內(nèi)控制測量存在以下的技術(shù)難點(diǎn)。

(1)由于施工隧道位于長江河床下,當(dāng)測量高程由地面控制點(diǎn)引測至隧道洞內(nèi)控制點(diǎn)時(shí),受潮汐的影響,會(huì)導(dǎo)致測量高差值發(fā)生變化。

(2)隨著隧道不斷掘進(jìn),控制網(wǎng)隨之延伸,由于在江面以下施工,引測導(dǎo)線越長,其精度越低,并直接影響最終的貫通。

(3)隧道內(nèi)外的溫度、氣壓、濕度均存在差異,易導(dǎo)致測量誤差變大。

3 測量關(guān)鍵技術(shù)研究

為減弱上述誤差的影響,經(jīng)綜合研究分析,決定在該隧道控制測量中采取如下關(guān)鍵技術(shù):①洞內(nèi)平面控制網(wǎng)采用交叉導(dǎo)線網(wǎng)布設(shè);②隧道掘進(jìn)過程中通過江心洲通風(fēng)豎井進(jìn)行聯(lián)系測量;③隧道掘進(jìn)過程中加測精密陀螺定向邊。下面對3種關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 交叉導(dǎo)線網(wǎng)布設(shè)

經(jīng)比選,發(fā)現(xiàn)在隧道洞內(nèi)控制測量中采用交叉導(dǎo)線網(wǎng)的布設(shè)模式有助于提高平面控制網(wǎng)精度[12-15]。因此,決定在隧道路面上交叉埋設(shè)控制點(diǎn),其網(wǎng)形見圖2。

圖2 隧道洞內(nèi)交叉控制點(diǎn)布設(shè)示意

為保證精度,洞內(nèi)導(dǎo)線邊長不得小于200m,導(dǎo)線應(yīng)布設(shè)在施工干擾小、穩(wěn)固可靠的地方,點(diǎn)間視線應(yīng)距離洞內(nèi)設(shè)施0.2m以上。另外,為減弱旁遮光的影響,洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)應(yīng)距離洞壁0.5m以上。

洞內(nèi)導(dǎo)線測量采用徠卡TCA2003型全站儀及配套的對點(diǎn)器、反射鏡,儀器標(biāo)稱精度:測角±0.5″,測距±(1mm+1ppm×D),其中,D為測距邊長度。導(dǎo)線水平角采用方向觀測法觀測6測回,并按奇偶測回?cái)?shù)進(jìn)行左右角施測;邊長對向觀測3測回,并進(jìn)行氣象改正、投影改正;角度觀測過程中,在測回間采用儀器和覘標(biāo)多次置中的方法,以削弱對中誤差對測角精度的影響。

洞內(nèi)交叉導(dǎo)線網(wǎng)基于地面控制網(wǎng)建立。為保證地面控制網(wǎng)基準(zhǔn)的可靠性,應(yīng)對地面控制網(wǎng)進(jìn)行周期性復(fù)測,復(fù)測頻次由1次/a提高至4次/a。當(dāng)復(fù)測地面控制網(wǎng)基準(zhǔn)發(fā)生變化并超過限差時(shí),應(yīng)重新從洞外引測洞內(nèi)控制導(dǎo)線,并以此指導(dǎo)后續(xù)隧道施工。

將交叉導(dǎo)線邊方位角與精密陀螺儀所測陀螺方位角進(jìn)行對比,對比結(jié)果見表3。

表3 所測導(dǎo)線邊方位角精度對比

由表3可知,交叉導(dǎo)線網(wǎng)所測方位角與精密陀螺儀所測方位角的差值均在±2″以內(nèi)。因此,交叉導(dǎo)線網(wǎng)所測得的數(shù)據(jù)精度可以滿足隧道內(nèi)的施工需求,表明交叉導(dǎo)線網(wǎng)方法在該項(xiàng)目應(yīng)用中精度可靠。

3.2 豎井聯(lián)系測量

南線通過江心洲,并設(shè)置1個(gè)江心洲風(fēng)井,可利用該風(fēng)井進(jìn)行豎井聯(lián)系測量,采用聯(lián)系三角形定向法進(jìn)行豎井平面聯(lián)系測量。通過地面上的近井點(diǎn)K1、K2,將地面坐標(biāo)和方位角傳遞至井下導(dǎo)線點(diǎn)SY16、SY17,其布設(shè)示意見圖3。

圖3 豎井平面聯(lián)系測量示意

豎井高程聯(lián)系測量中,可采用高程傳遞的方式,在豎井口懸掛鋼絲,在井上、井下分別進(jìn)行水準(zhǔn)測量。

豎井聯(lián)系測量所測點(diǎn)SY16、SY17坐標(biāo)與交叉導(dǎo)線網(wǎng)所測坐標(biāo)對比見表4。

由表4可知,交叉導(dǎo)線網(wǎng)所測得的SY16、SY17點(diǎn)的坐標(biāo)值與豎井定向所得點(diǎn)位的誤差均控制在厘米級(jí),證明交叉導(dǎo)線網(wǎng)方案的可靠性。在滿足限差要求后,平差時(shí)以豎井聯(lián)系測量和交叉導(dǎo)線網(wǎng)所測得的SY16、SY17坐標(biāo)均值為固定點(diǎn)對井下導(dǎo)線進(jìn)行平差計(jì)算,減小點(diǎn)位誤差積累,以提高江南南線接收井的貫 通精度。

表4 豎井聯(lián)系測量所測坐標(biāo)對比

3.3 精密陀螺儀定向

為保證隧道的準(zhǔn)確貫通,在江南北線工作井和江南南線工作井貫通前,采用HGG05陀螺儀對隧道洞內(nèi)的導(dǎo)線邊方位角進(jìn)行定向測量。HGG05陀螺儀定向誤差為5″。

由于陀螺儀對外部觀測環(huán)境要求較高,水下隧道復(fù)雜的外部環(huán)境對觀測結(jié)果會(huì)造成一定影響,故決定采用對向觀測以及與全站儀所測夾角進(jìn)行檢核的方式來提高陀螺定向精度。具體觀測方式見圖4。

圖4 精密陀螺邊施測方式

分別在B2-B1邊以及B2-B3邊采用陀螺儀進(jìn)行定向觀測,根據(jù)同一條邊的正反方位角相差180°的條件進(jìn)行第1次檢核;在B2處架設(shè)全站儀觀測邊B2-B1與邊B2-B3的夾角β,與陀螺測得的兩條邊方位角的夾角進(jìn)行第2次檢核,以此來保證所測陀螺邊的精度。

陀螺儀定向施測過程如下:首先在選取已知地面邊SY1～SD2觀測2測回,然后分別在隧道內(nèi)靠近掌子面并且比較穩(wěn)固的位置觀測定向邊SZ9～SY10、SZ9～SZ10、HZ7～HZ6、HY7～HZ6各3測回,然后再回到已知地面邊SY1～SD2觀測2測回。測量過程中,同一邊任意兩測回陀螺方位角的互差不得超過(mβ為陀螺定向誤差)。通過對比分析、相互驗(yàn)證,對交叉導(dǎo)線網(wǎng)所測導(dǎo)線邊的方位角進(jìn)行改正。

4 精度分析

過江隧道交叉導(dǎo)線網(wǎng)共形成31個(gè)閉合環(huán),導(dǎo)線邊的方位角中誤差均不超過±1″,靠近貫通面的導(dǎo)線點(diǎn)中誤差為4.81mm;說明控制網(wǎng)觀測精度較高,均未超過設(shè)計(jì)的限差要求,并達(dá)到預(yù)計(jì)精度。隧道最終貫通后,通過貫通測量,隧道橫向貫通精度為12mm,高程貫通精度為10mm,遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

(1)交叉導(dǎo)線網(wǎng)適合在長距離隧道內(nèi)實(shí)施,其網(wǎng)形較為穩(wěn)定,可有效保證控制網(wǎng)的精度。

(2)在隧道掘進(jìn)過程中,控制網(wǎng)檢核條件受限,應(yīng)采取合理檢核方式進(jìn)行精度檢核以及誤差調(diào)整,如本研究中采用的精密陀螺定向邊以及豎井聯(lián)系測量。

(3)工程實(shí)踐證明,采用上述關(guān)鍵技術(shù)可以有效保證大型隧道洞內(nèi)控制網(wǎng)的精度,并保證隧道的順利貫通。