国内长距离跨江隧道一次性掘进贯通测量关键技术研究

姚文强

(上海市测绘院，上海 200129)

1 引言

为满足城市发展的需要，越来越多的长距离隧道被列入规划。长距离隧道由于其工程工期长、距离长，隧道贯通测量精度很难保证，因此在长距离隧道贯通测量中必须十分注重各项指标的控制，并采用新技术进行贯通测量成果的验证，以保障隧道的精确贯通。

图1 长江隧道工程和青草沙原水过江管轴线位置示意图

上海长江隧道和青草沙原水过江管隧道均位于上海市浦东新区，是连接上海浦东和长兴岛的隧道项目:上海长江隧道工程是上海～西安高速公路的一部分，隧道盾构段 7.47 km，上、下行两条隧道采用两台Φ15430盾构机单向一次性掘进，是目前世界上直径最大的隧道项目，项目建成后将极大地带动上海以及长兴岛和崇明岛经济的发展;青草沙原水过江管隧道是将上海青草沙水库优质原水送往上海陆域地区的主动脉工程，工程在长江两岸建设 30 m×30 m，深 35.3 m的工作竖井，隧道采用两台Φ5840盾构机，从浦东侧竖井井下向长兴岛方向单向一次性掘进，盾构段长度 7.29 km。隧道工程建成后，上海市80%的饮用水都将改为青草沙优质原水，大大提升居民用水水质。

2 影响长距离隧道贯通测量的主要因素

长距离隧道贯通精度主要受到地面控制网引起的误差m1、联系测量引起的误差m2、导线测量引起的误差m3、贯通处洞门中心测量引起的误差m4以及隧道施工因素影响。在制定贯通精度指标时，一般预留贯通允许误差的一半给施工影响。因此实际针对贯通允许的测量误差制订方案时只需考虑前4项误差影响。

其中地面控制网测量采用国家二等平面控制网布设，相邻GPS点边长精度达到 1/100 000经过分析其对隧道贯通误差影响m1应当小于±1 cm:

联系测量是将地面控制网的方位和坐标传递到井下的过程，由其传递的起始方位角精度直接影响贯通导线精度，根据公式:

其中:mα为起始方位角精度;S为隧道长度。

在长距离隧道中(以隧道长度 7.5 km为例)，若吊钢丝联系三角形法进行联系测量精度mα=±3″，联系测量对于贯通误差的影响m2达到了±11 cm。

地下导线测量过程中，地下导线按照GB/T15314－94《精密工程测量规范》二级测角、三级测边控制技术要求施测。为有效控制观测精度，除按照上述规范进行施测外，针对狭长导线控制点，将观测总测回以奇数测回和偶数测回分别观测导线前进方向的左角和右角，左、右角之和应等于360°，其误差值不应大于2倍的测角中误差，根据公式:

其中:μ为测边单位权中误差;n为导线边数;S为地下支导线长度。

采用 TC2003、TCA2003 全站仪，取 μ=±2 mm;mβ=±0.7″;S取 7.5 km;取 n=15 则贯通导线测量对贯通误差的影响m3为±60.2 mm。

洞门中心坐标测量是大型隧道的一个难点，以长江隧道项目Φ16000大型洞门为例，直径太大，测量难度较大，同时大型洞门在制作安装过程存在一定的变形，中心坐标更加难以确定。按照传统方法进行估计，中心坐标精度m4可以达到±2 cm。

将以上4项误差项综合考虑，贯通误差应当在±12.7 cm。

以上4项影响误差估算都是在理想情况下，实际操作过程中由于联系测量时受到外界影响误差较大、导线非等边直伸导线等因素，实际贯通误差会更大。由于在长江隧道和青草沙原水过江管隧道项目中允许的测量偏差均为 15 cm。因此采用常规测量方法很难保证满足精度要求。

3 提高精度的关键技术运用

3.1 大深度竖井联系测量技术

在青草沙原水过江管隧道中，涉及尺寸为 30 m×30 m，深 35.3 m的工作竖井，这样大尺寸的竖井联系测量的实施以及精度情况在规范上没有参考，因此在该项目中笔者采用传统吊钢丝联系三角形法(图2)和目前世界上精度最高的投点仪WILD ZL(图3)配合特制棱镜采用联系三角形法进行实验，并通过高精度陀螺经纬仪验证测量精度。通过多次测量，发现采用特制钢丝和加固钢丝支架后吊钢丝联系三角形法数据稳定，定向值互差较小，方位角均值与投点仪联系三角形法多次测量结果、陀螺经纬仪成果较差较小，如表1所示。

图2 吊钢丝法联系三角形测量示意图

图3 WILD ZL投点仪和特制棱镜

青草沙隧道东线隧道定向数据表 表1

通过多种方法验证和大量数据分析得出，本次联系测量地下起始边方位角精度接近±2″。

3.2 大型洞门精确测量技术

隧道贯通处洞门中心坐标是隧道贯通时盾构机掘进的目标，其精度直接关系到贯通质量，以长江隧道Φ16000大型洞门为例(图4)，成型圆环由弧形预制钢片拼装而成，外侧由加厚的混凝土井壁作为支撑，环内留有一层薄混凝土井壁，等贯通时盾构机从圆环中破壁并入洞。常规测量方法无法准确的测量洞门中心三维坐标以及洞门的变形情况。

因此在测量过程中假设圆形钢环变形为椭圆，利用全站仪的免棱镜功能实测洞门圆环的内侧点的三维坐标。先用各点坐标拟合出洞门所在的平面，将各点三维坐标投影到洞门平面上，利用平面坐标拟合出椭圆参数和中心坐标，再返算成标准的空间三维坐标。

平面椭圆可以表示为:

长江隧道东线洞门拟合成果表 表2

3.3 高精度陀螺经纬仪技术

在长距离跨江隧道中，由于地下导线均采用支导线方式，起始方位角精度对贯通测量精度的影响极大，尤其在青草沙原水过江管项目中，地下贯通导线起始方位角主要采用吊钢丝联系三角形测量法，其方位传递精度有限，且本项目工作井尺寸和深度均较大，吊钢丝联系测量精度受到风力、光照、震动等因素的影响。为保证地下贯通导线精度，笔者选用目前国内精度最高的陀螺经纬仪GYROMAT－2000(图5)进行吊钢丝联系三角形定向成果检验和地下导线方位角测量。由于陀螺仪测定的方位角不受贯通导线测量精度的影响，能有效避免导线测角误差的累积，因此对地下贯通导线测定陀螺方位角可以有效提高导线精度。GYROMAT－2000型高精度自动陀螺经纬仪标称的最高寻北精度为±3.2″，实际方位角定向精度受到目标瞄准精度(GYROMAT－2000型采用Leica T1800型电子经纬仪，测角精度为±1″)，由于陀螺方位角属于大地坐标系，而工程采用的是上海城市坐标系统，故在实际运用时需要测定仪器常数和计算子午收敛角，将大地坐标系中的陀螺方位角转换为城市坐标系中的坐标方位角。

以青草沙长江原水过江管工程地下贯通导线为例，导线计算过程中将实测距离进行投影面改正并归化至 0 m高程面。在导线第13条边上加测陀螺方位角。按下式定权后进行平差。

图5 GYROMAT－2000型陀螺经纬仪

mαA为起始边定向角精度;mαB为陀螺方位角精度;mβ为导线测角精度。

经过严密平差，计算出导线最前点O2坐标，并在后期通过垂直顶升管将地面控制网坐标传递至地下后测量O2坐标进行比较，如表3所示。

青草沙原水过江管地下贯通导线平差结果与地面控制网结果比较表 表3

将成果偏差归化到轴线方向显示，地下贯通导线端点横向偏差为+79 mm，纵向偏差为+9 mm。通过在青草沙原水过江管项目中采用高精度陀螺经纬仪对地下贯通导线进行检测，有效地保证了地下贯通导线的精度，保障了隧道的精确贯通。

在长江隧道项目中，采用高精度陀螺经纬仪进行地下贯通导线方位角测量并加入地下贯通导线平差，同样对地下贯通导线起到了很好的纠偏效果，保证了长江隧道项目的精确贯通。

4 结论

通过在长距离隧道一次性掘进贯通测量中综合运用大深度联系测量技术、洞门检测技术以及高精度陀螺经纬仪，严格按照规范和方案设计做好地面控制网测量和地下导线测量，可以有效提高地下贯通测量精度，通过笔者在上海长江隧道工程和青草沙原水过江管隧道工程对上述技术方法充分运用，两大项目地下贯通导线均获得了较高的贯通精度，上海长江隧道工程于2008年9月双线精确贯通、青草沙原水过江管隧道于2010年1月双线线精确贯通，开创了国内长距离跨江隧道单向一次性贯通测量的先例。

［1］姚文强等．上海长江隧道工程贯通测量方案［R］．上海市测绘院，2006．

［2］ 姚文强等．长江原水过江管工程测量方案［R］．上海市测绘院，2008．

［3］GB 50308－2008．地下铁道、轻轨交通工程测量规范［S］．

［4］GB/T 15314－94．精密工程测量规范［S］．

［5］ 孔祥元，梅是义．控制测量学(上册)［M］．武汉:武汉大学出版社，2002．