水电站地下隧洞施工测量

潘 智

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，成都610072)

0 引言

在线路工程(包括公路和铁路)和水利水电工程的施工过程中，由于地形、地质条件的限制和人居环境的制约或工程设计的需要，不可避免地部分建筑物成为地下工程。地下工程的施工较之地面工程要繁杂得多，空间狭小、照度不清、烟尘量大以及危险系数增加等诸多不利因素的存在，使得每个施工人员都必须真切地面对，测量工作通常被称作工程施工的“眼睛”，而且在施工中具有举足轻重、不可替代的作用。

1 水电站地下隧洞施工测量控制

水电站地下工程施工测量与地面工程施工测量具有非常明显的差异性，由于受到测量环境的影响，例如受到地下洞室狭长、视场范围小、能见度低客观因素的限制，给测量施工带来诸多不便，因此必须要重视水电站地下隧洞施工测量工作。地下洞室开挖因视场范围小，控制测量一般采用导线测量进洞;由于洞室里能见度很低和便于施工放样，导线距离一般比较短，使得导线测站数增多，误差累积快。为了有效地消除因测量原因对洞室开挖造成的影响，洞内控制测量一般采取双导线进洞的方式即施工导线和检核导线，见图1所示:

图1 水电站地下隧洞施工导线和检核导线图

检核导线用于对施工导线的检查并校正，以避免测量误差的无限制传播。导线测量按一级导线精度执行，高程采用电磁波测距三角高程传递。洞口控制点采用联系测量与地面控制点联测。

2 水电站地下隧洞施工放样

水电站地下隧洞洞室开挖分层高度一般6～12 m，同时也为了使测量员工不与掌子面直接碰触，以避免因掌子面松动块滑落而发生安全事故，测量仪器应尽量采用具有免棱镜红外/激光测量功能的全站仪，例如LeicaTCRxx型;仪器设站采用自由设站法，使测站不受控制点点位的制约;测量坐标系宜选择洞轴线坐标，即洞室桩号:X轴为洞轴线方向;Y轴为法线方向;洞室型式一般呈城门洞式、圆形和矩形，分平洞或微坡度、斜井以及竖井。以下就对水电站地下隧洞施工放样进行具体分析:

2.1 洞轴线坐标的转换

洞轴线坐标的转换公式如下所示:

式中:X，Y为大地坐标;X1，Y1为洞室轴线坐标;X0，Y0为坐标原点的大地坐标;X2，Y2为坐标原点的洞轴线设计桩号;“旋转角”为大地坐标系与洞轴线坐标系之夹角。

2.2 洞室开挖方向线的放样

在待掘掌子面上根据洞室设计断面直接放样出洞室的开挖轮廓线，在已掘或者就近目标上放样出洞壁和洞顶进尺后视方向线，又称尾线，具体如图2所示:

图2 水电站地下隧洞洞壁和洞顶进尺后视方向线

2.3 平洞或微坡度的施工放样

平洞或微坡度的洞室一般按城门洞或圆形断面设计，设计断面见图3所示:

图3 城门洞型断面图

设坐标原点桩号为X0、洞半宽度为Y0，高程为H0，洞肩高为h、洞顶圆半径为R，坡比d%，实测掌子面上点的坐标为(X，Y，H)。

2.4 圆弧弯段的放样

水电站地下隧洞拐弯一般设计平面为圆弧形，见图4所示:

设圆弧圆心坐标为(X0，Y0)，直圆交点底板坐标(X1，Y1，H1)，测量点坐标(X2，Y2，H2)。弯段参数为:测量点至圆心平面距离计算公式如下所示:

图4 水电站地下隧洞拐弯平面设计图

测量点对应断面圆心角:α=arcsin((X2-X1)/S)(暂以度为单位考虑)

圆心至测量点方位角:N=atn((Y2-Y0)/(X2-X0))(此次计算未考虑象限因素的影响)。该圆心角对应弧长:D=α×π×R/180。所以测点对应断面洞室轴心坐标为:

当洞室为圆形时圆心高程:

当洞室为城门洞型时洞底板高程:

其放样与图3的城门洞型一样(当在弯段内建立直角坐标系时，坐标轴取洞轴线法线和切线方向，其余类推)。

2.5 渐变段的放样

渐变是指洞室设计由城门洞型渐变成圆形，见图5所示:

图5 水电站地下隧洞洞门渐变段施工图

其底半径由R'=0，直立边墙变化到圆半径R'=R，渐变段起点桩号为X0，终点桩号为X1，测量点桩号为X，其放样参数如下:

渐变段长:

测量点底圆半径采用线性内插法，计算公式如下所示:

具体放样与上图3的城门洞型一样。

2.6 斜井放样

图6 水电站地下隧洞斜井施工图

见图6所示，斜井倾斜角为α，其起始底板中心桩号为(X0，0，H0)

斜井洞型一般为圆形，测量点坐标为(X1，Y1，H1)，洞室参数如下。

起始桩号轴线圆心坐标为:

测量点至斜井起始位置断面半圆Y1桩号处的距离为:

其倾斜角为:

圆心坐标计算出来后，斜井的放样与上图3圆形洞型一样。

2.7 斜井下弯段(上弯段)竖曲线的放样

斜井(竖井)与平洞相接时一般设计成以竖圆曲线弯段平滑相连，弯段形式见上图6所示。弯段中心线竖曲线圆半径为R2，圆心坐标为(X2，0，H2);对应平洞中心垂足坐标为(X2，0，H2-R2);测量点坐标(X，Y，H)，则测量点至竖曲线圆心在轴线立面投影距离为S，其对应圆心角为γ，圆弧弦线长为S3，见下图7所示(以下弯段为例):

图7 水电站地下隧洞斜井下弯段施工图

所以测量点对应洞室中心(圆心)点坐标为:

上弯段的计算同以上类推。

2.8 弯段底板(洞室中心以下)的放样

图8 水电站地下隧洞洞室施工图

1)矩形的放样，按事先约定的重锤线距离设计边墙的尺寸安装重锤线，以重锤线来控制开挖边线。

2)圆形的放样，圆形断面一般在圆心处安装重锤线，但由于溜槽的影响，人工量距极不方便也不安全，建议再安装一条备用重锤线，在两条重锤线上贴反光纸，有两条重锤线就可以用免棱镜反射全站仪进行放样。

3 结语

综上所述，水电站地下隧洞施工测量是确保水电站施工质量的关键环节。在测量过程中涉及到GPS、全站仪以及断面测量仪等高精密测量仪器，但是在实际施工过程中仍然会有许多问题和困难，要求测量员工特别能吃苦和有耐心，并不断总结经验，密切配合，才能圆满完成测量任务。相信伴随着测绘技术的不断发展，水电站地下隧洞施工测量技术以及手段会得到进一步的优化和升级，在给水电站地下隧洞施工带来更多便利的同时也将提高测量结果的精确性。

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