长大隧道控制网设计技术探析

韩党军 沈延峰

(中铁一局集团第四工程有限公司，陕西 咸阳 712000)

0 引言

在铁路建设过程中，一般把单座隧道两端洞门之间长度大于5 000 m以上的称为长大隧道。此类隧道的准确掘进、贯通误差以及建成后的线形和轮廓与设计标准是否相符,是隧道施工技术中最起码的要求，其中贯通误差是衡量隧道正确施工和控制测量精度的重要指标，对隧道的中线和高程控制有着举足轻重的影响。而在隧道施工过程中，影响贯通误差的因素主要有洞外控制测量精度等级、洞内控制测量精度等级、隧道长度。本文根据长大隧道控制测量的建网理论，以大柱山长大隧道工程为例，详细分析了隧道洞外平面控制网和洞内导线控制网的设计过程，并估算其对贯通误差的影响，以期为此类隧道施工控制最优方案的选择和顺利贯通提供技术保障。

1 施工隧道工程概况

1.1 总体概况

大柱山隧道是新建铁路大理至瑞丽大保段站前工程的第三标段的难点工程，位于云南省保山市境内，起始里程DK104+100，终点里程DK135+600，隧道全长14.5 km，属于长大隧道，辅助正洞施工的平行导洞与隧道正洞基本平行，间距30 m，并沿里程方向每隔500 m与正洞设有横通道，正洞与平导均由进口与出口相向掘进，中间无斜井及竖井，隧道控制测量难度大，技术要求高，是长大隧道控制网设计的典型案例和突出代表。

1.2 施工隧道控制网的布设情况

1.2.1隧道洞外控制网布设情况

根据设计交桩资料及地形情况，大柱山隧道正洞进口布设3个GPS控制点D278，D279，ZD1；平导进口布设4个GPS控制点：PD1，PD2，PD4，PDW-1；正洞出口与平导出口布设共用4个GPS控制点D313-A,D313-E,CHD,CHD1,布设示意图如图1所示。

1.2.2隧道洞内控制网布设情况

大柱山隧道洞内控制网按照传统的导线网形式布设，正洞进口和平导进口端的导线点分别由洞外GPS控制点引测，正洞出口和平导出口由共用洞外GPS控制点引测，洞内导线点布设成4条边闭合的导线环，导线点的边长间距通过方案设计进行确定，布设示意图如图1所示。

2 长大隧道控制测量的基本要求

布设长大隧道控制测量时，除了满足应有统一的坐标基准、先整体后局部等一些基本原则外，隧道洞外控制网和隧道洞内控制网还应满足下述相关要求。

2.1 隧道洞外控制网的布设要求

目前隧道洞外控制网已基本采用GPS进行控制测量，控制点布设时主要应满足以下几点要求：

1)应布设在土质坚硬、视野开阔、不易破坏的地方进行；2)应沿两洞口连线方向布设成多边形组合图形，构成闭合检核条件；3)每个洞口应至少布设3个平面控制点；4)用于向洞内传递方向的洞外联系边的边距不宜小于300 m；5)各控制点之间应尽可能的保证能够相互通视，以便于向隧道洞内引测导线。

2.2 隧道洞内控制网的布设要求

从实际的施工过程来看，对于长大隧道洞内控制网的设计应多采用传统的导线网形式，而且导线点布设时应满足下述几点要求：

1)布设应在处于施工干扰小、稳固可靠、便于设站的地方；2)点间视线应离旁洞内设施0.2 m以上；3)导线网应布设成多边形闭合环，每个环由4条～6条边构成，尤其是长大隧道的布设应成交叉双导线，以增加内部检核条件，如图2所示；4)每个导线边长应根据实际测量设计确定。

3 施工隧道控制网的优化设计

对于长大隧道而言，进行控制测量的基本原理和方法均大同小异，但各个隧道的施工环境和影响因素又不尽相同，实施的具体方法和手段也存在差异。在隧道纵向横向、方向和高程贯通误差中，以目前的测量方法来说，横向贯通误差对隧道建筑限界及各建筑物的使用功能影响最大，因此，本文均主要以横向贯通误差作为衡量隧道控制测量精度是否满足隧道施工要求的重要指标，并分别分析计算洞外GPS控制网和洞内导线控制网对隧道横向贯通误差影响的大小，优化设计隧道控制网。

3.1 隧道洞外GPS控制网的优化设计

隧道洞外控制网采用GPS进行测量，其洞外横向贯通误差主要根据GPS测量的洞口联系边测量精度及其定位点坐标精度计算求得，其计算公式如式(1)所示：

(1)

其中，mJ,mC分别为进、出口GPS控制点的Y坐标误差；LJ,LC分别为进、出口GPS控制点至贯通点的长度；mαJ,mαC分别为进、出口GPS联系边的方位中误差；θ,φ分别为进、出口控制点至贯通点连线与贯通点线路切线的夹角。

大柱山隧道根据隧道各施工的洞口地形条件确定的进洞联系边分别为：正洞进口ZD1-D278；平导进口PD1-PD4、正洞出口与平导出口CHD-D313-A，控制网布测时利用GPS按照静态模式对洞口进洞联系边以及其他洞外控制点进行了联测，以及其他洞外控制点进行了联测，对所采集的原始数据分析处理后，计算得到的大柱山隧道正洞和平导的贯通误差如表1所示。

表1 隧道洞外控制网贯通误差表

由表1可知：隧道洞外所选GPS控制点对贯通误差的影响均小于规范中65 mm的要求，说明洞外GPS控制点位置合理，能够满足规范中贯通误差的要求，其坐标成果，可以作为隧道洞内控制测量的起算数据。在此基础上，隧道洞外GPS外业测量时，应注意满足最少观测卫星数、采样间隔、观测模式、卫星高度截止角、观测时段长、时段数等要求，并尽量减少由多路径效应的影响；内业数据处理时，必须在检核已知点间的兼容性，方可通过检查重复基线较差、异步环闭合差，进一步进行三维约束平差、二维约束平差后，进行精度统计，确定各项成果。

3.2 隧道洞内导线控制网的优化设计

由于隧道洞内控制网采用导线网进行测量，导线边间距过长或过短，都会影响导线测量的精度，如何设计好隧道洞内导线网及其导线点间的边长，对于保证隧道准确贯通至关重要，而隧道洞内横向贯通误差主要受测角误差和测边误差影响，其对贯通误差的影响可按照式(2)～式(4)进行计算：

(2)

(3)

(4)

大柱山隧道洞内导线网在进行优化设计时，借鉴以往施工隧道的经验，计算导线边间距为300 m和500 m的情况下，隧道正洞和平导的横向贯通误差，以及导线边间距为300 m，隧道正洞和平导的导线网通过设计横通道联测的情况下，隧道正洞和平导的横向贯通误差，并进行相互比较，以期确定出导线网测量的最佳边长间距，计算结果如表2所示。

表2 隧道洞内导线网贯通误差分析表

由以上比较可以看出：若在大柱山隧道内布设300 m导线边的双支导线，隧道正洞的横向贯通误差将超过规范要求的105 mm；若在布设500 m导线边的情况下，隧道的横向贯通误差基本能满足要求；但在布设300 m导线边的交叉双导线情况下，通过横通道联测正洞导线网与平导导线网间的安全距离后，能够有效降低隧道横向的贯通误差，且在联测距离和角度后，横向贯通误差相对于只联测距离后的误差降低较小，因此，对于只从进口与出口两端掘进的大柱山隧道，在布设洞内导线点时，间距应以500 m为宜，在边坡点、平曲线半径影响的区域，可以适当缩短导线点间距，但不得低于300 m。

另外，长大隧道受通风条件的限制，洞内空间分布的粉尘、烟雾、水汽、岩热、温差等因素，对精密测角、测距质量的影响极大，如大柱山隧道施工过程中，正洞安装射流风机通风，正洞与平导的温差多达7 ℃～8 ℃，形成的气流对精密测角影响极大，而隧道洞内温度也不断变化，最高达35 ℃，导线边距离测量时，也不容忽视，对于此类影响应采取有效的手段最大化的加以消除或者削弱，可采取以下措施：1)测量前，应提前进行停工，并加强隧道通风，尽可能做到隧道内观测视线良好，少烟、少尘等情况，使观测目标成像清晰；2)改善照明环境，防止测量视线上有强光源等、造成旁折光影响；3)在测量过程中，由于通风设备造成的气流影响测角时，应关闭通风设备；4)测量时，应尽量进行连续测量，防止因为各次环境因素差异，造成测量结果差异。在隧道洞口进行洞内外联测时：1)应选在夜间或阴天、气温稳定的情况下，进行测量；2)隧道洞口置镜点，宜在每次测量时，重新架设仪器，采集两组观测数据。

4 长大隧道控制网复测与调控

在隧道控制网首次建网完成后，还应根据隧道施工情况，定期进行控制网的复测，并不断发现过程中存在的问题，优化方案，以期达到更好的效果。

1)隧道每开挖到一定长度后，要按照方案设计及时增设导线控制点，增设指导开挖的临时控制点时，应检核已知点间的相互关系；

2)应确保需使用的各仪器处于完好状态，并在检定有效期内，测量时要做到仪器和外界环境适应后，准确记录和设置仪器气象数据，方可开始测量；

3)应按照原设计控制网等级的相关技术要求进行同等级的复测；

4)应充分避免测量过程中的系统误差的影响，如对点器的对中误差；

5)在隧道开挖到一定长度后，还应增加陀螺仪测量进行方位角的校正，防止累积误差过大；

6)数据处理时，应正确设置好中央子午线，投影面高程等信息，进行距离改化后，方可进行平差计算；

7)对于丢失、有位移的控制点应采用同等内插的方法及时新设或更新；

8)应认真分析每次复测完成后的成果资料，统计各项误差与往期进行比较，发现异常情况查明原因、调整优化方案；

9)隧道贯通时，应联测贯通面两端的导线点，并进行精度评定，合限时方可进行贯通误差的分配，平差处理后的新坐标成果作为未衬砌段隧道的施工依据。

5 结语

对于长大隧道而言，在确保其准确、安全、高效贯通的同时，必须在前期进行准确的隧道控制网方案设计且估算贯通误差，随后在施工过程中应根据实际情况不断按照已经实施的测量结果计算实际误差，估算贯通误差与计算的实际误差进行比较，有异常情况时调整、优化方案，从而确保在实际隧道施工控制过程中，既不会因盲目而提高或降低隧道控制测量的精度，又能保证隧道建筑物如期安全的进行施工。