激光导向系统在超长输水隧洞TBM施工高精度测量控制中应用

袁 伟

(辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁 沈阳 117200)

TBM施工的隧洞贯通精度问题是隧洞施工的关键技术之一[1]。大伙房水库输水工程主体是一条长达85.32km的世界第一长隧洞，隧洞施工以TBM工法为主，最大相向贯通长度达13.8km，超出了现行规范中给出的最大相向贯通长度仅为10km的范围。如何确定极限贯通误差，如何实现高精度贯通，是亟待解决的科学问题[2- 4]。随着我国大型跨流域调水工程的实施及公路铁路事业的蓬勃发展，超长隧洞会越来越多。TBM应用于超长隧洞中是一大趋势，已成为隧洞工程施工的主要方法之一[5- 14]。目前TBM施工超长隧洞在贯通测量方面可借鉴的工程经验不多，也无相关的规程、规范。为此以大伙房输水隧洞为工程实例，探讨激光导向系统在其隧洞TBM施工中高精度控制测量中的应用，并对其问题进行分析，研究成果可为TBM施工超长隧洞在贯通测量方面提供了成功的经验和借鉴，为TBM施工超长隧洞的布置、设计提供了重要依据，也为建设更长隧洞工程的贯通测量控制技术进行了有益的探索，这必将有利地推进隧洞施工技术的进步。

1 输水隧洞贯穿测量控制误差估算公式及误差标准

1.1 贯通误差估算公式

横向和竖向贯通误差使影响隧洞贯穿精度的重要衡量指标，为此本文对这两个方向贯穿的误差进行估算，方程为：

(1)

(2)

(3)

式中，myβ—测量贯通面所产生的横向误差值，mm；myl—测量贯通面由于距离测定所产生的横向误差值，mm；mβ—测量控制导线的角度测量误差，(″)；ml/l—测量控制导线的对中边线的误，mm；Rx、dy—贯穿断面测量垂向和投影距离，mm；n—次数。竖向贯通误差计算方程和横向误差一致。

洞外和洞内测量高程对竖向贯通影响误差的估算方程为：

(4)

(5)

(6)

式中，mh、m′h—洞外和洞内测量高程所产生的误差，mm；MΔ、MΔ′—洞外和洞内测量不同高程差之间的误差；L、L′—洞内和洞外不同水准路线洞间的长度，km。

由于在隧洞未贯通时为了简化洞内的基本导线，将导线端点之间的误差作为贯通横向测量误差，因此这样计算较为安全，考虑到超长隧洞的实际情况，对传统贯通横向测量误差进行改进，提出改进后的误差计算方程为：

(7)

式中，mb—贯通横向高程测量误差，mm；ms—测量误差均值，mm；n—测量导线的数目；mβ—测量误差的角度，(″)；ρ—固定值，本文取值为206250；L—导向的总长度，mm；h—测量导向的起点与终点之间的高程差值，mm。

1.2 贯通误差分配标准

单向掘进长度在SL52—93《水利水电工程施工测量规范》中还没有作出其极限贯通误差限差的规定，属超长隧洞。针对大伙房超长输水隧洞的实际工程概况，对超长输水隧洞极限贯穿误差及分配值提出相对应的要求，见表1—2。

表1 水工隧洞开挖极限贯通误差

表2 贯通中误差分配值表

2 测量导线的布设

2.1 基本导线点的布设

导线点的基本位置主要安装在隧洞两侧的岩壁上，导线标石为浇筑的混凝土基岩平台，隧洞基岩低于周围平台的高度在5～10cm之间，在平台的中部区域布置一根不锈钢锚筋，锚筋进入岩石的深度为20cm，点位标志设定为锚筋外露区域的0.5cm处，在上面进行护盖方式进行保护，以免施工中损坏点位标志，具体布设的方式如图1所示，大伙房输水隧洞测量导线布置现场如图2所示。

图1 基本导线点埋设示意图

图2 大伙房输水隧洞二期工程测量导线布置现场

2.2 施工导线的布设

结合隧洞内部实际情况对贯通导线点进行设定，主要布设在隧洞中心轴线上，为了便于检验，将隧洞内布设的施工导线按多环导向进行布设，按照隧洞内部的通视条件对相似的长边导线进行布设，直线间距高于300m，导线段边的曲线长度高于80m。

隧洞内导线布设主要是对施工进行指导，对隧洞轴线进行间断性的延伸，在基础导向基础上进行导向的加密操作，间隔为50m左右进行埋点的布设。同时结合隧洞内部工程的实际情况可灵活机动的选取的布设的方式，基本导线和相邻埋点基本重合，上一个导线基本点主要用于施工导线的测量，注意对施工导线基本点的复核和校对工作。

基本导线和高程的标石具有一致性，三角光电测距和基本导线点采用同步观测方式，不同层次导线具有确切的编号，在隧洞岩壁上划定明显的标志，方便施工中确定标记。对导线点的桩号和偏离坐标值进行成果计算和导出，并结合现场施工情况进行修订。

2.3 闭合环处理

(1)控制点设定：采用钢结构作为闭合导线的控制节点，钢结构受温度影响具有一定的韧性和伸缩性，由于隧洞常年温度可控制在11℃左右，因此隧洞内部的钢结构受温度影响较低，为了对控制点钢结构的稳定性进行检定，需要定期对其稳定性进行复测，通过复测表明各控制点的坐标一直低于1mm，满足精度的要求。

(2)闭合环设定：采用交叉观测的方式对隧洞内部折光影响进行消除，并在隧洞外部到贯通面之间布设4个导线闭合环。

(3)加乘修正测量导线的边长，将所有投影改正后的导线边长的高程统一到211.9m，采用南方平差软件进行高程的平差处理，各闭合导线的平差误差见表3。

表3 各闭合环平精度表

3 TBM激光导向系统

3.1 基本原理

采用激光导向系统对隧洞主体掘进速度和主轴方向进行准确控制，按照设计规范对主轴导向方向的测量误差进行标准化处理，并需要及时复勘检查隧洞内部的控制点位，隧洞主体掘进方向按照设计轴线方向进行精准控制。在隧洞TBM掘进工程中，采用激光导向系统对其主要控制点进行连续调整和修正，为保证激光导向系统的控制测量的精准性，导向的高精测量主要采用TCA1800型机器人全站仪进行控制。

在TBM掘进装置上安装激光导向系统，控制TBM掘进的方向和设计导向具有高度一致性，对激光导向系统的坐标数据采用传统测量方法进行采集，激光导向系统可实现导线方向中心线以及轴线设计位置进行连续、高密度提取，并将偏差数据进行软件终端的显示，如图3所示，这样有助于施工人员对掘进位置及时效性进行准确控制。施工人员按照软件显示的数据偏差对TBM掘进方向进行调整。

采用激光导向系统可实现TBM掘进数据的连续输出和自动导出，采用激光导向系统进行导向控制的成本较低，并能实现高精准的测量控制，按照轴线设计范围内的偏差进行TBM掘进方向的高精度测量以及导向的准确把控。

图3 激光导向系统的TBM导线数据显示

3.2 激光导向系统的测量控制方法

激光导向系统主要结合隧洞边墙上通过激光站发送的数据进行坐标信息的采集，并将采集的坐标信息和导向控制单元进行数据传送和关联单元的有效控制。

激光束对水平夹角、测量目标单元、轴线方向的缺陷光影度、左右偏向转交、目标单元的坐标信息、水平测量单元之间的距离进行测定，将数据信息通过数据电缆采集到计算器控制终端，对输水隧洞轴线控制单元数据进行分析后，对安装轴线和导向方向之间的偏差进行把控，对TBM刀盘位置偏差进行准确分析，施工人员依据此偏差数据对TBM掘进方向进行调整。

随着隧洞主体掘进工程的不断进行，激光导向系统与目标单元之间用电缆进行连接，当控制单元和激光导向系统之间的距离在100～250m范围内时，对控制单元的位置进行安装前置。激光导向系统对隧洞内外的中继目标单元、调制设备进行传输联机，对测量数据应用电脑终端进行采集，并对TBM的所在的位置进行分析，对数据进行逐一采集，不同数据单元之间采用并联串口进行连接，将采集的数据导入到激光导向系统内，对出现故障的区域进行准确定位。

4 TBM激光导向系统测量控制实例分析

4.1 工程实际贯穿精度分析

为分析激光导向系统在超长隧洞测量控制中的精度，结合大伙房输水工程二期建设项目为实例，对其中3个标段的主体隧洞贯穿精度进行试验分析，结合前面叙述的贯穿精度分析方法对其不同方向的贯穿误差进行分析，3个标段的贯穿精度分析结果见表4—6。

表4 大伙房输水工程二期第一标段贯通精度

表5 大伙房输水工程二期第二标段贯通精度

表6 大伙房输水工程二期第三标段贯通精度

第一个标段为双向贯通长度达13.8km(含主支洞)，TBM单向掘进长度10.7km，从支洞口至贯通面测量导线长12.3km。洞内平面控制等级采用二等导线，洞内高程控制等级采用三等几何水准。第二个标段支洞之间为双向贯通，长度达10.3km(含主支洞)，第三个标段，双向贯通长度达9.5km(含主支洞)，从三个标段的贯通误差精度可看出，采用激光导向系统对其贯穿进行高精度测量控制后，TBM施工的横向、竖向、纵向均可满足表2中不同支洞长度的分配许可值要求的精度，且均小于要求的许可误差，具有较高的贯穿精度。

4.2 TBM轴线方向测量误差分析

在贯穿精度分析的基础上，对采用激光导向系统控制TBM掘进轴线的点位中误差进行分析，分析结果见表7。

从分析结果可看出，在不同轴线方位角内，采用激光导向系统测量的轴线点位中误差均在0.010m范围内，符合SL52—93《水利水电工程施工测量规范》要求的输水隧洞掘进轴线点位中误差的要求，可见采用激光导向系统在大伙房输水二期工程中轴线定位具有较好的测量和控制，这主要是因为激光导向系统可实现导线方向中心线以及轴线设计位置进行连续、高密度提取，并将偏差数据进行软件终端的显示，施工人员可按照此偏差数据调整TBM的掘进方向，从而确保轴线点位高精度测量控制。

表7 激光导向系统下TBM掘进轴线的点位中误差

4.3 影响TBM掘进偏差的因素及解决方法

(1)系统无法对隧洞圆形开挖断面进行施工和控制测量之间的偏差进行控制。采取的解决措施为：在主导线网内部布设电子全站仪，并加密观测的次数，是全站仪对坐标数据进行多次点位的采集，采用水准仪对高程数据进行反复测定，从而控制测量的精准度，为TBM的导向精准度提高重要的基础。

(2)施工现场环境对信息干扰大，使得仪器无法正常工作。

(3)施工现场湿度大，使得电动全站仪无法反射棱镜。采取的解决措施为为保证除尘和通风系统的良好运行，遇到特殊情况需要暂停TBM的现场施工，并加大通风系统，将电动经纬仪与两个棱镜之间的距离控制在70m之间，采用有线连接的方式对原TBM的无线连接进行替代，使得采集的数据能够传递保持通畅。

(4)对于TBM所在位置的采集。在工程施工过程中，由于设备自振和工程施工灰尘的影响，使得数据采集稳定性较差，在TBM启动和换步过程之间属于较为稳定的情况，这一阶段数据采集较为精准。解决的措施主要为采集的数据用于TBM开挖质量分析，可对TBM的开挖断面情况进行基本反映。

5 结语

(1)在采用激光导向系统进行超长输水隧洞TBM施工测量工程时，应采用双向闭合导线，隧洞掘进中导线网每六个点组成一个闭合环并进行平差计算，及时为TBM提供准确的坐标数据，使TBM的激光导线系统按照准确的设计轴线进行掘进。

(2)激光导向系统在隧洞规则表面进行应用时，其方向准确度较高，由于方向偏差产生的TBM导向误差现象不会产生，但测定表面出现不规则现象，则表明调整方向偏差过大，应及时进行方向调整和偏移值的重新设定。

(3)采用双后盾掘进中，由于TBM掘进的定向问题，使得控制测量较难，如何实现超长输水隧洞双后盾掘进高精度测量是以后需要深究的方向。