TS60全站仪在特长隧洞贯通测量中的应用

凡建林 姚 辉 林建涛

（浙江省测绘科学技术研究院，浙江 温州325000）

0.引言

近年来，随着我国工业、制造业技术的发展，水利、铁路等施工技术得到了快速进步，各种工程建设中特长隧洞（单向掘进大于8km的隧洞）也越来越多。例如，已经建成的辽宁大伙房引水Ⅰ期工程长85km，在建的新疆北部引水工程单座隧洞长283km，2018年建成且投入运营的港珠澳大桥海底沉管隧洞长达5664m[1]，秦岭隧洞长81.779km[2]。与地面测量不同的是隧洞测量不能使用GNSS方法，洞内平面控制测量一般采用导线测量的方式建立，高程控制测量通过水准测量的方式进行，碎步放样采用全站仪极坐标法。隧洞掘进过程中，洞内控制测量是隧洞的“眼睛”，指导着隧洞的掘进方向，其中，高程控制测量可通过水准测量的方法实现，精度容易控制。由于隧洞内测量检核条件少、网形强度低、施工干扰大，平面控制测量的精度直接关系到隧洞的顺利贯通，是隧洞测量的关键，高精度的导线测量可以为工程施工提供各种保障。

1.隧洞地面施工控制网的布设

1.1 隧洞洞外控制网的布设

隧洞洞外平面控制网与其他地面工程相同，一般采用GNSS静态测量方式布设[3]，可参考文献[4]中的技术要求布网。高程控制网采用水准测量方式布设。

1.1.1 坐标系统和高程基准

隧洞平面施工坐标系建立方法为：选择投影面为测区平均高程面的任意带高斯投影平面直角坐标系。具体建立步骤如下：（1）GNSS静态相对定位观测得到的基线数据通过约束平差得到投影面为参考椭球面的3°分带高斯投影坐标；（2）选择测区中央的大地经度作为中央子午线，选取分段测区中的一控制点为中心点，以该点至控制网中较远的一点在CGCS2000国家坐标系下的方位角为起始方向，进行测区平均高程面上的坐标投影计算得到施工坐标。高程基准为1985国家高程基准。建立坐标系数学模型如下：设地面固定点在工程坐标系下的平面坐标为此点对应高斯投影后的平面坐标为（x0，y0）；特定方向方位角为α'，其对应由高斯投影后平面坐标反算的方位角为α，那么各GNSS点在“一点一方向”平差后工程坐标系下的平面坐标为：

1.1.2 地面控制网测量仪器设备

地面平面控制网采用GNSS测量方式进行，高程控制网通过水准测量进行，选用仪器如下：

（1）双频GNSS 接收机若干台，用于静态相对定位测量；

（2）自动安平电子水准仪若干台，用于联测高程；

（3）GNSS 网基线解算软件；

（4）GNSS 网平差软件；

（5）水准网平差软件。

2.隧洞洞内导线布设形式

2.1 支导线形式布设

支导线的布设方式是沿着隧洞掘进方向布设一条单导线，其优点是工作量小、布设灵活，缺点是没有检核条件，不易发现粗差，存在误差的累积，只适合于较短距离的导线测量。

2.2 全导线网的布设形式

全导线网形式增加了控制网的强度，检核条件多，精度较高，缺点是工作量大，成本较高。

2.3 交叉双导线

交叉双导线布设形式（如图1 所示），相对于全导线网工作量减半，并且有较多的检核条件，在一定程度上也能减小旁折光的影响，被广泛应用于隧洞工程建设中。

图1 交叉双导线布设形式

3.导线边长改化

高精度测距仪测量得到的距离为两点在空间直角坐标系中的空间距离。该距离需要经过气象改正、仪器加乘常数改正。空间斜距化为平距一般采用天顶距法或高差法化为平距。

3.1 气象改正值的计算

气象改正主要包括测站和镜站之间环境温度和气压对测距的影响，计算公式可参照仪器说明书。

3.2 仪器加乘常数改正值的计算

主要指仪器的校准参数，包括固定误差和比例误差。

3.3 平距计算

测距仪观测的斜距化为平距，可采用下列两种方法：

方法一：用高差计算

方法二：用天顶距计算

3.4 测区平距高程面上边长的归算

当测区内投影变形超过2.5cm/km 时，需要将测量的边长归算到投影面。全站仪测量的距离是空间两点的距离，需要将其换算到测区高程抵偿面上。其可通过式（5）计算：

4.平面贯通测量误差来源

平面贯通测量误差主要来源可分为下列几种：

（1）地面控制测量对横向贯通误差的影响；

（2）地下控制测量对横向贯通误差的影响；

（3）陀螺方位角精度对横向贯通误差的影响。

5.工程实例分析

5.1 工程概况

某单向掘进15.2km 的无压输水隧洞，平均埋深300m，设计纵坡比为1/5000，采用TBM 法施工，隧洞设计尺寸为5.5m 的圆形断面，隧洞围岩类型以Ⅲ类居多。由于隧洞半径较小且常伴有大量涌水现象，对测量工作带来了较大困难。TBM 机长约200m，调整方向困难，必须确保掘进误差在限差以内，才能保证隧洞的精准贯通。

5.2 洞内平面控制测量

控制网等级按照文献 [6] 中9.3.2 章节的表格选择。可知本工程平面控制测量应选择二等导线测量。

施工控制点的布设，沿洞壁两侧布设含强制对中装置的控制点，由于洞内水蒸气和灰尘较大且测量过程中常伴有施工干扰。经实践，控制点间距离宜在250～350m 之间，距离太短会增加测站数，存在测量误差的积累，距离太长会导致全站仪受到洞内灰尘影响无法读出数据。

5.3 洞内高程控制测量

洞内高程控制测量与地面控制测量相同，该工程按照二等水准观测要求进行。水准点布设在平面控制点附件，以便及时将水准高传递到平面控制点上。

5.4 仪器设备选择

（1）徕卡TS60 全站仪一台，该型号采用全新的ATRplus 自动照准技术，用全新的光斑分析法优化棱镜验证方法，可以在超远距离自动学习目标棱镜，让观测者不再将精力浪费在重复的学习棱镜工作中，可以自动识别有效棱镜，排除环境中的干扰因素（灯光、水蒸气、日照等）和无效目标。有效地提高自动测量的距离精度和效率。其测角精度为0.5″，测距精度能达到0.6mm+1ppm；

（2） 徕卡 LS10 电子水准仪一台（精度为0.3mm/km），用于二等水准测量；

（3）气压计、温度计各一支；

（4）陀螺全站仪一台（精度为5″），用于测定真北方位角；

（5）内业数据处理和平差软件若干套。

5.5 导线测量限差的要求

导线测量按照二等要求观测，各项限差（如表1所示）：

表1 0.5″级全站仪二等导线观测精度要求

5.6 导线测量数据预处理

在测量过程中，温度、气压已经输入机载多测回测角软件，测量过程中已经完成了气象改正，表2 主要完成仪器加、乘常数改正（加常数为-0.58mm，乘常数1.03mm/km），天顶距法将斜距化为平距，测区平距高程面上边长的归算。

表2 观测斜距改正

5.7 导线精度的影响因素分析及防范措施

经过该工程中导线测量得出如下结论：

（1）温度和气压对距离测量有较大影响，测量过程中应选择经鉴定合格的气压计和温度计；

（2）当测量视线离墙壁或障碍物较近时，会引起旁折光的影响，一般建议控制点距离洞壁及障碍物0.5m 以上；

（3）仪器对中误差的影响：采用带强制对中装置的控制点或采用三联脚架法观测，能提高观测效率及测量精度；

（4）隧洞内灰尘的影响：选择适宜的时间，如隧洞内无喷锚、掘进作业，通风条件良好的时段；

（5）仪器本身的误差：每隔一定周期在国家认可的计量部门检定求得仪器的加、乘常数。

5.8 提高导线测量精度的措施

（1）剔除角度闭合环较大的闭合环；

（2）每隔一段时间复测洞内导线；

（3）在适当位置加测陀螺方位角并用于平差；

（4）选择测角测距精度较高仪器设备；

（5）对往返测边长差值较大的导线边进行重测。

6.结束语

本文以特长隧洞为例，论述了隧洞外和隧洞内控制网布设形式及方法，主要论述了隧洞内导线的布设形式、作业流程和数据后处理方法，对导线边长改化为平距进行了详细分析；最后以工程数据为例总结了导线测量影响因素及减弱措施，为特长隧洞测量提供参考依据。