分段施测隧道内CPⅡ控制网关键技术探讨

谯生有 安义兵 白芝勇

(1.中铁一局集团第五工程有限公司,陕西宝鸡 721006; 2.宝鸡文理学院,陕西宝鸡 721013;3.宝鸡地环科技有限公司,陕西宝鸡 721013)

高速铁路及普通铁路长大隧道无砟轨道施工前,需在隧道全面贯通后统一布设隧道内CPⅡ控制网,作为轨道控制网CPⅢ的测量依据[1-2]。巨邦强等提出,特长隧道全面贯后再施作无砟轨道对工期极其不利,在具备条件的段落,可先期铺设无砟轨道;王建成等认为,采用自由测站边角交会网与交叉导线混合构网可提高分段测量隧道洞内CPⅡ控制网精度。以上研究说明,隧道未全面贯通前分段测设隧道内CPⅡ控制网具有可行性,但对其施工风险、段落划分、网形优化及平差原则等关键技术研究有待完善。

在实际施工中,长大隧道围岩地质复杂,若某个施工面地质条件较差,开挖面贯通时间往往滞后于施工组织设计,若等所有贯通面全部贯通后再施测隧道洞内CPⅡ控制网,将造成工期严重滞后,给工程建设带来巨大经济损失。

在铁路长大隧道施工中,多采用“长隧短打”施工方案,部分施工面滞后设计工期的情况较为常见,基于工期压力和施工成本控制,采取分段施测洞内CPⅡ控制网的工程案例愈来愈多,如西格二线新关角隧道,甘青高铁达坂山、陈家山、照壁山隧道及玉墨铁路安定隧道等,在隧道全面贯通前,采取分段施测洞内CPⅡ控制网方案,可节约无砟轨道施工工期,经济效益非常显著。因此,研究铁路长大隧道在全面贯通前分段施测隧道洞内CPⅡ控制网技术非常必要。

1 施测隧道洞内CPⅡ平面控制网

隧道无砟轨道施工前,需布设洞内CPⅡ平面控制网,然后在洞内CPⅡ平面控制网基础上,施测CPⅢ平面控制网,作为无砟轨道施工精调、轨道精调的测量基准。因此,洞内CPⅡ平面控制网测量是隧道无砟轨道施工的关键环节,隧道洞内如不具备CPⅡ平面控制网测量条件,则隧道内无砟轨道施工将无法开展。

1.1 贯通后施测隧道内CPⅡ平面控制网

隧道各开挖面全面贯通后,隧道线下工程基本结束,施工干扰小、通风条件好,具有良好的观测条件。贯通误差可根据全隧贯通情况统一调整,隧道洞内CPⅡ控制网可整体布设、整体平差,误差分布均匀,相对精度较好,有利于为CPⅢ测量提供高精度起算基准,因此,宜在隧道全面贯通后施测隧道洞内CPⅡ控制网。

隧道全面贯通后施测洞内CPⅡ平面控制网应具备以下基本条件。

(1)隧道二衬、水沟电缆槽施工完毕,具备洞内CPⅡ自由测站边角交会网、交叉导线网、或自由测站边角交会与交叉导线混合网控制点布设条件。

(2)洞内保留有不少于1个/km完整稳定的施工控制点。便于洞内CPⅡ平面控制网与施工控制网联测,调整洞内CPⅡ控制网平差方案,避免出现洞内CPⅡ平面控制网与施工控制网“两张皮”现象[5]。

(3)具备良好的观测条件。洞内CPⅡ控制网精度受隧道旁遮光、洞内水气、烟尘、大型机械行走扰动、观测视线障碍物等因素影响,不易测设闭合。因此,必须创造良好的观测条件,才能保证洞内CPⅡ控制网顺利测设。

1.2 贯通前分段施测隧道洞内CPⅡ控制网

对于中短隧道或者非关键工期的长大隧道,可在隧道各开挖面全面贯通后再施测洞内CPⅡ控制网,此时测量条件最好,测量风险最低,但对于地质情况复杂或关键工期不能保证的长大隧道,须根据节点工期和隧道开挖面实际贯通情况,制定分段测设洞内CPⅡ控制网专项方案,在隧道未全面贯通前,分段施工无砟轨道,可降低隧道内无砟轨道施工的工期风险。

隧道未全面贯通前分段施测洞内CPⅡ控制网应具备以下基本条件。

(1)隧道开挖完成至少80%以上,仅有部分工作面不能按期贯通,如图1所示。

图1 隧道贯通情况示意

(2)未贯通段地质复杂,工期滞后,影响全线关键工期。

(3)部分贯通面已通过隧道进口、出口、平导、横洞、斜井、竖井或横通道等辅助导坑(洞)开挖贯通,已贯通段分段施工无砟轨道能够显著缩短工期。

(4)具备控制点埋设、控制网联测和观测条件。

2 分段施测隧道内CPⅡ控制网的测量风险

2.1 施测条件较差

由于隧道未全面贯通,隧道内部分开挖面施工尚未结束,受开挖、出渣、支护、铺底、二衬、水沟电缆槽等施工影响,通风排烟效果较差,对测量目标的照准精度影响大,交通车辆行走频繁,隧道内施工干扰大,容易造成观测中断或无法观测,观测精度受施工影响较大。

2.2 不同阶段施测的分段之间搭接误差过大

洞内CPⅡ网根据施工进度分阶段施测,各分段相对独立,后期测设的CPⅡ网与先期测设的CPⅡ网之间的搭接误差可能导致平差精度指标难以合格。因此,必须提高各分段CPⅡ网的测设精度,减小各分段之间的衔接误差,确保各分段测量成果均能满足精度要求。

2.3 对轨道平面线形平顺性的影响

分段测设时,宜根据施工进展将整个隧道洞内CPⅡ控制网划分成多个测段,各测段分别独立测设,相较于隧道贯通后整网布设、整体平差,控制网之间的衔接误差可能较大,对后续CPⅢ测量精度会产生一定影响,从而影响轨道平面线形的平顺性。

2.4 可能引起隧道净空侵界

受施工干扰、观测条件、不能整体平差等因素影响,分段施测隧道洞内CPⅡ控制网测量误差容易积累,若测量方案制定不合理,相关技术措施不到位,可能导致测量误差积累过大,引起隧道净空侵界。

3 分段施测隧道内CPⅡ控制网关键措施

3.1 制定专项测量设计方案

分段施测隧道洞内CPⅡ控制网超出了规范要求的基本条件,施工风险大,必须制定专项测量设计方案,专项方案的内容一般应包含隧道内CPⅡ控制网分段的划分、洞外控制网优化设计、洞内CPⅡ控制网精度设计、洞内CPⅡ控制网网型设计、洞内CPⅡ控制网平差原则等,测量专项设计方案需经专家评审论证,通过方可实施。

3.2 合理划分分段段落

根据施工现状和施工组织安排,分阶段划分洞内CPⅡ控制网段落,分段时应尽量减少分段数量,加大分段长度,减少分段搭接。如图1所示工况,第一阶段宜施测进口至1号斜井及3号斜井至出口,第二阶段施测2号斜井至3号斜井,第三阶段施测1号斜井至2号斜井。

3.3 动态优化分段段落

分段段落应根据实际施工进度进行动态优化,贯通时间相近,或不在关键工期路线的相邻段落可以作为一个整体段落,如图1所示工况,若2号斜井至3号斜井与1号斜井至2号斜井贯通时间相近,可将1号斜井至3号斜井优化为一个分段。

3.4 对洞外施工控制网进行优化

为确保分段洞内CPⅡ控制网的测量精度,对隧道洞外施工控制网进行升级改造,对洞口进洞边进行优化。洞口视线开阔,具备GNSS观测条件的,可将进洞点直接设置在洞口路基上或洞口桥台防护墙顶面,以优化进洞边,减小进洞边俯仰角;若后视边长度大于500m,为降低垂线偏差影响,可提高进洞边方位角传递精度。实践证明,对洞外控制网进行优化是提高洞内CPⅡ控制网精度的关键措施。

3.5 洞内控制网布网方案优化

一般情况下,控制点宜沿隧道两侧水沟电缆槽中隔墙成对布设,导线边长宜大于300m,观测视线应远离障碍物,以减小旁折光影响[6]。洞内导线网可布设为多边形导线网、交叉导线网、加测自由测站的交叉导线网、导线锁与交叉导线混合网等多种类型。应根据精度要求、隧道曲线半径、断面大小、通视条件等因素进行优化设计。

一般洞内导线网应布设为交叉导线网[7],斜井、平洞或横通道与正洞交叉口处的短边应采取强制对中措施,并加测自由测站边角交会,以增强网形强度[8-10],网形如图2所示。

图2 加测自由测站的洞内交叉导线网

洞内CPⅡ控制网角度测量精度受旁遮光影响非常显著,在不利条件下旁遮光误差可能超过3倍测角中误差,导致导线角度闭合差超限,旁遮光误差在洞内呈现出系统误差的特性,即使对导线角度进行重测,也不能有效削弱或抵消。当曲线半径较小视线紧贴隧道壁时,应对洞内CPⅡ控制网网形进一步优化。

一种优化方案是优化观测网形,取消曲线内侧靠近隧道壁一侧的观测边,将洞内CPⅡ控制网优化为四边形导线锁与交叉导线结合的混合网,该网形的缺点是降低了导线网的图形强度,优点是可通过内业取消贴近隧道壁的观测边即可实现优化,不必额外增加外业观测量,也无需对点位重新埋设,实际应用较多,如图3所示。

图3 导线锁与交叉导线混合网

另一种优化方案是优化曲线内侧CPⅡ控制点对的埋设位置,将交叉导线网点对按一组设置在曲线两侧,下一组设置在曲线外侧,依次间隔设置,如图4所示。

图4 间隔设置点对的交叉导线网

该网形的优点是导线网图形强度较好,具有较多的冗余观测。

3.6 联测施工控制点

为检核洞内CPⅡ控制网与施工控制网之间的差异,宜每隔1km联测不少于1个施工控制点,施工控制点至少通过2个测站联测,联测方式如图5所示。

图5 施工控制点联测示意

3.7 创造良好的观测条件

分段施测洞内CPⅡ控制网时,部分开挖面尚未贯通,洞内通风排烟效果差,机械通行干扰大,这些因素是影响洞内CPⅡ控制网观测精度的主要因素。洞内CPⅡ控制网外业观测期间,应停止洞内所有施工,清除影响观测视线的障碍物,关闭隧道内照明灯光,禁止机械车辆通行,提前打开风机通风除尘;在烟尘和水汽聚集地段,必要时可增加射流风机,以加强空气流动,创造良好的洞内观测条件,确保观测质量[11-15]。

3.8 不同分段之间搭接

宜将搭接段落向未贯通端掌子面延伸1个测站,为前期无砟轨道施工区间增加可施工的长度,分段划分时,应为后期贯通的测段留有足够长度(一般不宜小于4km),以避免因不同阶段施测的分段之间搭接误差过大而引起设计隧道中线的调整。

3.9 分段控制网平差原则

洞内各分段CPⅡ控制网平差时应遵循如下原则:

(1)各分段洞内CPⅡ控制网平差各项精度指标应满足专项测量设计方案要求。

(2)分段洞内CPⅡ控制网平差应按“三步法”原则平差。第一步仅约束洞外已知点进行平差试算,第二步利用试算成果检查隧道净空断面,第三步根据隧道净空检查结果合理确定最终平差方案,避免出现因平差方案不合理造成隧道净空侵界。

(3)必要时可约束部分施工控制点,或约束施工控制点的某一分量,使分段CPⅡ控制网与施工导线网成果有良好的一致性,避免出现洞内CPⅡ控制网与施工控制网出现“两张皮”现象。

(4)分段洞内CPⅡ控制网平差成果的精度应满足施测轨道控制网CPⅢ的要求。

4 工程案例

新建兰州至乌鲁木齐第二双线达坂山隧道全长15.879km,采用“长隧短打”方案施工,共设斜井3座、平导1座,隧道进口与1号斜井、2号斜井与3号斜井、3号斜井与隧道出口段均已贯通,1号斜井与2号斜井施工段因隧道围岩较差,工期滞后7个月,严重制约全线铺轨进度,需在1号斜井与2号斜井贯通前分段施测隧道洞内CPⅡ控制网,以加快隧道无砟轨道施工进度。该隧道洞内CPⅡ控制网分两期测设,采取了优化洞外、洞内控制网布网方案和提高测量精度等技术措施,测量方案经专家论证后施测,各分段衔接平顺,测量精度均满足要求,缩短铺轨工期7.5个月,取得了显著的经济效益。

5 结论

对隧道未全面贯通分段施测洞内CPⅡ控制网测量条件、测量风险、关键措施、无砟轨道施工工期压力等方面进行研究,得到以下几点结论。

(1)长大隧道工程地质比较复杂,部分贯通面工期滞后的情况较为常见,通过分段测设洞内CPⅡ控制网,可缩短洞内无砟轨道施工工期,经济效益显著。

(2)分段施测洞内CPⅡ控制网时,隧道内施工干扰大,通风排烟效果差,交通车辆行走频繁,容易造成观测中断或无法观测,对提高分段施测洞内CPⅡ平面控制网精度不利。

(3)通过采取合理划分分段测量区间、优化洞外控制网进洞条件、增加洞内CPⅡ控制网图形强度、改善观测条件、合理确定平差约束条件等措施,在部分开挖面贯通的情况下分段施测洞内CPⅡ控制网的技术方案可行。

(4)“分段法”施测洞内CPⅡ控制网是一种特殊情况下采取的施工措施,具有施测紧迫性、必要性、经济性的特点,只有在大部分贯通面已经贯通、仅个别贯通面未贯通且已成为影响关键工期的“掐脖子”工程的情况下方可使用,不得滥用。