隧道施工测量方法精度及适用性分析

曾致，刘恒

（1.西安市勘察测绘院，陕西 西安 710054；2.中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 710054）

0 引言

近年来，随着我国隧道工程技术水平的提升，隧道测量技术和测量仪器得到了长足发展，也使测量技术在自动化、测量仪器以及效率等方面大幅度提高［1-2］。而新兴技术GPS和全站仪的广泛应用以及交叉融合，使测量工作范围越来越广，也对隧道质量建设带来了新的发展。另外隧道测量技术的多样化、动态化以及安全可靠，克服了隧道施工中不稳定因素的影响，成为隧道建设不可或缺的关键［3-4］。但同时，在实际施工测量放样技术中，测量工作会受到隧道内外各种因素的影响，使放样精度大大减弱，对隧道建设造成一定影响。本论述针对隧道工程施工的测量放样方法，深入分析隧道平面控制测量、高程控制测量以及隧道贯通误差的注意事项，在此基础上布设施工测量控制网，并利用平差软件对测量数据进行处理，从精度和适用性两方面对测量技术进行综合分析，这对提高国内隧道测量技术的认识和了解具有一定意义。

1 隧道外平面测量

在隧道施工测量工作中，进行隧道开挖时，需要建立符合设计要求和精度的平面控制网，这成为隧道洞内施工放样的依据；较短隧道，不需要布设控制网，主要以隧道中线精确放样，符合设计要求后，作为引测进洞的依据，而较长隧道工程则主要依据GPS网、导线网和三角网进行布设［5-8］。

1.1 精密导线法

精密导线网如图1所示，四等精密导线网应该根据精度指标、地形条件和网型等因素确定，其由正副导线组成平面控制网，主导线应沿两洞口中线方向布设。其中点1和点8为洞口的导线点，其他的点布设在洞顶，两洞口组成多边形闭合导线环，从而在隧道洞口间建立平面控制网。控制网导线边的相邻比为1∶3，边长不短于300 m来限制误差积累；用测回法或者方向观测法观测水平角，往返测分别按奇、偶数观测左右角，这样能更好地发现误差并削弱或消除误差；导线内业计算时，保证观测成果满足要求，再通过科傻软件进行严密平差。

图1 精密导线网

注意事项：

（1）导线点位置的选择。在满足设计要求的前提下，需要考虑实地情况。控制桩要可靠稳定，施测制度完善，能长久使用。控制点与洞口点高差不应相差太大，点间距离应不小于300 m。

（2）导线网施测需联测隧道洞口点以及洞外中线桩，作为进洞的依据。其中，在曲线隧道中，应该处理好直线与曲线的衔接，以及联测洞外路线。施测所得的结果处理后应该与设计相差不大，否则会加大隧道贯通误差，导致隧道贯通衔接出错。

（3）对隧道贯通误差产生最大影响的因素是测角、测距精度降低和各种误差积累，有效提高各项精度可减少贯通误差的影响。

（4）测量导线视线应禁止靠近地物延伸，当导线桩施测应考虑视线穿过温度突变地域。所有的导线点应该在隧道中线上或者接近中线。

（5）布设导线控制点应减弱周围建筑物的影响，削弱水平角观测误差，导线控制网应避免在不利因素下观测。

1.2 三角锁法

当隧道较长，地貌不便用精密导线法作洞外平面控制测量，常采用三角锁法测量［9］。三角锁控制测量，主要是三角网点位置的布设，要求三角网形刚强简单。隧道三角网延伸应布设成与线路同方向，隧道全长及进、出洞口点均在控制测量范围内，三角点布设均匀，并要考虑到测角、测距简单和误差最小。三角锁网如图2所示，1为进洞口的控制点，8为出洞口的控制点，其他点布设在洞外，构成了闭合的四等三角锁。

图2 三角锁网

注意事项：

（1）三角锁应沿两洞口的连线方向布设，靠近隧道中线的三角锁边应尽量与隧道贯通面垂直，避免有较大的曲折。

（2）三角锁的组成主要是以近似等边三角形为主，其他三角形为辅。对于有些地形可适当采用大地四边形来加强图形强度和稳定性；对于曲线隧道，也可以适当采用中点多边形。

（3）组成三角网的三角形数量不应太多，最弱边到起始边的三角形的个数不应超过6个，否则，则需要加设三角网的起始边。整个隧道三角形的个数不应超过12个。

1.3 GPS网法

目前，由于科技迅速发展，GPS技术由最初的军事应用发展到农业、交通、天气预报等方面，使GPS技术应用越来越广泛。在隧道控制测量中，GPS技术相对于常规测量，具有全天候、高精度、选点灵活、不受环境影响和获得三维坐标等优点。根据收集到的资料，GPS网如图3所示，在隧道两端入口处分别选取3个平面控制点，建立D级GPS网。此次GPS控制测量，共采用了6台LGN-200接收机，标称精度为±（5 mm+0.5×D）。采用静态测量模式测量，每个时段观测2 h，观测2个时段。

图3 GPS网

注意事项：

（1）选点布设要求点位稳定、交通方便，便于使用和保存，高度角上障碍较少，远离高压电线或强电磁波辐射源，远离大面积水面或平坦光滑地面。

（2）应在隧道各开挖洞口附近布设不少于4个点的洞口点。

（3）对于直线隧道，应在进、出洞口的施测中线上布设2个控制点，另外再布设2个定向点；对于曲线隧道，应把曲线的主要控制点和每条切线上布设的2点包含在网中。

（4）隧道GPS网由若干个独立异步环构成，每个点至少有3条独立基线通过，至少观测2个时段。GPS观测时间短，当测站间的距离不大于30 km时，同步观测2 h左右便能得到较好的观测成果。

1.4 精度及适用性分析

1.4.1 点位误差分析

见表1所列，通过点位误差对比可发现，GPS网点位误差最小，导线网点位误差较小，三角网点位误差最大，同时从点位误差分布均匀看，GPS网和导线网点位误差大小分布均匀，这有利于控制测量降低测量误差，提高控制网型稳定性。为分析误差较大的点位对控制网的影响，通过科傻软件平差获得最弱点的点位误差，分别为0.34，0.71，0.66，发现误差较大的点位对整个网型控制影响较大，其中GPS网相比于常规测量的优势以及不受环境影响，使个别点位影响较小，而导线网和三角网影响因素较多，从而影响整体的控制测量精度。

表1 点位误差

1.4.2 边长误差分析

见表2所列，通过平差计算3个网型的边长中误差及最弱边误差，其中，GPS网最弱边为3、4，导线网和三角网均为8、7，但边长中误差相差不大。GPS网的点位稳定可靠、观测次数多，并且受到环境影响因素较少，使其精度优于导线网和三角网，但导线网和三角网也可互相替换，3个方案都适用于大型工程建设。

表2 最弱边及精度

2 高程控制测量

目前，国内隧道高程控制测量的方法和途径主要是水准测量和三角高程测量，测定各等级隧道水准点和平面网的高程［10-11］。通常情况下，隧道越长、交通条件越差，则高程控制测量误差也较大。往往通过隧道高程控制测量长度选择相应的贯通精度，减少相应的隧道误差，提高测量精度，使隧道测量符合施工要求。

2.1 三角高程测量

近年来，三角高程发展迅速，不但测距精度高，而且使用方便，同时可以测距和测角，使其应用越来越广泛，尤其在地形起伏区域内，常采用三角高程施测。三角高程测量通常是通过测定由测站到觇标的竖角（天顶距）和距离，计算测站点与觇标之间的高差。在地面上测定1、2两点的高差h12，1点布设仪器，2点竖立标尺，量取仪器高i，通过望远镜读出目标高V，以及两点之间的竖角a和水平距离S，则1、2两点的高差为：

如图4所示，DX01为高程已知点，通过已知高程点利用公式（1）施测其他点的高程，成为向隧道洞内延伸的依据。

图4 高程网

注意事项：

（1）三角高程测量的主要误差是大气垂直遮光误差、竖角观测误差、边长误差等，往往为了使精度提高，采用对向观测削弱误差影响。

（2）测量时，应尽量避免各种不利因素影响测距精度，目标的形状、颜色，空气以及阳光折射等，并且远离高压线和反光物体，防止阳光直射仪器的望远镜。

2.2 水准测量

水准测量是高程测量的主要方法之一，目前已经广泛应用于线路测量、变形监测、工业测量等各种领域。一般情况下，从一已知高程点出发，利用水准仪和水准尺，根据水平视线测定两点之间的高差，从而由已知点高程推算出各个未知点的高程。如图4所示，DX01为已知水准点，DX02-DX06为待测点，从而布设水准网。

注意事项：

（1）在进行整条线路水准严密平差时，平差距离取隧道的矢量长度，不能是整个水准网的长度，从而提高隧道水准控制点间的相对精度。

（2）整个水准网的往测与返测，其测站数均应是偶数，否则要加入相应的标尺零点差改正。

（3）除路线转弯处外，每一测站上仪器与前后视标尺的三个位置应接近一条直线，在同一测站上，不得重复调焦。

（4）隧道进、出口应布设至少3个高程控制点，主要是为了在隧道施工前或隧道施工期间可以便捷地检测高程控制网的精度，同时，当个别高程控制点被破坏时，可利用其它高程控制点进行补设。

2.3 精度分析

2.3.1 高程贯通误差

按照《工程测量规范》要求，两个洞口间开挖长度小于4 km，洞外高程控制测量所引起的贯通中误差不能大于25 mm。通过模拟网型，两洞口间的长度为0.7 km，总路线长为2.11 km。

三角高程贯通误差可以通过下式计算：

其中，h为每公里高差中数偶然中误差，L为洞外高程路线总长。

水准高程贯通误差可以通过下式计算：

其中，M为每公里高差中误差，S为两洞口之间的路线长。

2.3.2 高程闭合差

四等水准测量闭合限差为4L=3.8 mm，其中L为路线长度。

2.3.3 测段高差中误差

在此次高程测量中，我们用两种不同的测量方法进行测量。用平差易软件进行精密平差计算，从而得到所有控制点的精确高程。这3种方法均采用DX01点为已知控制点来计算其余控制点的高程，并多次对DX01点进行复测，保证了起算点的稳定性，从而提高了起算数据的可靠性。

在高程贯通误差中，通过计算公式（2）、（3）计算误差。见表3所列，在山地进行隧道高程测量，三角高程精度比水准精度相差较大；见表4所列，在闭合差中，两个方法闭合差相差太大；见表5所列，三角高程测段中误差相比水准高程中误差，误差相差为5.3～6.7 mm。为进一步验证两种方法适用性，通过精密平差获得结果，点位相差最大为4 mm，这说明了两种方法经过数据处理后，可以在一些测区条件较差、GPS信号较弱的地区，采用三角高程测量方法来代替水准测量。

表3 高程贯通误差

表4 高程闭合差

表5 高差中误差

综上所述，三角高程可以在一定程度上代替水准进行测量，由于利用三角高程测量比较方便、快捷，在节省人力、物力上都有很大的优势，并且测量精度也可以满足工程要求。

3 结论

基于隧道施工测量技术，在深入分析布设控制网的基础上，通过平差和相应的规范技术要求，从精度和适用性分析了隧道施工方法。其中，平面测量3种测量技术中，GPS网影响因素较少，使其测量精度远远优于导线网和三角网，但是导线网和三角网也可互相替换；三角高程测量方便、快捷的优势，并且测量精度也可以满足工程要求，可在一定程度上代替水准进行测量。