隧道贯通测量长边导线布设方法设计与实现

成益品

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

0 引言

在隧道工程建设中，隧道贯通必然含有贯通误差，隧道工程的贯通误差包括横向、纵向和竖向3 个方向，从目前的测量技术、仪器设备性能及工程要求多方面出发，纵向和高程贯通测量都容易满足隧道施工要求，而横向贯通误差受洞内测量条件因素制约明显最难达到[1]。根据测量误差传播定律，横向贯通误差主要是由洞内导线测量因素所引起的，导线测量的误差随着隧道的距离延伸、导线设站数目的增加而增加，系统误差会进行累积，从而导致隧道内部引测方位角的定向精度大幅降低[2]。由于洞内导线网的总体长度由隧道长度决定，所以在不改变隧道长度的前提下，隧道横向贯通测量要想获得较高的精度，关键是解决洞内导线设站数目问题。

目前，隧道洞内导线测量常采用人工观测和自动照准观测方法，不管基于哪种方法观测都会受隧道内烟雾、粉尘、照明等观测环境条件限制，隧道内导线边长布设一般控制在300～400 m，而通视条件较好的隧道导线边长布设最大也不超过800 m，例如港珠澳大桥沉管隧道工程贯通测量导线边长设计为720 m[3]。设计一种特殊的观测觇标方法，并辅以开发外业数据采集软件，通过加大导线观测边长达到减少导线设站数目的目的，可以实现隧道内1 500 m 导线边长条件下的观测目标清晰与稳定，从而提升隧道贯通测量精度。

本文结合工程实例对隧道内长边导线在觇标设计、外业数据采集等关键技术进行论述。

1 观测方法设计

1.1 观测觇标制作

仪器照准觇板标志的长度和宽度以及标志线的间距，依导线视线长度制定。根据3 km 导线边长测试得到照准觇板标志的规格为长350 mm、宽60 mm。观测觇板标志见图1。

图1 观测觇板标志尺寸图（mm）Fig.1 Size of marking for observation target(mm)

观测觇标特点及功能如下：

1）觇板的标志外壳由铝合金材料制作而成，内置红色光源LED 灯带，正面镶嵌白色透明有机玻璃。

2）每个觇板内置12 条LED 灯带，每条灯带长350 mm，宽5 mm，灯带相互间间距2 mm，沿觇板竖向中心线左右对称排列，严格保证制作尺寸精度，误差＜0.5 mm。觇板背面设置6 个LED开关，每个开关控制2 根对称灯带，根据导线实际长度可以随意调节开关来控制灯带供光数量。

3）觇板底部设置与测量基座匹配适配器，通过适配器将其与测量基座紧密连接，使觇板中心、基座中心基本位于同一铅垂线上。安装好之后利用全站仪竖直角功能检测其上下中心线是否重合，保证安装精度＜1.0 mm。

4）觇板采用12 V 电瓶作为基本供电电源，一般60 Ah 电瓶可以提供夜晚连续6 h 观测。

1.2 数据采集软件开发

以GNSS 测量手簿为数据采集及记录载体，开发导线观测数据自动记录与计算程序，与全站仪连接进行数据交互计算。

测前在软件内对导线测量各项误差控制指标进行提前设定，测量过程软件对各项误差实时自动计算，并对误差的数据自动剔除，直至数据合格为止，软件自动进行观测数据平差计算。

2 试验验证与分析

2.1 试验网形比选

隧道内常用的布网形式有单导线、导线环、全导线网和主副导线网。统计目前多种导线形式的横向精度变化见图2，可见，在相同测量条件下观测时，全导线网精度最高，并以此网形为试验网形进行陆上模拟试验。

图2 多种形式导线横向精度变化比较Fig.2 Comparison of transversal accuracy of various forms of transverse

2.2 试验场地选择及点位埋设

2.2.1 试验场地选择

模拟试验场地在珠海市金湾区平沙镇升平大道。该试验场地分双向四车道和中间绿化带，宽约20 m，长约9 km，线路部分基本呈直线形且高低起伏不大，满足长距离贯通测量模拟试验的需求。

2.2.2 网点选埋

选择在区域位置稳定，不易受外界干扰影响位置埋设4 个GNSS 控制网点，所有控制点均采用强制对中装置，观测墩高约1.4 m，基础采用钢筋混凝土结构，上部结构使用强制对中钢结构三脚架[4]。

2.3 长边导线网形设计

导线网总体长度8.8 km。在隧道两洞口线路中线上布设洞口测站点（JD1、CD1），进洞口测站点区域再分别布设2 个定向点（DX1、DX2）。进洞口测站点与相应定向点边长约1.5 km，洞内导线每1.4 km 布设一对导线点，一对导线点间距10 m。控制网形见图3。

图3 控制网网形示意图Fig.3 Schematic diagram of net shape of control network

2.4 观测方法

模拟试验采用独立工程坐标系，采用二维一点一方向方法获取起算数据，利用CosaGNSS 软件进行二维平差[5]。GNSS 观测在试验中单个观测时段时间长度定为4 h，筛选4 个时段进行基线处理，采用CosaGNSS 数据处理软件，按照公路二等的要求对解算完毕的基线进行重复基线检核、GNSS 环闭合差等的检验[6]。独立工程坐标系参数见表1。

表1 独立工程坐标系参数Table 1 Parameter of independent engineering coordinate system

导线观测选择在夜间进行。导线测量关键控制指标见表2。

表2 导线测量技术要求Table 2 Technical requirements for traverse measurement

使用Leica TS30 全站仪配合制作的觇标灯，人工照准目标测量与开发专用软件自动化记录方式进行，先架设照准觇板观测水平角，后架设棱镜观测平距。水平角观测采用全圆方向观测法，每个方向观测12 个测回，每测站一般观测4 个方向，在各项外业数据指标合格的前提下进行平差计算。

2.5 数据处理

隧道进洞口分别以JD1、DX1、DX2 为起算点，隧道出口点CD1 为贯通点。通过进洞口端导线点测量贯通点的坐标，其设计坐标与实测坐标差值投影至线路中线及其垂直方向上，即为纵向和横向贯通误差。经过测定，试验场贯通面坐标方位角约163˚。经过计算，一点一方向贯通误差统计结果见表3。

表3 一点一方向贯通误差统计结果Table 3 Statistical results of one-point-one-direction transversal error

从表3 中可见，贯通点长边导线测量结果和GNSS 网测量结果相比较，坐标差不足±10 mm，坐标差和横向贯通误差大小相近，说明导线测量和GNSS 测量的结果具有较高的精度和可靠性。由上述结果分析可见，设计的双线形联合锁网精度远高于现行铁路、矿山隧道贯通测量规范的要求[7]。

3 工程应用效果

港珠澳大桥沉管隧道由33 节大型预制管节对接安装组成，隧道进、出口两端均由人工岛组成。隧道最终接头的贯通面位于E29/E30。沉管隧道管节沉放控制的精度要求很高，最终接头贯通面的允许偏差控制要求小于±50 mm。

贯通测量采用720 m 双线形联合锁网测量完成后[8]，采用布设约1.3 km 长边导线对双线形联合锁网测量成果进行检核。长边导线洞外采用一点一方向，洞内在左、右行车道各布设1 个全导线网，并相互联接。

布设网形见图4。

图4 沉管隧道洞内长边导线贯通测量网形Fig.4 Network shape of long-side traverse through survey in immersed tube tunnel

其中，西人工岛的洞外控制点至沉管隧道贯通面E29 管节的长度达6 km，采用长边导线测量方法共计测量3 期。通过比对，3 期之间的公共点坐标差值均小于10.6 mm，其偏差平均值小于1.4 mm，说明采用的长边导线观测方法贯通测量精度稳定。

将3 期长边导线测量贯通面的成果取平均值与双线形联合锁网测量成果进行对比，左车道贯通面横向贯通X 坐标差8.5 mm，纵向贯通Y 坐标差3.7 mm；右车道贯通面横向贯通X 坐标差9.6 mm，纵向贯通Y 坐标差4.0 mm，2 个车道坐标差大小相近，说明长边导线与双线形联合锁网测量结果都具有较高的精度和可靠性。长边导线与双线形联合锁网贯通测量结果对比见表4。

表4 长边导线贯通测量结果对比Table 4 Comparison of measured results of long-side traverse through survey

同时将3 期长边导线贯通测量理论精度与实测精度进行统计对比分析，依照设计的图4 网形和观测精度，利用科傻软件，对隧道进行精度模拟估算[9]。经实测，发现实测的精度要远高于理论评估精度，再次验证长边导线贯通测量成果可靠性。长边导线贯通测量理论与实测精度对比见表5。

表5 长边导线贯通测量理论精度与实测精度对比表Table 5 Comparison between theoretical accuracy and measured accuracy of long-side traverse through survey

4 结语

本文提出隧道洞内平面控制网布设成长边导线形式，经过模拟试验和施工现场实施应用，实践证明该方法测量精度高，稳定且可靠。采用长边导线对隧道贯通测量及控制测量具有以下优势特点：

1）经过理论论证，实践检验，长边导线具有很强的实用性，尤其是运用于特长隧道且贯通精度要求高的沉管隧道，快速、准确地进行贯通测量，对于隧道的安全生产和经济效益都至关重要，提高了测量精度与效率，是一种可推广应用的布网方法。

2）面对现代水下、地下、地上等长距离线形工程测量精度要求不断提高的趋势，超长隧道高精度贯通测控技术可以从整体上保障水下、地下、地上工程的施工精度，推动了我国超长隧道精密工程测量的发展及工程应用。