7 隧道、地铁施工测量和竣工测量

7隧道、地铁施工测量和竣工测量我国目前拥有8600多座铁路、公路隧道，总长度约4370多公里，居世界第一。其中，铁路隧道6876座，总长3670公里，为世界第一；公路隧道总数1782座，总长704公里，是世界上公路隧道最多的国家。我国目前最长的隧道是铁路线上的秦岭隧道，全长18.456公里。近10年来，我国修建了不少长隧道、特长隧道以及隧道群。其中，主要有：1995年建成的成渝高速公路上的中梁山隧道，长3公里多，解决了我国长大公路隧道的通风问题；1999年通车的四川省川藏公路上二郎山隧道，长4公里多，是连接西藏与内地的重点工程；1999年通车的四川广安地区华蓥山公路隧道，长4.53公里，是我国目前已通车的最长公路隧道。2000年8月31日，我国第一长双线铁路隧道－全长14.259公里的广东大瑶山隧道，经过１年零７个月的大规模改造，正式投入运营。隧道测量的主要任务：在勘测设计阶段是提供选址地形图和地质填图所需的测绘资料、以及定测时将隧道线路测设在地面上，即在洞门前后标定线路中线控制桩及洞身顶部地面上的中线桩；在施工阶段是保证隧道相向开挖时，能按规定的精度正确贯通，并使建筑物的位置符合规定，不侵入建筑限界，以确保运营安全。隧道施工进度慢，往往成为控制工期的工程。为了加快施工进度，除了进、出口两个开挖面外，还常采用横洞、斜井、竖井、平行导坑等来增加开挖面。因此，不管是直线隧道还是曲线隧道，开挖总是沿线路中线不断向洞内延伸，洞内线路中线位置测设的误差，就逐步随着开挖的延伸而逐渐积累；另一方面，隧道施工时基本上都是采用边开挖、边衬砌的方法，等到隧道贯通时，未衬砌部分也所剩不多，故可进行中线调整的地段有限。于是，如何保证隧道在贯通时（包括横向、纵向、高程方向），两相向开挖施工中线的相对错位不超过规定的限值，是隧道施工测量的关键问题。其中横向贯通误差（在平面上垂直于线路中线方向）的大小，直接影响隧道的施工质量，严重者甚至会导致隧道报废。所以一般说贯通误差，主要是指隧道的横向贯通误差。为确保隧道的正确贯通，必须制定正确的贯通测量方案并进行精度预计，该部分内容参阅“10贯通工程方案设计及误差预计”。勘测设计阶段的测量工作比较简单，前面已作过介绍，本章主要介绍隧道、地铁施工测量和竣工测量。7.1隧道施工测量7.1.1隧道进洞测量隧道的设计位置，一般在定测时已初步标定在地表面上。在施工之前先进行复测，检查并确认各洞口的中线控制桩，当隧道位于直线上时，两端洞口应各确定一个中线控制桩，以两桩连线作为隧道洞内的中线；当隧道位于曲线上时，应在两端洞口的切线L各确认两个控制桩，两桩间距应大于200m。以控制桩所形成的两条切线的交角和曲线要素为准，来测定洞内中线的位置。由于定测时测定的转向角、曲线要素的精度及直线控制桩方向的精度较低，满足不了隧道贯通精度的要求，所以施工之前要进行洞外控制测量。洞外控制测量的作用，是在隧道各开挖口之间建立一精密的控制网，以便根据它进行隧道的洞内控制测量或中线测量，保证隧道的准确贯通。洞外控制测量包括平面控制测量和高程控制测量。洞外平面控制测量常用的方法有：中线法、精密导线法、三角测量、三边测量、边角测量或综合使用，此外还可以来用GPS测量。1.中线法所谓中线法，就是将隧道线路中线的平面位置，按定测的方法先测设在地表上，经反复核对无误后，才能把地表控制点确定下来，施工时就以这些控制点为准，将中线引入洞内。一般在直线隧道短于1000m，曲线隧道短于500m时，可以来用中线作为控制。如图7-1所示，A、C、D、B作为在A、B之间修建隧道定测时所定中线上的直线转点。由于定测精度较低，在施工之前耍进行复测，其方法为：以A、B作为隧道方向控制点。将经纬仪安旨在C′点上，后视A点，正倒镜分中定出D′；再置镜D′点，正倒镜分中定出B′点。若B′与B不重合，可量出B′B的距离，则图7-1中线法示意图ADDDBBAB（7-1）自D′点沿垂直于线路中线方向量出D′D定出D点，同法亦可定出C点。然后再将经纬仪分别安在C、D点上复核，证明该两点位于于直线AB的连线上时，即可将它们固定下来，作为中线进洞的方向。若用于曲线隧道，则应首先精确标出两切线方向，然后精确测出转向角。将切线长度正确地标定在地表上，以切线上的控制点为准，将中线引入洞内。中线法简单、直观，但其精度不太高。2.精密导线法导线法比较灵活、方便，对地形的适应件比较大。目前在全站仪已经普及的情况下，导线法不失为隧道洞外控制形式的良好方案之一。精密导线应组成多边形闭合环。它可以是独立闭合导线，也可以与国家三角点相连。导线水平角的观测，应以总测回数的奇数测回和偶数测回，分别观测导线前进方向的左角和有角，以检查测角错误；将它们换算为左角或右角后再取平均值，以提高测角精度。为了增加检核条件和提高测角精度评定的可行性和可靠性，导线环的个数不宜太少，最少不应少于4个；每个环的边数不宜太多。一般以4—6条边为宜。在进行导线边长丈量时，应尽量接近于测距的最佳测程，边长不应短于300m；导线尽量以直伸形式布设，减少转折角的个数，以减弱边长误差和测角误差对隧道横向贯通误差的影响。导线的测角中误差按下式汁算，并应满足测量设计的精度要求：1[]ffmNn（7-2）式中fβ——附合导线或闭合导线环的方位角闭合差（″）；n——计算时fβ的测站数；N——附合导线或闭合导线环的个数。3.三角测量三角测量的方向控制较中线法、导线法都高，如果仅从横向贯通精度的观点考虑，则它是最理想的隧道平面控制方法。三角测量除采用测角三角锁外，还可采用边角网和三边网。但从精度、可靠性、工作量、经济方面综合考虑，以测角三角锁为好。三角锁一般布置一条高精度的基线作为起始边。并在三角锁另一端增设一条基线，以资检核；其余仅只有测角工作，按正弦定理推算边长，经过平差计算可求得三角点和隧道轴线上控制点的坐标，然后以控制点为依据，确定进洞方向。4.三角锁和导线联合控制这种方法只有在受到特殊地形条件限制时才考虑，一般不宜采用。如隧道在城市附近，三角锁的中部遇到较密集的建筑群，这时使用导线穿过建筑群与两端的三角锁相连结。用于隧道施工控制测量的三角锁或导线环，在布设中除了前面所述要求之外，还应注意以下几点：1）使三角锁或导线环的方向，尽量垂直于贯通面，以减弱测角误差对横向贯通精度的影响。2）尽量选择长边，减少三角形个数或导线边数，以减弱测角误差对横向贯通精度的影响。3）每一洞口附近测设不少于三个平面控制点(包括洞口投点及其相联系的三角点或导线点)，作为引线入洞的依据，并尽量将其纳入主网中，以加强点位稳定性和入洞方向的校核。4）三角锁的起始边如果只有一条，则应尽量布设于三角锁中部；如果有两条。则应使其位于三角锁两端，这样不仅利于洞口插网，而且可以减弱三角网测量误差对横向贯通精度的影响。5）三角锁中若要增列基线条件时，应将基线设于锁段两端，但此时起始边的测量精度应满足下列要求2bmmb否则，不应加入基线条件。5.GPS测量1957年10月世界上第一颗人造地球卫星的发射成功，是人类致力于现代科学技术发展的结晶，它使空间科学技术的发展迅速进入了一个崭新的时代。近五十年来，人造地球卫星技术在军事、通讯、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文等众多学科领域得到极其广泛的应用，从而推动了科学技术的迅猛发展，也丰富了人类的科学文化生活。为了满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部正式开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划。这就是许多文献中所称的“授时与测距导航系统／全球定位系统”(NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem—NAVSTAR／GPS)，而通常简称为“全球定位系统（GPS）”。GPS的原理可参阅相关教材。由于GPS具有选点灵活、无需通视，定位精度高，观测时间短，提供三维位置和速度、自动化程度高、操作简便，不受天气条件影响、可全天候作业等特点，GPS在公共安全、大地控制测量、工程测量、变形监测、地球动力学、气象学、海平面监测、时间和频率传输、导航、军事、航空摄影测量等等领域中也得到了极为广泛的应用，正如业内人士所言，“GPS应用只受到人们想象力的限制”。例如，国家A级和B级GPS大地控制网分别于1996年和1997年建成并先后交付使用。A级网由30个点组成，平均边长为650km，水平方向重复精度优于2×10-8，垂直方向不低于7×10-8，绝对精度（相对地心）不低于±0.1m。B级网由800个点组成，平均边长为150km，水平方向重复精度优于4×10-8，垂直方向不低于8×10-8，绝对精度（相对地心）不低于±1m。国家A级和B级GPS大地控制网的建成，标志着我国具有分米级绝对精度的3维大地坐标系统已基本建成，它将为我国空间技术和空间基础数据、实时动态定位等技术提供一个精确可靠的参照系。利用GPS相对定位技术建立隧道施工控制网可采用静态定位或快速静态定位模式进行。由于利用GPS相对定位技术进行测量时，仅需要在开挖洞口附近布设控制点，无须跨越山岭布点，劳动强度小、精度高，是目前隧道控制网建立的首选方法。布设隧道GPS定位网时，应满足下列要求：1）位网由隧道各开挖口的控制点点群组成，每个开挖口至少应布测4个控制点。整个控制网应由—个或若干个独立观测环组成，每个独立观测环的边数最多不越过12个，应尽可能减少。2）网的边长最长不宜超过30km，最短不宜短于300m。3）每个控制点应有三个或三个以上的边与其连接，极个别的点才允许由二个边连接。4）GPS定位点之间一般不要求通视，但对于布设的洞口控制点，考虑到用常规测量方法进行检测、加密或恢复的需要，要求通视。5）点位空中视野开阔，保证至少能接收到4颗卫星信号。6）点位的选择应满足GPS测量的要求，如测站附近不应有对电磁波有强烈吸收和反射影响的金属和其它物体。7）由于GPS测量获得的是WGS-84坐标系中的成果，只有将其转换为施工坐标系中的成果才能指挥生产，这就要求GPS网的部分点与施工控制网所在坐标系中的某些控制点相重合，重合点（又称坐标联测点）不能少于3个，且在网中应分布均匀，以便可靠地确定两坐标系之间的转换参数。8）为保证GPS网的精度和可靠性，GPS网可采用三角网、环型网或三角网、环型网混合图形，GPS测量方式可采用边连式或边点混连式。6.高程控制测量洞外高程控制测量的任务，是按照设计精度施测两相向开挖洞口附近水准点之间的高差，以便将整个隧道的统一高程系统引入洞内，保证按规定精度在高程方面正确贯通，并使隧道工程在高程方面按要求的精度正确修建。高程控制的二、三等采用水准测量。四、五等可采用水准测量，当山势陡峻采用水准测量困难时，亦可采用光电测距仪三角高程的方法测定各洞口高程。每一个洞口应埋设不少于2个水准点，两水准点之间的高差，以安置一次水准仪即可测出为宜。水准测量的精度，一般参照表7-1即可。表7-1等级水准测量的路线长度和仪器精度测量部位测量等级每公里高差中数的偶然中误差(mm)两开挖洞口间的水准路线长度(km)水准仪等级水准尺类型洞外二≤1.0＞36S0.5、S1线条式因瓦水准尺三≤3.013～36S1线条式因瓦水准尺S3区格式水准尺四≤5.05～13S3区格式水准尺洞内二≤1.0＞32S1线条式因瓦水准尺三≤3.011～32S3区格式水准尺四≤5.05～11S3区格式水准尺由上述各种方法比较看出，中线法控制形式最简单，但由于方向控制较差，故只能用于较短的隧道（直线隧道短于1km，曲线隧道短于500m）；三角测量方法其方向控制精度最高，故在光电测距仪未广泛使用之前，是隧道控制最主要的形式，但其三角点的布设要受到地形、地物条件的限制，而且基线边要求精度高，使丈量工作复杂，平差计算工作量大；精密导线法，在光电测距仪的测程和精度不断提高的今天，由于布设简单、灵活、地形适应性强、外业工作量少，因而成为隧道控制的主要布设形式之一，只要在水平角测量时适