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摘要：本文分析了隧道工程测量技术，针对隧道工程洞内导线环测量误差及测量精度控制进行详细研究。
关键词：隧道工程；测量精度；精度控制；必要性
中图分类号：U45文献标识码： A
引言
近年来，随着地下隧道工程领域的不断发展,测量工作的重要性日益突出,已经成为保证施工质量控制的重要手段。地下隧道工程测量工作主要由地表控制测量、地下控制测量及施工测量工作组成。地表控制测量根据施工单位施工复测管理制度的要求,一般由上级复测机构提供高精度的复测成果报告,而地下控制测量和施工测量工作是建立在地表控制测量的基础之上,在施工区域内建立施工控制网进而进行不同阶段的施工测量放样工作。
一、隧道工程测量技术分析
在隧道施工中LEICATMS隧道测量系统还被用于管棚施工放样，模板放样，隧道内设施安装放样、横通道、通风竖井的位置放样等测量工作。由于采用了上述高度智能化的隧道施工测量技术，承包商只需要聘请2位专业测量师就能完成上述所有的测量任务，真正做到了省时，高效，精干。尤特利山隧道施工中所采用的测量技术代表了隧道施工测量的最新水平和发展方向。
隧道除了采用上述先进的隧道施工测量技术之外，还采用了一系列其它的先进的隧道工程质量检测技术，其中最有代表性的是应用隧道激光扫描技术作为隧道衬砌竣工质量验收（隧道净空测量，衬砌表面状态影像，数字化图像资料存档）。隧道激光扫描技术是近几年刚刚开发的一种隧道检测技术，它采用LEICAHDS4500超高速相位式三维激光扫描仪为基本硬件平台，配合相应的数据采集和处理软件，能同时获取隧道表面各测量点的距离信息和影像信息，不但能完成各种复杂程度的全自动断面测量、施工放样及竣工验收测量，而且是地下工程施工过程控制、表面平整度检测和完整数字化图像资料存档的理想工具[1]。
二、隧道工程洞内导线环测量误差及测量精度控制分析
1、对隧道内导线环测量误差的影响因素
依据《新建铁路工程测量规范》及《长大隧道控制测量方法综述》之规定,为减弱洞内施测导线环测量误差,提高观测精度,洞内导线的布设应注意以下几个方面。
1.1导线控制点位置应合理选择,重要桩位力求稳固可靠,精测关系完善,能长久使用。
1.2洞内导线控制点边长亦应大于等于300m为佳,相邻导线点间高差满足h小于等于(1/K)(MD/D)(p/MB)D,(注:h—高差,K—系数,取3-4,p为206265”,MB为竖直角观测中误差,取2”,MD/D为导线测距精度,D为水平距离)。对于洞内导线,取MD/D=1/80000,D=400m,K=4,则h=128.915m,竖直角为17051’。因此可认为,相邻点尤其是洞口站竖直角一般应取小于等于180,当光电三角高程一同进行观测时,应取小于等于150,限定值为250~300。
1.3导线测量视线应禁止贴近隧道墙壁(尤其是有强光区域),视线穿越温差突变区域应考虑设置导线控制桩施测,设置的主副点位尽量错开,以提高导线环的图形强度和环的精度;洞口站如遇到内外光线、温度差异大时,宜选择在夜间进行。
1.4导线测量中对隧道横向贯通误差产生最大影响的导线观测元素主要是测角精度降低及其误差积累的影响,有效地提高测角精度可显著减少横向贯通误差。
1.5洞口外控制点与洞口投点之间的高差不宜大,点之间的距离应>300m为宜。
1.6布设导线网时注意使组成每个导线闭合环的环边数应控制在4-6条,相邻边长度之比<1：3,当测角仪器望远镜调焦视准轴变动误差>6”时,测角应避免在观测各方向之间调焦望远镜观测。
2、测量精度分析
2.1点位误差及导线全长相对闭合差精度分析
《高速铁路工程测量规范》(TB10601—2009)中要求,为满足隧道贯通精度要求,洞内施工导线控制网必须按照一定的精度建立与设计。下面就结合三联隧道出口洞内平面控制测量实例,主要从导线控制网中点位误差和各导线环全长相对闭合差对导线测量的精度分析和估算,以总结导线环控制方式引起的误差对施工测量造成的影响。该导线控制网中共有环4个,每个环由6条边组成[2]。
为满足洞内各工序施工测量的要求,洞内导线布设采用低于一级导线技术要求设计值进行,导线环平均边长在330m左右,小于一级导线设计值的1/3,根据实际情况采用标称精度为:测角2”,测距依(2+2x10-6D)mm的TS02全站型测距仪。
由《工程测量规范》(GB50026—2007)中理论公式验证,直伸导线平差后,导线中点的点位误差M中和导线终点(最弱点)的点位误差M终关系为
M终=KM中(1)
则导线全长相对闭合差为1/T=2M终/[S]=2K·M中/[S](2)
按起算误差、測量误差、测角误差、测距误差等影响考虑,则K=√7。
该施工精密导线中点点位误差M中=16.9mm,由式(1)可知
M终=KM中=44.7mm≈44.8mm
同理,实测M终=44.8mm,导线全长[S]=3.34km,由式(2)可知
1/T=1/37270
导线精度满足四等导线精度要求。
2.2边长相对精度分析
边长相对精度也即测距中误差,该值可以采用仪器的标称精度测距a+b×10-6D来进行估算,对于TS02仪器,a=2,b=2。
所以MP=√(a2+(b·10-6·D)2)=±2.83mm
对于相临点的横向中误差的计算,其中MB=2”,p=206265”,S=330m,结果如下
Mu=±(MB/p)×S×103=±3.20mm
则边长的设计误差:MS=√(MP2+Mu2)=±4.27mm
根据最弱边实测误差及相对精度结果
MS=±1.18mm<±4.27mm
MSS=1175000<4.27/330000,满足要求。
2.3测角中误差精度分析
测角中误差是由起始数据误差和引测时角度观测误差引起,由《城市测量规范及条文说明》(CJJ8—99)及一级导线设计参数计算,导线环中点的点位误差M中为±16.9mm,在此将M中设置为±17mm。按等精度影响原则,因观测误差引起的测点纵向误差MI中、横向误差Mu中和起始数据误差引起的测量纵向误差M’中、横向误差M’u中为
MI中=Mu中=M’I中=M’u中=M中/√4=±8.5mm
由起始数据误差引起的端点纵误差M’I、横误差M’u分别为
M’I=2M’I中=±17mm;M’u=2M’u中=±17mm
那么,由起始数据引起的测点误差M’
M’=√M’2I+M’2u=±24mm
由最弱点误差M终及公式M2终=M2+M’2,可得由角度测量引起的测点误差M
M=√M2终-M’2=√44.82-242=±37.8mm
那么,由测点误差引起的横向误差Mu
Mu=4Mu中=2×M/√5=±33.8mm
则由角度测量误差引起的测角中误差为
M6=2.01”
其中,n为导线边数,对此控制网环n=10。
经过以上对三联隧道出口实测结果及设计精度的分析论证,对施测独头掘进3.5km以上的隧道时,应严格按照所确定的一级导线的精度指标和技术参数来进行,边长的选择可以略低于设计,最多不得低于设计的1/3,才能满足导线网全长相对闭合差的要求。另从起算点和测角误差的角度分析得出测角中误差为2.01”,也是满足测规中相应导线精度要求的测角中误差5”的要求,按此精度指标严格施测,完全能达到四等导线精度要求。因此,在进行洞内导线网施测务必遵守以下原则:边长300m以上,使用仪器精度满足标称测角2”、测距依(2+2×10-6D)mm以上的精度指标,才能满足洞内导线的边长和测角精度,才能保证直伸型导线环的整体精度[3]。
三、加强隧道工程洞内控制测量精度的有效措施
1、严格按设计的控制测量等级相关技术要求进行施测，施测中尽量采用三联脚架法，但要注意各基座与棱镜及仪器有无隙动、气泡有无偏离、对中偏离是否较大等等，如有上述情况则要对仪器进行检修校正，找出问题所在。
2、三角高程测量时，要严格按操作程序进行，如垂直角的观测要同测距在同一次照准时完成，对于三角高程等级在三等或高于三等时则要采取一些提高精度的措施进行施测，如隔点设站法、提高对中精度等等。
3、隧洞每开挖到一定阶段或一定长段时要及时对导线进行检测、复测及精度估算，对因其它原因而改变设计路线方案时要对精度进行估算。
4、对贯通面较多的隧洞，要考虑到隧洞全部贯通后的轴线情况，对洞内有砼衬砌时，还要对相向挖的两条导线进行附合，并进行贯通误差分配或平差处理，保证洞内砼衬砌形体的正确。
5、隧洞每开挖到一定长度时要及时增设基本导线点，指导开挖的临时点要控制在2~3个以内，且要进行经常性的检测其正确性，确保洞室开挖的正确。
6、导线要尽可能布设成似等边直伸型导线，在测量环境允许范围内尽可能的选长边。
7、要严格进行边长的投影计算，正确计算各点平面坐标。
结束语
综上所述，地下工程测量是大型工程设施建设的一项基本工作,合理地确定测量的方法、程序控制方法以及控制测量与施工放样之间的关系和精度的估算工作,使得整个实施过程既能满足施工作业位置准确的要求,又能实现整体工程成本的经济合理,从而能够有效地将工程建设基础测量工作不断地推向更广阔的发展空间。
参考文献：
[1]夏方军.隧洞洞内控制测量的探析[J].西部探矿工程.2011
[2]徐辉.长大隧道控制测量方法综述[J].隧道建设.2008（05）
[3]李延山，彭仪普.全站仪中自由设站坐标解求和精度分析[J].铁路航测.2002
关键词：隧道工程；测量精度；精度控制；必要性
中图分类号：U45文献标识码： A
引言
近年来，随着地下隧道工程领域的不断发展,测量工作的重要性日益突出,已经成为保证施工质量控制的重要手段。地下隧道工程测量工作主要由地表控制测量、地下控制测量及施工测量工作组成。地表控制测量根据施工单位施工复测管理制度的要求,一般由上级复测机构提供高精度的复测成果报告,而地下控制测量和施工测量工作是建立在地表控制测量的基础之上,在施工区域内建立施工控制网进而进行不同阶段的施工测量放样工作。
一、隧道工程测量技术分析
在隧道施工中LEICATMS隧道测量系统还被用于管棚施工放样，模板放样，隧道内设施安装放样、横通道、通风竖井的位置放样等测量工作。由于采用了上述高度智能化的隧道施工测量技术，承包商只需要聘请2位专业测量师就能完成上述所有的测量任务，真正做到了省时，高效，精干。尤特利山隧道施工中所采用的测量技术代表了隧道施工测量的最新水平和发展方向。
隧道除了采用上述先进的隧道施工测量技术之外，还采用了一系列其它的先进的隧道工程质量检测技术，其中最有代表性的是应用隧道激光扫描技术作为隧道衬砌竣工质量验收（隧道净空测量，衬砌表面状态影像，数字化图像资料存档）。隧道激光扫描技术是近几年刚刚开发的一种隧道检测技术，它采用LEICAHDS4500超高速相位式三维激光扫描仪为基本硬件平台，配合相应的数据采集和处理软件，能同时获取隧道表面各测量点的距离信息和影像信息，不但能完成各种复杂程度的全自动断面测量、施工放样及竣工验收测量，而且是地下工程施工过程控制、表面平整度检测和完整数字化图像资料存档的理想工具[1]。
二、隧道工程洞内导线环测量误差及测量精度控制分析
1、对隧道内导线环测量误差的影响因素
依据《新建铁路工程测量规范》及《长大隧道控制测量方法综述》之规定,为减弱洞内施测导线环测量误差,提高观测精度,洞内导线的布设应注意以下几个方面。
1.1导线控制点位置应合理选择,重要桩位力求稳固可靠,精测关系完善,能长久使用。
1.2洞内导线控制点边长亦应大于等于300m为佳,相邻导线点间高差满足h小于等于(1/K)(MD/D)(p/MB)D,(注:h—高差,K—系数,取3-4,p为206265”,MB为竖直角观测中误差,取2”,MD/D为导线测距精度,D为水平距离)。对于洞内导线,取MD/D=1/80000,D=400m,K=4,则h=128.915m,竖直角为17051’。因此可认为,相邻点尤其是洞口站竖直角一般应取小于等于180,当光电三角高程一同进行观测时,应取小于等于150,限定值为250~300。
1.3导线测量视线应禁止贴近隧道墙壁(尤其是有强光区域),视线穿越温差突变区域应考虑设置导线控制桩施测,设置的主副点位尽量错开,以提高导线环的图形强度和环的精度;洞口站如遇到内外光线、温度差异大时,宜选择在夜间进行。
1.4导线测量中对隧道横向贯通误差产生最大影响的导线观测元素主要是测角精度降低及其误差积累的影响,有效地提高测角精度可显著减少横向贯通误差。
1.5洞口外控制点与洞口投点之间的高差不宜大,点之间的距离应>300m为宜。
1.6布设导线网时注意使组成每个导线闭合环的环边数应控制在4-6条,相邻边长度之比<1：3,当测角仪器望远镜调焦视准轴变动误差>6”时,测角应避免在观测各方向之间调焦望远镜观测。
2、测量精度分析
2.1点位误差及导线全长相对闭合差精度分析
《高速铁路工程测量规范》(TB10601—2009)中要求,为满足隧道贯通精度要求,洞内施工导线控制网必须按照一定的精度建立与设计。下面就结合三联隧道出口洞内平面控制测量实例,主要从导线控制网中点位误差和各导线环全长相对闭合差对导线测量的精度分析和估算,以总结导线环控制方式引起的误差对施工测量造成的影响。该导线控制网中共有环4个,每个环由6条边组成[2]。
为满足洞内各工序施工测量的要求,洞内导线布设采用低于一级导线技术要求设计值进行,导线环平均边长在330m左右,小于一级导线设计值的1/3,根据实际情况采用标称精度为:测角2”,测距依(2+2x10-6D)mm的TS02全站型测距仪。
由《工程测量规范》(GB50026—2007)中理论公式验证,直伸导线平差后,导线中点的点位误差M中和导线终点(最弱点)的点位误差M终关系为
M终=KM中(1)
则导线全长相对闭合差为1/T=2M终/[S]=2K·M中/[S](2)
按起算误差、測量误差、测角误差、测距误差等影响考虑,则K=√7。
该施工精密导线中点点位误差M中=16.9mm,由式(1)可知
M终=KM中=44.7mm≈44.8mm
同理,实测M终=44.8mm,导线全长[S]=3.34km,由式(2)可知
1/T=1/37270
导线精度满足四等导线精度要求。
2.2边长相对精度分析
边长相对精度也即测距中误差,该值可以采用仪器的标称精度测距a+b×10-6D来进行估算,对于TS02仪器,a=2,b=2。
所以MP=√(a2+(b·10-6·D)2)=±2.83mm
对于相临点的横向中误差的计算,其中MB=2”,p=206265”,S=330m,结果如下
Mu=±(MB/p)×S×103=±3.20mm
则边长的设计误差:MS=√(MP2+Mu2)=±4.27mm
根据最弱边实测误差及相对精度结果
MS=±1.18mm<±4.27mm
MSS=1175000<4.27/330000,满足要求。
2.3测角中误差精度分析
测角中误差是由起始数据误差和引测时角度观测误差引起,由《城市测量规范及条文说明》(CJJ8—99)及一级导线设计参数计算,导线环中点的点位误差M中为±16.9mm,在此将M中设置为±17mm。按等精度影响原则,因观测误差引起的测点纵向误差MI中、横向误差Mu中和起始数据误差引起的测量纵向误差M’中、横向误差M’u中为
MI中=Mu中=M’I中=M’u中=M中/√4=±8.5mm
由起始数据误差引起的端点纵误差M’I、横误差M’u分别为
M’I=2M’I中=±17mm;M’u=2M’u中=±17mm
那么,由起始数据引起的测点误差M’
M’=√M’2I+M’2u=±24mm
由最弱点误差M终及公式M2终=M2+M’2,可得由角度测量引起的测点误差M
M=√M2终-M’2=√44.82-242=±37.8mm
那么,由测点误差引起的横向误差Mu
Mu=4Mu中=2×M/√5=±33.8mm
则由角度测量误差引起的测角中误差为
M6=2.01”
其中,n为导线边数,对此控制网环n=10。
经过以上对三联隧道出口实测结果及设计精度的分析论证,对施测独头掘进3.5km以上的隧道时,应严格按照所确定的一级导线的精度指标和技术参数来进行,边长的选择可以略低于设计,最多不得低于设计的1/3,才能满足导线网全长相对闭合差的要求。另从起算点和测角误差的角度分析得出测角中误差为2.01”,也是满足测规中相应导线精度要求的测角中误差5”的要求,按此精度指标严格施测,完全能达到四等导线精度要求。因此,在进行洞内导线网施测务必遵守以下原则:边长300m以上,使用仪器精度满足标称测角2”、测距依(2+2×10-6D)mm以上的精度指标,才能满足洞内导线的边长和测角精度,才能保证直伸型导线环的整体精度[3]。
三、加强隧道工程洞内控制测量精度的有效措施
1、严格按设计的控制测量等级相关技术要求进行施测，施测中尽量采用三联脚架法，但要注意各基座与棱镜及仪器有无隙动、气泡有无偏离、对中偏离是否较大等等，如有上述情况则要对仪器进行检修校正，找出问题所在。
2、三角高程测量时，要严格按操作程序进行，如垂直角的观测要同测距在同一次照准时完成，对于三角高程等级在三等或高于三等时则要采取一些提高精度的措施进行施测，如隔点设站法、提高对中精度等等。
3、隧洞每开挖到一定阶段或一定长段时要及时对导线进行检测、复测及精度估算，对因其它原因而改变设计路线方案时要对精度进行估算。
4、对贯通面较多的隧洞，要考虑到隧洞全部贯通后的轴线情况，对洞内有砼衬砌时，还要对相向挖的两条导线进行附合，并进行贯通误差分配或平差处理，保证洞内砼衬砌形体的正确。
5、隧洞每开挖到一定长度时要及时增设基本导线点，指导开挖的临时点要控制在2~3个以内，且要进行经常性的检测其正确性，确保洞室开挖的正确。
6、导线要尽可能布设成似等边直伸型导线，在测量环境允许范围内尽可能的选长边。
7、要严格进行边长的投影计算，正确计算各点平面坐标。
结束语
综上所述，地下工程测量是大型工程设施建设的一项基本工作,合理地确定测量的方法、程序控制方法以及控制测量与施工放样之间的关系和精度的估算工作,使得整个实施过程既能满足施工作业位置准确的要求,又能实现整体工程成本的经济合理,从而能够有效地将工程建设基础测量工作不断地推向更广阔的发展空间。
参考文献：
[1]夏方军.隧洞洞内控制测量的探析[J].西部探矿工程.2011
[2]徐辉.长大隧道控制测量方法综述[J].隧道建设.2008（05）
[3]李延山，彭仪普.全站仪中自由设站坐标解求和精度分析[J].铁路航测.2002