劉瑛,史國強(qiáng)(太原市勘察測(cè)繪研究院,山西太原 030002)

山西省中部引黃工程施工測(cè)量監(jiān)測(cè)原理及方法

劉瑛?,史國強(qiáng)
(太原市勘察測(cè)繪研究院,山西太原 030002)

摘 要:山西省中部引黃工程包括取水工程、總干線、東干線、西干線以及各供水支線輸水工程。大部分工程為隧洞工程,線路總長384．5km,屬于長距離隧洞工程。為了保證隧洞能夠正確貫通,有必要對(duì)施工過程進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè),包括控制點(diǎn)及隧洞軸線監(jiān)測(cè)。針對(duì)該工程本文提出了具體的監(jiān)測(cè)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),利用精密全站儀對(duì)施工控制點(diǎn)、隧洞設(shè)計(jì)關(guān)鍵坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)測(cè),對(duì)工程建設(shè)參與者的施工測(cè)量工作進(jìn)行監(jiān)控、監(jiān)督和評(píng)價(jià),并提出相應(yīng)的管理措施,確保隧洞工程能夠順利貫通。

關(guān)鍵詞:施工測(cè)量監(jiān)測(cè);導(dǎo)線測(cè)量;三角高程測(cè)量;正確貫通

1 工程概述

山西省中部引黃工程是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中一項(xiàng)重要的工程,包括取水工程和輸水工程。取水工程位于保德縣境內(nèi),進(jìn)水塔位于天橋水電站庫區(qū)上游棗林溝入黃河溝口處左岸,距天橋水電站樞紐約1．4 km。輸水工程包括總干線、東干線、西干線以及各供水支線輸水。輸水線路總長384．5 km,總干線長200．22 km,東干線長28．76 km,西干線長85．70 km,支線長69．82 km。

本工程以隧洞為主,穿越呂梁山脈,山大溝深、地形條件復(fù)雜,設(shè)計(jì)中很難完全掌握工程地質(zhì)、水文地質(zhì)狀況,在整個(gè)隧洞施工測(cè)量過程中,僅僅簡單地遵循規(guī)范規(guī)定、設(shè)計(jì)文件顯然不夠。在充分理解規(guī)范本意和設(shè)計(jì)意圖的基礎(chǔ)上,根據(jù)調(diào)查、分析的結(jié)果以及隧洞工程施工的特點(diǎn),提出符合工程實(shí)際的施工及測(cè)量方案,進(jìn)而確保工程施工質(zhì)量。

受山西省中部引黃工程管理局委托,我院承擔(dān)了山西省中部引黃工程全線的施工測(cè)量監(jiān)測(cè),主要是監(jiān)測(cè)各施工單位所做洞內(nèi)導(dǎo)線控制點(diǎn)的平面和高程精度是否符合設(shè)計(jì)和水利水電規(guī)范要求,保證隧洞能夠順利貫通,不出現(xiàn)重大測(cè)量事故。

2 監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容

監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括隧洞外首級(jí)控制點(diǎn)的精度、埋設(shè)情況和洞內(nèi)所做導(dǎo)線點(diǎn)的精度、埋設(shè)情況是否滿足施工設(shè)計(jì)要求。其中,洞外控制點(diǎn)一般都在山頂不帶水準(zhǔn)高程,只檢測(cè)平面精度;由于引黃工程主要以隧洞為主,大多通過支洞進(jìn)行對(duì)向開挖。主洞平均坡度為1/3000,而支洞坡度較大,一般可達(dá)到20%甚至40%以上,高程測(cè)量難度較大,故此次高程監(jiān)測(cè)主要是對(duì)支洞口到支洞主洞交叉點(diǎn)的高差進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另外,我院還針對(duì)施工方所使用的測(cè)繪資料的正確性、完整性以及測(cè)量方法的正確性等進(jìn)行監(jiān)督,在本文中不做過多的闡述。

2．1隧洞外首級(jí)控制點(diǎn)監(jiān)測(cè)

按照水利水電工程測(cè)量規(guī)范,隧洞外需埋設(shè)至少三個(gè)首級(jí)控制點(diǎn),一般為GPS點(diǎn)。洞外主要是通過靜態(tài)觀測(cè),測(cè)定三個(gè)點(diǎn)的兩條邊長以及兩邊夾角是否滿足首級(jí)點(diǎn)的精度要求,并計(jì)算控制點(diǎn)的位移,綜合判定是否需要重新進(jìn)行復(fù)測(cè)。

邊長監(jiān)測(cè)值精度應(yīng)滿足水利水電施工各等級(jí)GPS控制點(diǎn)的精度要求,測(cè)角與測(cè)邊的精度匹配應(yīng)符合式(1)[1]:

式中:mβ為相應(yīng)等級(jí)控制網(wǎng)的測(cè)角中誤差,單位為″;ms為測(cè)距中誤差,單位為m;S測(cè)距邊長,單位為m;ρ為常數(shù),其值為206265″。

2．2隧洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)監(jiān)測(cè)

(1)平面監(jiān)測(cè)

平面監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)導(dǎo)線點(diǎn)的埋設(shè)是否合理。用支導(dǎo)線的方法測(cè)出導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo),再根據(jù)導(dǎo)線點(diǎn)與隧洞軸線的相對(duì)位置關(guān)系,確定主洞軸線的,計(jì)算當(dāng)前測(cè)量軸線與設(shè)計(jì)軸線的偏差,判斷是否滿足規(guī)范要求。

(2)高程監(jiān)測(cè)

高程監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)支洞口到支洞主洞交叉處的高差。

3 監(jiān)測(cè)原理及方法

3．1監(jiān)測(cè)的原理

為了提高監(jiān)測(cè)的精度,必須考慮溫度、氣壓及相對(duì)濕度對(duì)測(cè)距的影響,進(jìn)而對(duì)邊長進(jìn)行改正;施工坐標(biāo)系投影面與控制點(diǎn)高度不一致,因此需要進(jìn)行投影改正;另外三角高程測(cè)量必須考慮地球曲率與大氣折光對(duì)測(cè)距及測(cè)角的影響。下文將詳細(xì)闡述三者對(duì)導(dǎo)線測(cè)量精度的影響以及改正方法。

(1)投影改正

由于全線主洞高程在940 m左右,故施工坐標(biāo)系的投影面選擇高程為940 m的平面。由于工程全線大多屬于山區(qū),地表高度遠(yuǎn)超過主洞高程,因此必須把實(shí)測(cè)邊長投影到施工坐標(biāo)系所在的平面上,投影公式如下:

式中,S為實(shí)測(cè)邊長,△S為邊長投影改正數(shù),H為兩控制點(diǎn)的平均高程,R為地球平均曲率半徑,該值為6 371 km。

(2)氣象改正

隧洞外控制點(diǎn)之間的距離一般都較遠(yuǎn),為了提高導(dǎo)線邊長的精度,須進(jìn)行氣象改正即TPS改正。氣象條件包括溫度、氣壓及相對(duì)濕度,其中相對(duì)濕度對(duì)測(cè)距的影響很小,這里主要討論溫度和氣壓對(duì)測(cè)距的影響。溫度和氣壓對(duì)距離的影響如式(3)所示:

式中,t為溫度,單位為℃;P為氣壓,以hPa(百帕)為單位;D′為觀測(cè)距離,以km為單位;Dtp為改正數(shù),以mm為單位。

由式(3)可以看出,一般氣象條件下,對(duì)于1 km的距離,溫度變化1℃所產(chǎn)生的測(cè)距誤差為0．95 mm;氣壓變化1 hPa所產(chǎn)生的測(cè)距誤差為0．27 mm。

(3)球氣折光改正

球氣折光改正是地球曲率與大氣折光改正的簡稱,主要對(duì)三角高程測(cè)量影像比較大,二者對(duì)高差的影響稱為球氣差?？紤]到球氣差計(jì)算三角高程的公式[2]如下:

式中:hAB為儀器與目標(biāo)之間的高差;S0為兩點(diǎn)之間的水平距離;K稱為大氣垂直折光系數(shù),另1-K=C, 2R 則C一般稱為球氣差系數(shù);i為儀器高,v為棱鏡高。K值是隨地區(qū)、氣候、季節(jié)、地面覆蓋物等條件不同而變化的,要精確確定它的數(shù)值,目前尚無相關(guān)辦法。K值一般取0．08～0．14之間。

3．2監(jiān)測(cè)的方法

(1)監(jiān)測(cè)的技術(shù)指標(biāo)

洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)按照水利水電施工測(cè)量四等導(dǎo)線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)測(cè),主要技術(shù)指標(biāo)[1]如表1～表3所示:

水平角方向觀測(cè)法技術(shù)要求 表1

測(cè)距作業(yè)技術(shù)要求 表2

垂直角觀測(cè)技術(shù)要求 表3

(2)監(jiān)測(cè)的方法

洞內(nèi)控制網(wǎng)觀測(cè)采用單程雙轉(zhuǎn)點(diǎn)法進(jìn)行。先在全站儀中將觀測(cè)程序和限差設(shè)置好,然后按照控制網(wǎng)圖由洞外向洞內(nèi)逐站觀測(cè)。

如圖1所示:設(shè)支洞A已進(jìn)入主洞,需要檢測(cè)。檢測(cè)時(shí),由洞外已知點(diǎn)A開始,測(cè)洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)a1,a2并記錄,測(cè)至a2時(shí),必須測(cè)量支洞A和主洞交接處的坐標(biāo);隧洞繼續(xù)向前延伸,當(dāng)是施工至主洞拐點(diǎn)處時(shí),需進(jìn)行檢測(cè)。此時(shí),在確保a2點(diǎn)無誤情況下,從a2點(diǎn)開始,測(cè)量a3,a4導(dǎo)線點(diǎn),測(cè)至a4時(shí),須測(cè)量主洞拐點(diǎn)坐標(biāo);當(dāng)主洞施工至離貫通面100 m左右時(shí),需要檢測(cè)。此時(shí),在確保a4點(diǎn)無誤情況下,從a4點(diǎn)開始,測(cè)量a5導(dǎo)線點(diǎn),并測(cè)定主洞中線;測(cè)定主線時(shí)至少測(cè)3個(gè)點(diǎn)。

觀測(cè)時(shí)一定要注意以下事項(xiàng):

①觀測(cè)前應(yīng)先檢查電池電壓是否符合要求,應(yīng)待儀器溫度與外界氣溫一致后開始觀測(cè)。另外,測(cè)距前在儀器里輸入正確的氣壓、溫度、相對(duì)濕度。

②應(yīng)在成像清晰、穩(wěn)定的情況下進(jìn)行。

③反射棱鏡背面應(yīng)避免有散射光的干擾,鏡面不得有水珠或灰塵沾污。

圖1　實(shí)地監(jiān)測(cè)示意圖

④觀測(cè)時(shí)各項(xiàng)觀測(cè)限差應(yīng)符合表的規(guī)定,若出現(xiàn)超限時(shí),應(yīng)重新觀測(cè)。

⑤當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)分群現(xiàn)象時(shí),應(yīng)分析原因,待儀器或環(huán)境穩(wěn)定后重新進(jìn)行觀測(cè)。

⑥量取儀器高、目標(biāo)高一定應(yīng)進(jìn)行三次測(cè)量,互差最大不應(yīng)超過2 mm,然后進(jìn)行取平均值。

(3)導(dǎo)線計(jì)算

導(dǎo)線計(jì)算按照導(dǎo)線計(jì)算公式,采用左角或右角。計(jì)算過程中角度、距離必須采用平均值,其中距離采用正反測(cè)平均值。如果導(dǎo)線點(diǎn)的高程與施工坐標(biāo)系所投影的平面高差比較大必須進(jìn)行邊長改正,改正方法如式(2)所示。

三角高程計(jì)算公式參照式(4),計(jì)算所采用的數(shù)據(jù)必須是均值,由于三角高程采用的是對(duì)向觀測(cè),最終兩點(diǎn)的高差采用正向和反向的平均值,對(duì)向觀測(cè)兩點(diǎn)之間的閉合差必須滿足國家二等水準(zhǔn)規(guī)范,L為兩點(diǎn)間的平距。

4 監(jiān)測(cè)方法的精度

《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL52-93)中表4對(duì)貫通誤差的限差及貫通中誤差分配值有明確規(guī)定[1]。

工隧洞開挖貫通誤差 表4

在進(jìn)行貫通測(cè)量設(shè)計(jì)時(shí),可取極限誤差的1/2,作為貫通面上的貫通中誤差,根據(jù)隧洞長度,各項(xiàng)測(cè)量中誤差的分配,應(yīng)符合表5的規(guī)定。=0．7″,我們假設(shè)中誤差設(shè)影響為1″,誤差全部分布在橫向上,對(duì)橫向的影響每站為1．6 mm,11站共計(jì)影響為17．6 mm,小于限差40 mm,能夠達(dá)到精度要求。

通中誤差分配值 表5

4．2高程監(jiān)測(cè)的精度

三角高程測(cè)量的精度有式(4)可知,影響三角高程的因素主要球氣折光系數(shù)、儀高、鏡高的量測(cè)精度,由于距離比較近地球垂線偏差影響較小[4,5],暫不考慮。

由于是對(duì)向觀測(cè),則A、B兩點(diǎn)的高差為:

4．1平面監(jiān)測(cè)的精度

此次監(jiān)測(cè)使用的儀器型號(hào)為徠卡TS30,精度指標(biāo)0．6+2 ppm×D,測(cè)角中誤差0．5″。設(shè)相鄰導(dǎo)線點(diǎn)間的距離為300 m,支洞口到貫通面的距離一般為3．5 km,共需架設(shè)11站。由于對(duì)中誤差,設(shè)每站對(duì)測(cè)距的影響為0．2 mm,由于是單程雙轉(zhuǎn)以及對(duì)向觀測(cè),同一條邊我們觀測(cè)四次,故對(duì)中誤差對(duì)一條邊的影響為0．1 mm,11站共計(jì)11 mm。按照TS30自身的精度11站共計(jì)對(duì)邊長的影響為16．6 mm,兩者相加共計(jì)為27．6 mm,全部分配到縱向上由表6可以看出能夠滿足要求。角度每站影響為0．5″,因?yàn)閷?duì)中誤差能夠控制在1 mm以內(nèi),可得每站對(duì)中誤差對(duì)測(cè)角的影響為

將式(4)帶入式(5)得:

由式(6)可以看出,采用對(duì)向觀測(cè)高差的影響是受△K的影響而不是K值取值,如果對(duì)向觀測(cè)時(shí)間相距較短,則K值不會(huì)發(fā)生太大的變化,故其對(duì)高差的影響可以忽略不計(jì)。由儀高、鏡高量取造成的誤差,我們可以通過多次測(cè)量實(shí)質(zhì)降低到最小,在下面暫不考慮。

根據(jù)誤差傳播定律[3],對(duì)式(6)進(jìn)行微分整理得:

式中:mh為對(duì)向觀測(cè)高差中誤差,單位為mm;mL為測(cè)距中誤差,單位為mm;mα為測(cè)角中誤差,單位為s;L為平均距離,單位為km;ρ為常數(shù)206 265 s。

觀測(cè)時(shí)我們采用多測(cè)回測(cè)角測(cè)距,測(cè)回?cái)?shù)為4,儀器型號(hào)為TS30,精度指標(biāo)為0．6+2ppm×D,測(cè)角中誤差為0．5″。根據(jù)誤差傳播定律[3]得,測(cè)角中誤差為mα= 0．25″;同理測(cè)距精度mL=0．3+1 ppm×D。

將以上理論精度帶入式(7)得表6:

不同邊長不同垂直角的對(duì)向觀測(cè)中誤差(mm) 表6

由表6可知,在距離小于1 km的情況下,對(duì)向觀測(cè)中誤差在垂直角不超過17°時(shí)高差中誤差mh為0．880 mm,小于國家二等水準(zhǔn)規(guī)定的1 mm。此次監(jiān)測(cè),主要監(jiān)測(cè)支洞口到交叉處的高差,支洞長度一般不超過1 km,能夠滿足工程的精度要求。

5 結(jié) 論

通過近兩年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)各個(gè)標(biāo)段測(cè)量人員技術(shù)水平參差不齊,測(cè)量精度較差的標(biāo)段往往是測(cè)量部門管理比較混亂,測(cè)量人員不按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行作業(yè)。如出現(xiàn)最大誤差的標(biāo)段,主洞掘進(jìn)1．8 km,偏離值已經(jīng)達(dá)到40 cm,主要原因是測(cè)量員不按規(guī)范以導(dǎo)線形式進(jìn)行布設(shè)導(dǎo)線點(diǎn),只是簡單的采用對(duì)中桿測(cè)定導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo),且儀器不按規(guī)范定期進(jìn)行檢校。為確保引黃工程的順利貫通,防止出現(xiàn)重大測(cè)量誤差,很有必要進(jìn)行第三方監(jiān)測(cè),堅(jiān)強(qiáng)對(duì)施工方測(cè)量資料的準(zhǔn)確性以及測(cè)量精度的監(jiān)測(cè)。

本工程所采用的監(jiān)測(cè)方法在滿足工程精度要求的情況下,能大大提高工作效率。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中,及時(shí)發(fā)現(xiàn)了測(cè)量精度嚴(yán)重超限問題,避免了重大測(cè)量事故的發(fā)生。另外所監(jiān)測(cè)隧洞,已有部分順利貫通,如21標(biāo)2#與3#支洞,勘探實(shí)驗(yàn)標(biāo)12#支洞與出口,蒲大支線進(jìn)口與出口等,貫通誤差均在限差之內(nèi)。

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The Construction Measuring Principle and Method for Monitoring of Middle Yellow River Diversion Project in Shanxi Province

Liu Ying,Shi Guoqiang
(Taiyuan Institute of Surveying and Mapping,Taiyuan 030002,China)

Abstract:The middle diversion project of Yellow River in Shanxi Province includes the water taking project,main line, east line,west line the other water conveyance project of each water supply branch．The total length 384．5 km,and most of work is in tunnel,which is a long-distance tunnel project．In order to make sure that the project can be finished smoothly,it is necessary to monitor the project accurately and timely,including the survey of control points and tunnel axis．In this paper,we provide a specific monitoring method and evaluation criterion for the project,including the way of the repetition measurement of construction control points and critical design points of the tunnel,and the evaluation method for workers who participate the project,providing the management measures to make sure the successful completion of the tunnel．

Key words:construction survey monitoring;traverse survey;trigonometric leveling;cut-through

文章編號(hào):1672-8262(2015)06-143-04中圖分類號(hào):P258

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

收稿日期:?2015—09—21

作者簡介:劉瑛(1979—),男,工程師,主要從事工程測(cè)量工作和測(cè)量項(xiàng)目管理工作。