引漢濟(jì)渭工程越嶺段隧洞工程貫通控制測(cè)量研究

陳元申，楊遠(yuǎn)程，李引生

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州450000）

0 引言

引漢濟(jì)渭工程又稱陜西南水北調(diào)工程，用以滿足西安、咸陽(yáng)、寶雞、渭南4 重點(diǎn)城市及沿渭河兩岸的11 個(gè)縣城和6 個(gè)工業(yè)園區(qū)的調(diào)輸配水工程，是解決陜西關(guān)中、陜北缺水的戰(zhàn)略性水資源配置工程。該工程在陜西省陜南地區(qū)的漢江干流黃金峽和支流子午河分別修建黃金峽水利樞紐和三河口水利樞紐，兩處水源經(jīng)調(diào)蓄后通過(guò)秦嶺輸水隧洞（分黃三段和越嶺段）送至陜西省渭河流域關(guān)中受水區(qū)[1～2]。

秦嶺輸水隧洞進(jìn)口位于秦嶺隧洞越嶺段水利樞紐壩后左岸，出口位于陜西省關(guān)中周至縣黑河右岸支流黃池溝內(nèi)，隧洞全長(zhǎng)98.3 km，由越嶺段和黃三段組成。越嶺段全長(zhǎng)81.8 km，采用不同支洞同時(shí)掘進(jìn)“長(zhǎng)隧短打”的方法進(jìn)行施工。如何實(shí)現(xiàn)各個(gè)支洞順利掘進(jìn)至主洞以及對(duì)打?qū)崿F(xiàn)貫通是越嶺段施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。隧洞的精密貫通與施工過(guò)程中精細(xì)的測(cè)量工作是分不開(kāi)的，而施工過(guò)程中的測(cè)量工作是以建立精度可靠的測(cè)量控制網(wǎng)為基礎(chǔ)的。

引漢濟(jì)渭越嶺段隧洞未貫通部分為3#～5#洞之間。3#支洞～4#支洞口之間主洞長(zhǎng)度12257 m，3#支洞長(zhǎng)度3872 m，4#支洞長(zhǎng)度5820 m，相向開(kāi)挖總長(zhǎng)度21949 m。4#支洞～5#支洞口之間主洞長(zhǎng)度16880 m，4#支洞長(zhǎng)度5820 m，5#支洞長(zhǎng)度4595m，相向開(kāi)挖總長(zhǎng)度27295 m。本文討論了實(shí)現(xiàn)3#～5#洞之間順利貫通而進(jìn)行的該段控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 控制網(wǎng)布設(shè)及觀測(cè)

控制網(wǎng)包括洞外控制網(wǎng)和洞內(nèi)控制網(wǎng)，均包含平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)。

1.1 洞外平面控制網(wǎng)

保證隧洞準(zhǔn)確貫通是隧洞施工的重中之重。過(guò)去洞外平面控制網(wǎng)常采用三角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)、邊角網(wǎng)等常規(guī)布網(wǎng)形式，隨著GNSS 技術(shù)的推廣應(yīng)用，目前洞外控制網(wǎng)主要采用GNSS 觀測(cè)的手段進(jìn)行施測(cè)。由于GNSS 觀測(cè)無(wú)需通視，該技術(shù)用于隧道工程較常規(guī)測(cè)量方法有布點(diǎn)少、精度高、工期短等優(yōu)點(diǎn)。

洞外平面控制點(diǎn)的作用是為進(jìn)洞聯(lián)系測(cè)量提供起算坐標(biāo)，其精度直接影響隧洞的貫通精度。在3#～5#支洞每個(gè)洞口布設(shè)三個(gè)強(qiáng)制觀測(cè)墩，一個(gè)正對(duì)洞口為進(jìn)洞點(diǎn)，另外兩個(gè)分別為定向點(diǎn)和檢核點(diǎn)，進(jìn)洞點(diǎn)與另外兩點(diǎn)間距離控制在300 m 以上。采用GNSS 靜態(tài)模式以邊連接方式進(jìn)行平面控制網(wǎng)的觀測(cè)，3#～5#洞之間進(jìn)行聯(lián)測(cè)，精度指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 GNSS 觀測(cè)精度指標(biāo)

1.2 洞外高程控制網(wǎng)

洞內(nèi)豎向貫通誤差主要受高程控制網(wǎng)精度的影響。洞外高程控制點(diǎn)為2011 年布設(shè)的地面標(biāo)，2015 年進(jìn)行了第一次復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)是沿108 國(guó)道將秦嶺兩側(cè)的控制點(diǎn)按附和路線進(jìn)行二等水準(zhǔn)觀測(cè)。本次通過(guò)直接翻越秦嶺將嶺南和嶺北的高程點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，按二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度進(jìn)行施測(cè)。

1.3 洞內(nèi)平面控制網(wǎng)

一般隧洞內(nèi)空間狹長(zhǎng)，平面控制網(wǎng)多采用精密導(dǎo)線的形式。隨著光電測(cè)距技術(shù)與全站儀設(shè)備的發(fā)展，洞內(nèi)導(dǎo)線有單導(dǎo)線、主副導(dǎo)線、雙導(dǎo)線、菱形交叉導(dǎo)線等多種形式。對(duì)于長(zhǎng)隧洞一般采用雙導(dǎo)線環(huán)或者交叉雙導(dǎo)線的形式進(jìn)行觀測(cè)，以增加復(fù)核條件、增加多余觀測(cè)來(lái)提高觀測(cè)精度。

隧洞內(nèi)平面控制點(diǎn)是直接用于指導(dǎo)隧洞掘進(jìn)施工的控制點(diǎn)，采用對(duì)點(diǎn)的形式進(jìn)行布點(diǎn)，采用交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)法[3～5]進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)網(wǎng)圖見(jiàn)圖1，其中XGPS301 為進(jìn)洞點(diǎn)，XGPS302 和XGPS303 是定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)，其余點(diǎn)為洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)。按二等導(dǎo)線精度施測(cè)，精度指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖1 交叉雙導(dǎo)線路線示意圖

1.4 洞內(nèi)高程控制網(wǎng)

利用洞內(nèi)平面控制點(diǎn)作為高程控制點(diǎn)，不再單獨(dú)埋設(shè)高程控制點(diǎn)。洞內(nèi)高程控制按二等水準(zhǔn)測(cè)量精度進(jìn)行施測(cè)。

2 貫通誤差估算

2.1 貫通測(cè)量容許誤差

《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》（SL 52-2015）中“地下工程測(cè)量”表9.1.2 規(guī)定，水工隧洞開(kāi)挖的容許極限貫通誤差應(yīng)符合表3 的規(guī)定，貫通中誤差分配值應(yīng)符合表4 的規(guī)定。

表3 水工隧洞開(kāi)挖貫通測(cè)量容許極限誤差值

表2 二等導(dǎo)線技術(shù)指標(biāo)

表4 貫通中誤差分朽值

2.2 貫通誤差估計(jì)

2.2.1 洞外貫通誤差估計(jì)

洞外控制網(wǎng)采用GNSS 方法觀測(cè)，假定進(jìn)洞點(diǎn)為C，出洞點(diǎn)為J，貫通面為P，洞外GNSS 測(cè)量誤差包括GNSS 點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差和進(jìn)洞定向基線邊的方位角中誤差。根據(jù)誤差傳播定律，GNSS 點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差和定向邊的方位角中誤差對(duì)進(jìn)洞導(dǎo)線在貫通面的橫向貫通誤差影響按下式計(jì)算：

式中：M 為洞外GNSS 控制測(cè)量誤差引起的隧道橫向貫通中誤差；mJ,mc為進(jìn)、出口GNSS 控制點(diǎn)的Y 坐標(biāo)誤差；θ,φ 為進(jìn)、出口控制點(diǎn)至貫通點(diǎn)連線與貫通點(diǎn)線路切線的夾角；LJ，Lc為進(jìn)、出口GNSS 控制點(diǎn)至貫通點(diǎn)的長(zhǎng)度；maJ，maC為進(jìn)、出口GNSS 聯(lián)系邊的方位中誤差；L 為相向開(kāi)挖隧道計(jì)算設(shè)計(jì)長(zhǎng)度；mG為GNSS 測(cè)量定向聯(lián)系邊方向誤差；ρ 為邊角常數(shù)206265。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，GNSS 控制網(wǎng)的相鄰點(diǎn)的相對(duì)精度優(yōu)于10 mm，考慮到山嶺隧道測(cè)量的復(fù)雜性和特長(zhǎng)隧道GPS 邊較長(zhǎng)等因素，可以取20 mm，基線方位角中誤差可取1.0″代入上式可求得：

2.2.2 洞內(nèi)貫通誤差估計(jì)

式中：mq為洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量誤差引起的橫向貫通誤差；myβ為測(cè)角誤差影響在貫通面上的橫向中誤差，mm；myl為測(cè)邊誤差影響在貫通面上的橫向中誤差，mm；mβ為控制網(wǎng)設(shè)計(jì)的測(cè)角中誤差，″；Rx為控制網(wǎng)各點(diǎn)至貫通面的垂直距離，m；為控制網(wǎng)設(shè)計(jì)的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差；dy為控制網(wǎng)各邊在貫通面上的投影長(zhǎng)度，m。

洞內(nèi)導(dǎo)線按二等導(dǎo)線精度要求進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)角中誤差取1.0″，每公里測(cè)邊中誤差取2 mm,洞內(nèi)導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)500 m,估算3#～4#貫通面，4#～5#貫通面洞內(nèi)導(dǎo)線對(duì)橫向貫通誤差的影響：

橫向貫通誤差估計(jì)：

以上估計(jì)是以最不利的情況進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)誤差估計(jì)，洞外GNSS 按二等GNSS 網(wǎng)觀測(cè)，洞內(nèi)按二等導(dǎo)線網(wǎng)布設(shè)能夠滿足橫向貫通精度的要求。

2.2.3 高程貫通誤差估計(jì)

以4#～5#貫通測(cè)量估計(jì)，洞外水準(zhǔn)為附合路線，按二等水準(zhǔn)全中誤差2.0 mm，洞內(nèi)取二等水準(zhǔn)每公里偶然中誤差1.0 mm進(jìn)行估計(jì)，結(jié)果滿足規(guī)范要求。

根據(jù)估算，即使地面高程控制網(wǎng)按二等附合路線繞道108國(guó)道，水準(zhǔn)線路長(zhǎng)度達(dá)到260 km，洞內(nèi)水準(zhǔn)按二等水準(zhǔn)精度觀測(cè)，完全能夠滿足豎向貫通限差的要求。

3 結(jié)論

引漢濟(jì)渭工程越嶺段洞外平面控制網(wǎng)采用二等GNSS 精度施測(cè)，洞外高程控制網(wǎng)采用二等水準(zhǔn)測(cè)量的方式施測(cè)，洞內(nèi)平面控制網(wǎng)按二等導(dǎo)線的精度采用交叉雙導(dǎo)線的形式進(jìn)行測(cè)量，洞內(nèi)高程控制網(wǎng)采用二等水準(zhǔn)的形式進(jìn)行測(cè)量，越嶺段3#～5# 之間主洞部分可在滿足規(guī)范要求的前提下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)貫通。

2018 年12 月，引漢濟(jì)渭工程越嶺段3#～4#洞之間已經(jīng)實(shí)現(xiàn)貫通，橫向貫通誤差約8 cm，豎向貫通誤差約2 cm。