?？飘厴I(yè)論文1

1、淺談高速鐵路隧道施工測量 摘 要 在中鐵十七局第三建筑公司承建的杭州至寧波的高速鐵路客運專線杭甬四工區(qū)施工段中，隧道貫穿主線。其包括涼帽山，外岙一二號，大山腦，寺前王及章家山大小六孔隧道。在隧道施工過程中，由于我國南方地質(zhì)結構的特點，硬質(zhì)地層采用了傳統(tǒng)的礦山法（鑿巖爆破），進行了洞體的掘進。施工測量方面，根據(jù)設計院洞內(nèi)布設的地下導線點，經(jīng)坐標推算而確定隧道中心線方向上有關點位，以準確知道較長隧道的開挖方向和便于日常施工放樣。其中包括了中線放樣，坡度放樣，斷面放樣與隧道貫通誤差的測定與調(diào)整。關鍵詞 高速鐵路 隧道 施工測量 放樣一、前言在新建的杭甬高速鐵路四工區(qū)施工段中以大山腦隧道為主。大山腦隧

2、道位于余姚市及慈溪市境內(nèi)，全長6209m，最大埋深約200m屬深埋長隧道，起訖里程為DK112+207DK118+416大山腦隧道位于剝蝕低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，自然坡度1035°，植被發(fā)育。區(qū)內(nèi)最高山峰為大山腦，海拔標高為288.4m，隧址所穿越山丘海拔一般為110265m。該隧道由進口和出口相向開挖，進出口各開挖至DK115+586，進口開挖長度為3379m；出口開挖長度為2830m。該隧道全部位于直線段上。其處于暗挖段。在此項山嶺隧道施工中，為了加快采用了進口方向，出口方向及斜井兩向，四面同時光面爆破掘進的作業(yè)方式。設以中間DK115+500處為基礎面，向進出口延伸呈0.35

3、%的下坡。隧道自兩端洞口相向開挖，在洞內(nèi)預訂位置挖通，稱為貫通（holing）。因此，隧道測量（tunnel survey）也稱貫通測量（holing through survey）。隧道測量的任務是：準確測設出洞口、井口、坑口的平面位置和高程；隧道開挖時，測設隧道中線的方向和高程，指示掘進方向保證隧道按要求的精度正確貫通，放樣洞室各細部的平面位置與高程，放樣襯砌的位置等。與地面測量工作不同的是，隧道施工的掘進方向在貫通之前無法通視，只能完全依據(jù)沿隧道中線布設的支導線來指導施工。因為支導線無外部檢核條件，同時隧道內(nèi)光線暗淡工作環(huán)境較差，在測量工作中極易產(chǎn)生疏忽或錯誤，造成相向開挖隧道的方向偏離

4、設計方向，使隧道不能正確貫通，其后果是必須部分拆除已經(jīng)做好的襯砌，削幫后從新襯砌或采取其它補救措施，這樣不但產(chǎn)生巨大經(jīng)濟損失，還會延期工期。所以，進行隧道測量工作時，要十分認真細致，除按規(guī)范的要求嚴格檢驗與校正儀器，還應注意采取多種有效措施，削弱誤差，避免發(fā)生錯誤。在洞內(nèi)支導線測量過程中，由于測量誤差的積累，使兩個相向開挖的隧道中線不能準確銜接，其錯位距離H稱為貫通誤差（holing error），如下圖13-37所示大意： H在隧道中線方向上的投影長度Ht,稱為縱向貫通誤差；在垂直于隧道方向上的投影長度Hu稱為橫向貫通誤差；在鉛垂面內(nèi)的投影投影長度Hh稱為高程貫通誤差。備注：其中Ht只影響隧

5、道的長度，與工程質(zhì)量的關系不大，施工測量時較容易滿足設計要求。當不考慮Ht時則隧道貫通相遇于一垂直于中線的平面，稱為貫通面。規(guī)范只規(guī)定了貫通面橫向誤差Hu和高程誤差Hht的限差。如鐵路測量技術規(guī)范規(guī)定：長度小于4km的鐵路隧道，Hu的容許值為100mm，Hh的容許值為50mm?，F(xiàn)就學生在施工現(xiàn)場的測量與各項工作，對大山腦隧道施工中洞外控制測量，洞內(nèi)控制測量，洞內(nèi)中線測設，結合各項施工圖紙及規(guī)范，做自己的一些總結認識與淺談。 二、大山腦隧道洞外控制測量 為了保證隧道工程在兩個或多個開挖面的掘進中，施工中線在貫通面上的Hu及Hh能滿足貫通精度要求，符合斷面的技術條件，必須進行控制測量。控制測量的中

6、誤差是指由測量誤差引起在貫通面上產(chǎn)生貫通誤差，取上述容許誤差的一半，如3km公路隧道的橫向誤差為75mm，高程中誤差為35mm。由于貫通誤差主要來源洞外和洞內(nèi)控制測量精度兩方面。因此，進行洞外控制測量精度設計時，要將貫通誤差按誤差傳播定律分解為洞外和洞內(nèi)的橫向誤差和高程誤差，此過程稱為貫通誤差影響值的分配。公路隧道勘測規(guī)程規(guī)定的貫通誤差分配方案見下表：貫通面上貫通誤差影響值的分配測量部位橫向中誤差（mm） 高程中誤差(mm)兩開挖洞口間長度(m)300030006000洞外455525洞內(nèi)608025全部隧道7510035隧道兩相向開挖洞口施工中線在貫通面上的橫向和高程貫通誤差應符合下表規(guī)定：

7、隧道貫通誤差規(guī)定項 目橫 向 貫 通 誤 差 高 程 貫 通誤 差相 向 開 挖 長 度（km）L44L77L1010L1313L1616L1919L20洞外貫通中誤差（mm）3040455565758018洞內(nèi)貫通中誤差（mm4050658010513516017洞內(nèi)外綜合貫通中誤差（mm）50658010012512018025貫通限差（mm）10013016020025032036050注：1.本表不適合用于利用豎井貫通的隧道。2.相向開挖長度大于20km的隧道應作特殊設計。隧道長度大于1500m時，應根據(jù)橫向貫通誤差進行平面網(wǎng)設計，估計洞外控制測量產(chǎn)生的橫向貫通誤差影響值，并進行洞內(nèi)測

8、量設計。水準路線長度大于5000m時，應根據(jù)高程貫通中誤差進行高程控制網(wǎng)設計。洞外控制網(wǎng)與線路控制網(wǎng)的連接應符合下列規(guī)定:1. 當線路控制網(wǎng)（CPI,CPII）的精度滿足隧道控制測量要求時，應在線路控制網(wǎng)基礎上擴展加密建立隧道控制網(wǎng)。2. 當線路控制網(wǎng)精度不能滿足隧道控制測量要求時，應建立隧道獨立控制網(wǎng)，并于隧道洞口附近線路控制點聯(lián)測。3. 洞外控制高程測量應從隧道一段的線路水準點聯(lián)測至另一端的線路水準點。4. 當隧道洞口兩端的線路控制網(wǎng)（CPI,CPII）不在一個投影內(nèi)時，可建立獨立的隧道施工控制網(wǎng)。2.1洞外平面控制測量洞外平面控制測量的主要任務是：測定各洞口控制的相對位置，作為引測進洞和

9、測設洞內(nèi)中線的依據(jù)。一般要求洞外平面控制網(wǎng)包括洞口控制點。建立洞外平面控制的方法有：敷設中線法，精密導線法，三角鎖法和GPS法等。由于測距儀，全站儀甚至GPS接收機已經(jīng)基本在施工單位普及，敷設中線法由于精度較低，只適用于地形，地質(zhì)條件簡單的中、短隧道，因此在生產(chǎn)實踐中已很少使用。下面介紹后三種方法：2.1.1 精密導線法 在洞外沿隧道線型布設精密光電測距導線來測定各洞口控制點的平面坐標。精密導線一般是采用正副導線組成的若干個導線環(huán)構成控制網(wǎng)，簡圖13-38所示。主導線應沿兩洞口連線方向敷設，每13個主導線邊應與副導線聯(lián)系。主導線邊一般不宜短于300m,且相鄰邊長不宜相差過大。主導線須同時觀測水

10、平角和邊長副導線，一般只測水平角。水平角觀測宜用不低于DJ6級經(jīng)緯儀，以方向觀測法為主。公路隧道勘測規(guī)程給出的采用精密導線法進行洞外平面控制測量的參考精度指標見下表。精密導線法參考精度測量方法兩開挖洞口間距離（km）測角中誤差（）導線邊最小長度（m）導線邊長相對中誤差直線隧道曲線隧道直線隧道曲線隧道直線隧道曲線隧道導線測量462.54.02.05001501/50001/15000341.52.52.54001501/35001/10000231.01.54.03001501/35001/1000021.010.02001501/25001/100002.1.2 三角鎖法在洞外沿隧道地形布設單

11、三角形鎖來測定各洞口控制點的平面坐標見圖13-39所示。鄰近隧道中線一側(cè)的三角鎖各邊宜盡量垂直于貫通面，避免較大的曲折。測量三角鎖的求距角不宜小于30°，起始邊宜設在三角鎖的中部（邊角鎖可以不做此要求）公路隧道勘測規(guī)程給出的采用三角鎖法進行洞外平面控制測量的參考精度指標見下表。三角鎖法參考精度測量方法兩開挖洞口間距離(km)測角中誤差（）最弱邊邊長相對中誤差起始邊邊長相對中誤差三角測量4621/200001/300002421/150001/200001.522.51/150001/200001.541/100001/15000注：1.貫通精度估算貫通面按總橫向中誤差75 mm，高程

12、中誤差25 mm進行設計。依據(jù)各導線點至貫通面的垂直距離計算的結果為：Rx=48743292， dy2=0RX導線環(huán)在隧道兩洞口連線上的各點至貫通面的垂直距離； 導線邊邊長相對中誤差；dy導線環(huán)在鄰近隧道兩洞口連線的各邊對貫通面上的投影長度。 2.1.3 GPS法 用GPS法測定各洞口控制點的平面坐標，由于各控制點之間可以互不通視，沒有測量誤差積累，因此特別適合于特長隧道及通視條件較差的山嶺隧道。如下圖13-40示?，F(xiàn)行的公路隧道勘測規(guī)程是1985年制定，1986年實行的。因為當時的GPS系統(tǒng)還沒有建立使用，所以規(guī)程中沒有規(guī)定可以使用GPS測量方法建立洞外平面控制網(wǎng)的條款。但公路全球定位系統(tǒng)（

13、GPS）測量規(guī)范中的3.1.1條款規(guī)定：根據(jù)公路及特殊橋梁、隧道等構造物的特點及不同要求，GPS控制網(wǎng)分一級、二級、三級、四級共四個等級。各級GPS控制網(wǎng)的主要技術指標規(guī)定見下表。大山腦隧道中結合隧道兩開挖洞口間距離，在下表中選擇應該級別布設GPS控制網(wǎng)。GPS控制網(wǎng)的主要技術指標級別 每對相鄰點平均距離d(km)固定誤差a(mm)比例誤差b(ppm)最弱相鄰點點位中誤差m(mm)路線特殊構造物路線特殊構造物路線特殊構造物一級4.0105215010二級2.0105525010三級1.01051025010四級0.51020502.2 洞外高程控制測量 洞外高程控制測量的任務是按照測量設計中規(guī)

14、定的精度要求，施測隧道洞口（包括隧道的進出口、豎井口、斜井口和坑道口）附近水準點的高程，作為高程引測進洞的依據(jù)。高程控制一般采用三、四等水準測量，當兩洞口之間的距離不大于1km時，應在中間設臨時水準點。如果隧道不長，高高程控制測量等級在四等以下時，也可采用光電測距三角高程測量的方法進行觀測。三角高程測量中，光電測距的最大邊長不應超過600m，且每條邊均應進行對象觀測。高差計算時，應加上地球曲率改正。 三、大山腦隧道施工測量大山腦隧道施工測量的內(nèi)容包括：隧道正式開挖之前測設掘進方向；外挖過程中，測設隧道中線和腰線，指示掘進方向，隧道開挖到一定的距離后，進行洞內(nèi)控制測量；如果在隧道中間開挖豎井，則

15、還需進行豎井聯(lián)系測量等。3.1 大山腦隧道掘進方向的測設與標定根據(jù)洞外控制點的坐標和路線交點JD的設計坐標，我們計算出進口點A處的隧道掘進夾角a,按a定出A-JD方向；計算出進洞點B處的隧道掘進夾角b,按b定出B-JD的方向。也可以在AutoCAD中直接標注a和b。其操作方法是：使用Point命令，通過直接輸入洞外控制點和設計中線交點JD的坐標展點，使用Line命令連接各點，（注意使用節(jié)點捕捉nod）,然后使用角度標注命令Dimangular標注出a與b。將上述定出的掘進方向標定在地面上的方法是：在掘進方向上埋設并標定出A1,A2,A3,A4樁，在垂直于掘進方向埋設并標定出A5，A6，A7，A

16、8。樁如下圖。樁位應埋設為混凝土或石樁。點位的選取應注意在施工過程中不被破壞和擾動。還需要測量出進洞口點A至A2,A3 A6，A7點的距離以便在施工過程中隨時檢查和恢復洞口的位置。3.2 開挖施工測量3.2.1 隧道中線和腰線 洞口開挖后，隨著隧道的向前掘進，要逐步往洞內(nèi)引隧道中線和腰線。中線控制掘進方向，腰線控制掘進高程和坡度。3.2.1.1 中線測設 一般隧道每掘進20m左右時，就要測設一個中線樁，將中線向前延伸。中線樁可同時埋設在底部和頂部見示意圖13-43所示：測設隧道曲線段中線樁時，因為洞內(nèi)工作面狹小，不斷可能使用切線支距法或偏角法測設中線樁，一般使用逐點搬移測站的偏角法進行測設。如

17、左圖13-44所示，將圓曲線長L分為等分，每一段曲線長為=，所對的圓心角為=/n,所對的弦切角為/2，對應的弦長為C=2Rsin/2?；蛟贏utoCAD中使用倒圓角命令Fillet，以設計圓圓曲線半徑R對直線A-JD和JD-B倒圓角，使用定數(shù)等分命令Divide在圓曲線上放置n-1個節(jié)點將圓曲線n等分，使用直線命令Line繪出圓心至n-1個節(jié)點的直線及各弦長，使用對齊標注命令Dimaligned標注弦長，使用角度標注命令Dimangular標注弦切角。測設時，儀器安置于ZY點，盤左后視進洞點A，配置水平度盤讀數(shù)為0，倒鏡即得曲線的切線方向ZY-JD,轉(zhuǎn)角/2，得ZY-P1方向，沿該方向用測距儀

18、測設出弦長c，然后用盤右重復上述操作，最后去兩次測設點位的中點為最后結果。當掘進超過P1點時，將儀器安置于P1，以ZY點為后視方向重復上述操作，測設出P2。依此法，直至測設到曲線終點或貫通面。3.2.1.2 腰線測設高程由洞口水準點引進，隨著隧道掘進的延伸，每隔10m應在巖壁上設置一個臨時水準點，每隔50m設置一個固定水準點，以保證隧道頂部和底部按設計縱坡開挖和襯砌的正確放樣。水準測量均應往返觀測。根據(jù)洞內(nèi)水準點的高程，沿中線方向每隔5-10m，在洞壁上高出隧道底設計地坪高1m的高度標定超平線，稱為腰線。3.2.2 掘進方向指示由于洞內(nèi)工作面狹小，光線暗淡，在隧道施工中，我們使用具有激光指示功

19、能的TCA1201徠卡全站儀。還有激光經(jīng)緯儀與指向儀來確定隧道掘進方向。注：當采用盾構法或自動頂管法施工時，可以使用激光指向儀或激光經(jīng)緯儀配合光電跟蹤靶，知指示掘進方向。光電跟蹤靶安裝在掘進機器上，激光指向儀或激光經(jīng)緯儀安置在工作點上并調(diào)整好視準軸的方向和坡度，其發(fā)射的激光束照射在光電跟蹤靶上，當掘進方向發(fā)生偏差時，安裝在掘進機上的光電跟蹤靶輸出偏差信號給掘進機，掘進機通過液壓控制系統(tǒng)自動糾偏，使掘進機沿著激光束指引的方向和坡度正確掘進。3.2.2 開挖斷面放樣 如果采用盾構機掘進，因盾構機的鉆頭架是專門根據(jù)隧道斷面而設計的，可以保證隧道面在掘進時一次成形，混凝土預制襯砌塊的組裝一般與掘進同步

20、或交替進行，所以，不需要測量人員放樣斷面。在大山腦隧道中我們采用鑿巖爆破法施工，則每炮破一次后，都必須將設計隧道斷面放樣到開挖面上，以供施工人員安排炮眼，準備下一次爆破。 如右圖所示。挖斷面的放樣是在中垂線VV和腰線HH的基礎上進行的，在設計圖紙上一般都給出斷面的寬度、拱交合拱頂?shù)臉烁?、拱曲線半徑等數(shù)據(jù)。側(cè)墻的放樣示意中垂線VV為準，向兩邊量取開挖寬度的一半，用紅漆或白灰標出，即是側(cè)墻線。拱形部分可根據(jù)計算或在AutoCAD上標注尺寸放出圓周上的1，2，3等點，然后連成圓弧。四、大山腦隧道洞內(nèi)控制測量大山腦隧道洞內(nèi)控制測量包括平面控制和高程控制，平面控制采用導線，高程控制采用水準。洞內(nèi)控制測量

21、的目的是為隧道施工測量提供依據(jù)。4.1 洞內(nèi)導線測量洞內(nèi)導線通支是指導線，而且它不可能一次測完，只有掘進一段距離后才可以增設一個新點布設一個新點就需要進行測量，一般每掘進2050m就要增設一個新點。為了防止錯誤和提高支導線的精度，通常是每埋一個新點后，都應從支導線的起點開始全面重復測量。復測還可以發(fā)現(xiàn)已建成的隧道是否存在變形，點位是否被碰動過。對于直線隧道，一般只復測水平角。洞內(nèi)導線的水平角觀測，可以采用DJ2級經(jīng)緯儀觀測2測回或DJ6級經(jīng)緯儀觀測4測回。觀測短邊的水平角時，應盡可能減少儀器的對中誤差和目標偏心誤差。使用全站儀觀測時，最好使用三聯(lián)架法觀測。對于長度在2km以內(nèi)的隧道，導線的測角

22、中誤差應不大于±5，邊長測量相對中誤差應應小于1/5000。4.2 洞內(nèi)水準測量 與洞內(nèi)導線點一樣，每掘進2050m就要增設一個新水準點。洞內(nèi)水準點可以埋設在洞頂、洞底或洞壁上，但必須穩(wěn)固和便于觀測?？梢允褂枚磧?nèi)導線點標志作為洞內(nèi)水準點標志，也可以每隔200500m設置一個較好的專用水準點。沒埋設一個水準點后，都應從洞外水準點開始至新點重復往返觀測。重復水準測量還可以監(jiān)測已建成隧道的沉降情況，這對在軟土中修建的隧道特別重要。五、豎井聯(lián)系測量一般在長隧道的中部開挖豎井，增加速度掘進工作面，以加快工程進度，見下見圖示。豎井聯(lián)系測量的目的是將地面控制點的坐標、方位角和高程，通通過豎井傳遞到

23、地下去，以保證新增工作面隧道開挖的正確貫通。根據(jù)地面上已有的控制點把豎井的設計位置放樣在地面上。豎井開挖過程中，其垂直度靠懸掛重錘的鉛垂線來控制，開挖深度用長鋼尺丈量。當豎井開挖到設計深度，并根據(jù)概略掘進的中線方向向左右兩翼掘進約10m后，就必須通過豎井聯(lián)系測量將地面控制網(wǎng)的坐標、方位角和高程精度地傳遞到井下，為隧道施工測量提供依據(jù)。5.1 方向法一井定向 在豎井中自由懸掛兩根鋼絲線，下端掛上510kg的重錘，重錘浸在有適當粘稠度的油桶里，帶懸掛鋼絲線的重錘的擺幅穩(wěn)定后，即可進行觀測。一井定向有多種測量方法，現(xiàn)在就介紹方向線法。如上右圖所示，利用圖的洞外控制點3,4測設出位于豎井附近的K，L兩

24、點，使其連線KL位于隧道中線上；將經(jīng)緯儀安置在K點，在KL方向上且距豎井邊緣35m處a，b兩個樁位；將經(jīng)緯儀安置在a點，照準b點，先使較遠的一根鋼絲通過移動對中板使之嚴格的位于視線上；用同樣的方法，調(diào)整較近的一根鋼絲，再準確量出兩鋼絲間的平距l(xiāng)1和a點至鋼絲的平距S1，利用a，b點的坐標和S1可以計算出右邊懸吊鋼絲的坐標。在井下，用拉線的方法在距離鋼絲吊垂線510m的位置粗略確定四點c，d，e，f的位置并埋設好點位，在f點上安置儀器，用逐漸趨近法移動儀器，使儀器視線與兩吊垂線嚴格位于同一豎直面內(nèi)，旋緊儀器連接螺旋，將該方向投影并標志到預埋的c，d，e點位上，而f點的準確位置通過經(jīng)緯儀的光學對中

25、器將其投影下來確定，則c，d，e，f點的連線即為隧道中線。量出井下兩根鋼絲的平距l(xiāng)2及圖中的平距S2，S3，S4，S5，要求l1與l2之差不超過1mm。利用右邊懸吊鋼絲的坐標及ab連線的坐標方位角可以計算出c，d，e，f點的坐標。在一井定向測量中，鋼絲的穩(wěn)定對保證定向的精度非常重要。為了提高照準精度，減少吊錘擺動的影響，可在兩吊垂線后各橫置1mm分劃的直尺，輔以燈光照明，觀測吊錘的擺動的振幅，然后取平均位置作為標定方向。5.2 使用陀螺經(jīng)緯儀傳遞方位角如上右圖所示，在地面豎井附近的洞為控制點4上安置陀螺經(jīng)緯儀，在豎井中懸吊一根鋼絲，測出4點至鋼絲的真方位角，量出平距Sm，即可算得懸吊鋼絲的坐標；在井下q點安置陀螺經(jīng)緯儀，測出q點至鋼絲的真方位角，量出平距Sq，即可推算出q點的坐標；再測出j點的方位角和距離Sj,即可推算出j點的坐標。采用陀