0 引言

　　近年来，城市发展不断朝地下空间的利用方向转移，城市地铁、地下管廊、污水深隧等长距离隧道工程越来越常见。由于地下空间有限、施工环境差，长距离隧道贯通误差很难保证，因施工控制偏位导致隧道无法顺利贯通的案例屡见不鲜。因此在长距离隧道施工测量过程中，从地面控制测量到联系测量再到地下导线，每道工序都需要高于测量规范要求的精度才能满足工程顺利贯通的要求。

　　为节省工程总造价，大东湖深隧工程竖井设计具有断面小、间距远的特点，导致盾构隧道面临定向边短、区间距离长、隧道断面小等影响测量精度的不利因素。通过贯通误差预计发现，传统测量方法难以满足精度要求，因此积极研究了一套系统的方法来提高各工序的测量精度:(1)通过激光投点和传统吊钢丝相结合的办法，提高联系测量精度;(2)通过使用虚拟双导线法让隧道内支导线形成闭合导线平差，提高地下导线的精度。上述方法克服了短定向边带来的不利影响，保证了工程的顺利贯通，是一套简单易操作、值得推广的提高长距离隧道贯通精度的方法。

　　1 工程概况

　　大东湖深隧工程是武汉市“四水共治”重点项目，该工程位于武汉市大东湖核心区，主隧工程采用盾构法施工，共有9个区间，平均掘进长度超过2km。以工程3号—1号区间为例，该区间全长3 657.937m(起点桩号K0+004.563，止点桩号K3+622.5)，曲线总长734.727m，最小转弯半径300m，盾构成型隧道内径3.4m，平均埋深30m，始发3号竖井尺寸仅11m×49m。对比常规地铁隧道长度1～2km、内径5～8m、埋深10～20m，始发井长100～300m，本工程有着隧道距离长、深度大、空间小、定向边短等特点。

　　由于竖井空间有限，本工程无法使用导线直传，只能通过一井定向联系测量向地下引测控制边，即用49m的井下始发定向边来控制3.6km的隧道掘进方向，加之隧道内径只有3.4m，隧道内导线无法铺开布设成控制网，对施工测量是非常大的挑战。

　　2 误差分析

　　根据式(1)误差传播定律，隧道贯通误差主要受地面控制网精度、联系测量精度、地下控制网精度3个因素影响。其中地面控制网有充足的多余观测数量，精度比较容易控制。联系测量无论是一井定向还是两井定向由于条件的限制，多余观测数量非常少，对于平差非常不利。地下控制网也是如此，隧道内支导线测量基本没有多余观测，抗粗差能力非常弱。因此为了提高隧道贯通精度，降低长距离隧道贯通偏位风险，必须要想办法提高联系测量与地下控制网的精度。

　　

　　 

　　式中:m为贯通误差;m_上为地面控制网误差;m_联为联系测量误差;m_下为地下控制网误差。

　　由于地下控制网一般布设成等边直伸型，横向贯通误差主要由测角误差引起，方位角误差对横向贯通误差的影响按式(2)推算:

　　

　　 

　　式中:m_q为横向贯通误差;m_α为方位角误差;L为隧道长度;ρ为常数20°62'65″。

　　根据GB50026—2007《工程测量规范》，由表1可知竖井联系测量影响横向贯通误差量为25mm，按照本工程3.6km隧道推算，联系测量的方位角误差需<1.4″，然而竖井长度只有49m，传统联系测量难以达到此种精度，需要采取其他提升精度的方法。

　　洞内控制测量对横向贯通误差的影响限值为35mm，同样主要由测角误差影响，当导线布设成直伸支导线时，测角误差引起的横向贯通误差按式(3)推算:

　　

　　 

　　式中:m_q为横向贯通误差;m_β为测角中误差;n为控制网边数;L为隧道长度;ρ为常数20°62'65″。

　　  

　　表1 隧道控制测量对贯通中误差影响值的限值 

　　 

　　 

　　

　　表1 隧道控制测量对贯通中误差影响值的限值

　　按照上式推算，本工程隧道长度3.6km，控制网边数为18，隧道为达到35mm横向贯通误差精度，需要测角中误差达到0.8″。按照经济适用原则，本工程使用的徕卡TS15全站仪，测角中误差为1″，达不到精度要求，因此为保证隧道的顺利贯通，需要采取其他提升精度的方法。

　　3 精度提升方法

　　3.1 激光投点和钢丝协同联系测量

　　3.1.1 精度提升原理

　　为提升联系测量的可靠度，本项目使用了激光投点和钢丝协同联系测量来相互检核，有效提高短定向边的投点精度。使用DZJ2激光投点仪(见图1)，仪器向上一测回垂直测量标准偏差1/45 000,50m高差投点标准偏差1mm左右，投点精度非常高。传统钢丝联系测量只能通过反射片测距来推算坐标，其精度非常容易受外界因素影响;激光投点可以使用棱镜对中来直接测量投点坐标，点位精度非常高，两种方法相互检核，根据误差传播定律，取两种精度相当的测量方法结果的算术平均值，能使最终结果的精度提升1.4倍左右。

　　

　　图1 激光投点仪联系测量原理  

　　 

　　3.1.2 操作方法

　　1)在地下待测点上架设激光投点仪，打开激光对中整平。要注意在地下待测点布设时，要先通过吊丝的方式确定待测点与地面是否通视，有无干扰。

　　2)打开激光发射器开始调焦，使地面接收玻板上的激光点最小，点越小越方便棱镜对中。调整好以后旋转投点仪观察光点在玻板上的移动轨迹，如果旋转过程中偏移过大，应该重新检查投点仪的整平情况。

　　3)测量地面投点的棱镜按照精密导线的要求测量4个测回角度和距离，并在投点仪0°，90°，180°，270°4个方向上独立观测4组取其平均值作为最终结果。

　　4)激光投点法坐标可以直接通过近井点支导线计算得出，两井定向法计算同无定向导线，两结果取加权平均作为最终成果。

　　3.1.3 数据对比

　　在大东湖深隧工程3号—1号区间中，联系测量采用激光投点与钢丝联系测量两种方法，某次联系测量两种方法的测量值如表2所示。

　　对比两组数据发现钢丝法测量两未知点3L₁与3L₂方位角与激光投点法相差17″，差值较大，如果按照最不利的情况推算3.6km隧道横向贯通误差将达到300mm，所以不符合要求，必须重新测量。重新测量结果与激光投点法更加接近，因此施工过程中采用了第2次激光投点法和钢丝法的平均值。隧道贯通后，贯通误差测量结果方位角闭合差为6″，如果施工时没有采用激光投点法检验联系测量结果，直接使用有问题的钢丝法测量数据，将会导致23″的方位角误差，按照3.6km推算最大横向误差400mm，这将会导致盾构机无法通过洞门钢环，隧道也无法贯通。因此认为在隧道竖井联系测量中加测激光投点，能够提高其投点精度，显著增加测量结果的可靠性。

　　3.2 虚拟双导线

　　3.2.1 虚拟双导线原理

　　对于本工程3.4m内径小直径隧道来说，将隧道内控制边布设成网的形式非常难以实现。虚拟双导线就是同一个控制点通过两组不重合的测量值，形成的虚拟闭合导线，即传统双导线的一种点位重合的特殊情况，理论上与传统双导线精度相当，优势在于减少了布点数量和布点难度，非常适合此种小直径隧道的地下控制测量。对虚拟双导线的观测，实际是对同一支导线进行独立的多余观测，最后将两组测量值形成的闭合导线平差，坐标成果取平均值将其合二为一(见图2)。

　　

　　图2 虚拟双导线原理  

　　 

　　3.2.2 虚拟双导线操作方法

　　3.2.2. 1 导线选点布设

　　1)由于虚拟双导线其实就是一条支导线，选点埋桩只需考虑一条线路，不受通视、组网、边长等诸多因素限制。需要注意隧道转弯处的合理安排，既要使洞内导线边长分布均匀，又要注意视线远离遮挡物0.2m以上，直线上在隧道两侧交替前进，防止旁折光的危害。

　　2)洞内导线点应布设为固定在管壁上的强制对中架，由于隧道内径小、空间狭窄，在转弯段布设地面控制点会导致可视距离非常短，无法满足精度要求。

　　3.2.2. 2 外业测量

　　1)在外业测量之前应先构建好虚拟双导线测站，防止测量时测站前后视混淆。

　　2)外业观测时注意调整好仪器和前后视的对中整平，记录数据现场计算，超限测站应立即重测。

　　3)观测时采用全站仪自带的多测回测角程序，避免人工测量时，因为观测偏差或者照明情况不好造成的粗差。

　　4)外业观测时应记录观测时的通视情况，方便后续计算出现问题时快速查找问题点。

　　3.2.2. 3 内业计算

　　内业计算方法、原理、技术指标等与传统导线计算一致，只在最终结果上需取加权平均。计算过程中若出现某一段角度观测值与前几期结果偏差较大，应该对该段的观测情况做分析，排除是否为旁折光造成的粗差。在本次工程中出现过因为管壁和送入空气温差较大，导致隧道管壁凝结水珠，从而造成光路偏折导致有一期某段导线测量数据与之前相差10″。后来通过新增导线点、改变导线线路重新测量的方法，消除了误差，避免了旁折光的危害。

　　  

　　表2 钢丝法与激光投点法数据对比 

　　 

　　 

　　

　　表2 钢丝法与激光投点法数据对比

　　  

　　表3 双导线法与虚拟双导线法数据对比 

　　 

　　 

　　

　　表3 双导线法与虚拟双导线法数据对比

　　3.2.3 数据对比

　　为验证虚拟双导线的可行性，大东湖深隧工程3号—1号区间布设了传统双导线，将其中一条导线按照虚拟双导线测量，对比最后一条边的方位角发现最终结果非常接近，如表3,4所示。可以认为虚拟双导线与传统双导线精度相当，能够为地下控制网提供可靠的方位角数据。

　　  

　　表4 双导线法与虚拟双导线法数据对比 

　　 

　　 

　　

　　表4 双导线法与虚拟双导线法数据对比

　　1)导线数据对比

　　对比上表数据发现，传统双导线法与虚拟双导线法即使在3.6km导线末端，其点位坐标相差也不超过10mm，方位角也非常接近，说明虚拟双导线法的结果非常可靠。

　　2)陀螺仪方位对比

　　本项目使用索佳GYRO XⅡ(定向精度为12″)的陀螺仪进行方位角精度检测(见图3)，如表5所示对比陀螺方位，验证了地下控制网的方位角精度非常可靠。

　　

　　图3 陀螺仪检测点位  

　　 

　　  

　　表5 双导线方位角与陀螺方位角数据对比 

　　 

　　 

　　

　　表5 双导线方位角与陀螺方位角数据对比

　　在导线中部和接近尾部的边加测陀螺定向边，对比数据发现，两条边的方位角检测结果均小于陀螺仪定向精度12″，验证了地下导线结果的可靠性。

　　3)结果分析

　　通过上述几个提高精度的方法协同作用，最终实现了隧道顺利贯通，实测3号—1号区间隧道方位角贯通误差为6″，可见提升精度的方法行之有效。

　　4 结语

　　通过大东湖深隧工程3号—1号3.6km超长盾构区间的工程实践，证明了激光投点与钢丝协同联系测量和虚拟双导线的可行性，有效提高了联系测量和地下控制网的精度，降低了短定向边长距离小直径盾构隧道贯通偏位的风险，值得其他类似工程借鉴参考。