水利工程隧洞测量方法

水工隧洞是水利工程建设中为满足导流、泄洪、灌溉、引水、排沙等需要修建的水工建筑物。按用途可分为引水洞，导流洞，泄洪洞，排沙洞，放空洞等。随着中、大型水利项目的开工，越来越多的长大水工隧洞被相继开挖，而测量工作是水工隧洞顺利贯通的重要保障。在设计阶段，要进行洞外控制网的布设；在施工阶段，要复核原有洞外控制网是否满足贯通要求，隧洞开挖时要布设隧洞内的施工控制网。目前，涉及水利工程隧洞测量的规范一般只对相向开挖长度介于0~20km的隧洞贯通精度进行了规定，如长度超出20km的隧洞则要求单独做控制测量技术设计，而新的《水利水电施工测量规范》（SL52-2015）对相向开挖长度0~50km的隧洞贯通测量极限误差值做出了明确要求，并对相向开挖长度0~50km的水工隧洞贯通中误差值进行了分配。本文根据水工隧洞测量新技术、布网新方法，就减小贯通误差影响进行了研究，并结合工程实例对新规范中贯通中误差值的分配进行了验证。

1、隧洞贯通误差

1.1、隧洞贯通误差的来源

目前，隧洞洞外平面控制测量一般采用GNSS网取代传统的导线网及三角形网，洞内平面控制测量一般采用导线网或边角网；洞内、洞外高程控制测量，一般采用精密电子水准测量或光电测距三角高程测量进行。隧洞测量时，由于受地面、地下控制测量误差的影响，使得隧洞贯通面的中线与设计产生偏移，即产生贯通误差。隧洞的贯通误差包括横向、纵向及竖向三个方向的贯通误差。按来源环境又分为洞外贯通误差及洞内贯通误差。纵向和横向贯通误差主要由洞外GNSS网误差、联系测量误差及洞内导线测量误差引起。其中，纵向贯通误差主要由洞外的GNSS网测量及洞内的测距引起，对工程贯通影响不大，也能较好地控制，本文不做分析。竖向贯通误差主要由采用精密电子水准测量时水准仪的精度、大气折光等因素引起或采用三角高程测量时的照准误差、折光系数误差及地球曲率影响引起，由于水工隧洞的特殊性，如竖向误差超出限差，会引起水流变缓或出现倒坡，导致隧洞的过流及承压发生改变，甚至使隧洞不能顺利贯通。横向贯通误差主要由洞外GNSS网测量、联系测量及洞内导线测量引起，主要误差有测距误差、测角误差、垂线偏差、对中误差及旁折光误差。其中，测距误差对横向误差影响极小，测角误差和对中误差对横向误差影响较大，隧洞的主支洞高差较大时，垂线偏差对方位角有影响，而气象因素引起的旁折光对控制网的横向误差也有一定影响。

1.2、隧洞贯通误差值得确定

一般情况，根据隧洞相向开挖长度（包括支洞长度）来确定横向、纵向及竖向相应的贯通中误差值的大小，最新的《水利水电施工测量规范》（SL52-2015）是国内首个对长度超过20km的隧洞贯通精度做出明确要求的规范，给出了相向开挖长度50km以下水利工程隧洞贯通容许误差值的分配。如相向开挖长度大于50km的隧道则需做专门技术设计。当在主斜洞内贯通时，纵向误差按横向误差值的大小确定，对于上下两端相向开挖的竖井，其极限误差值不超过±200mm。横向和纵向贯通容许极限误差取值相同，竖向贯通要求极其严格，极限误差值为横向及纵向贯通极限误差值的三分之一左右。进行隧道贯通测量设计时，一般取极限误差的二分之一作为贯通面上的贯通中误差。在《水利水电施工测量规范》（SL52-2015）中，根据隧洞相向开挖的长度，横向、竖向及纵向的贯通容许极限误差值和贯通测量中误差值按权函数法进行分配并做了适当的调整。地面、地下及贯通面的中误差分配值满足式（1）：M贯通面=±M2地面+M2地下如顾及联系测量时，则贯通面的中误差分配值满足式（2）：M贯通面=±M2地面+M2联系+M2地下

1.3、减小贯通误差影响的方法

对于洞外GNSS网，通过优化控制点布设、采用双频三星接收机、进行星历预报、增加观测时段、增长观测时间和利用精密星历解算等措施，可大大减小洞外GNSS网对横向贯通误差的影响。水工隧洞断面一般较小，测量时要面临高温、高压、高湿度及多粉尘的影响，洞内平面控制只能布设成边长短而狭长的导线网，测量时可通过增加照明度、通风降尘、保持仪器干燥、严格规范操作、增加检核条件等方法减小贯通误差影响。操作仪器时，每站限差检核合格后再搬站。为增加检核条件，洞内平面控制网可布设为洞内交叉双导线网或自由测站边角交会网；布点时尽量避开洞壁侧边，减小旁折光的影响。联系测量时洞外高等级控制点至少有一点与洞内通视，高差不要相差太大，定向边应有足够的长度，以减小洞内横向贯通误差的影响。为避免施工的影响，洞口的控制点应布置在不受施工影响的位置，并埋设强制对中观测墩。洞内导线点分别埋设贯通用的基本导线点和放线用的施工导线点，基本导线的边长应尽量的长且近似相等，施工期间应定期检核基本控制点的精度。当隧洞单向开挖长度大于8km时，加测陀螺方位角能减小横向误差的影响。光电测距三角高程观测时，采用对向观测，能有效的消除球气差的影响；往返测选取气象条件相近的时段进行，能削弱大气折光的影响。

2、应用实例

2.1、工程简介

蒙自市杨柳河引水隧洞工程位于蒙自市鸣鹫镇，地理位置为东经103°33′~103°40′，北纬23°25′~23°28′，隧洞全长9.88km，隧洞轴线平均高程1830m，洞内设计坡比1/1000，隧洞穿越区地形复杂，植被茂密，最高海拔2030m。云南省红河州水利水勘察设计研究院承担了该工程的勘察设计工作，通过该工程引水入菲白水库，为蒙自市城区供水提供保障。

2.2、洞外平面控制测量

引水隧洞坐标系统采用独立平面直角坐标系，投影面为隧洞平均高程面，中央子午线采用过测区中央的子午线103°35′。洞外平面控制测量采用GNSS测量，施测等级按三等进行，仪器采用南方测绘S82-T型GNSS双频接收机，静态标称精度为5mm+1ppm，满足《水利水电工程测量规范》（SL197-2013）要求的10mm+5ppm技术要求。洞外控制网布设在满足精度要求时主要考虑网型的可靠性，作业效率，施工阶段方便对洞外控制点的使用及联测。GNSS控制点选在土质坚实，视野开阔，远离高压线，便于加密、交通便利的地方。洞口控制点满足导线测量进洞引测需要，视线距障碍物的距离不受旁折光的影响。静态观测时，先检查接收机，进行仪器的自测试，每站记录测站名，仪器编号，天线高及观测时间等信息，同步观测时间长度大于90分钟。在GNSS控制网基线解算前，先进行外业数据质量的检查，再进行基线解算；基线解算合格后，进行无约束平差及约束平差计算；最后进行精度分析与评定。该工程根据地形条件采用边连式共布设12个GNSS控制点，网中共有32条基线参与平差计算，闭合环最大节点数为3个，闭合环总数32个，其中，同步环总数20个，异步环总数12个。二维网约束平差后最弱边相对中误差1/362607，精度满足《水利水电工程测量规范》（SL197-2013）中小于1/80000的要求；对于近10km长的隧洞，对贯通误差的影响值中误差为10km×1/362607=±28mm，小于规范要求的±30mm，且控制网中其它边的精度均高于最弱边相对中误差，因而洞外GNSS控制网对贯通误差影响值中误差要小于±30mm。

2.3、洞内平面控制测量

洞内平面控制测量基本导线布设为交叉双导线网，控制网的等级按三等施测，仪器采用徕卡TS09型全站仪进行，测角标称精度为1″，测距标称精度1.5mm+1.5ppm。观测时，角度至少进行2～3次重复观测，每次照准读数差小于4″；角度测回数为6个，一测回读数较差小于3mm；边长进行往返各2次测量，往返较差小于5mm，满足测角中误差小于1.8″，导线平均边长相对中误差小于1/150000的技术要求。洞内三等导线网横向贯通误差估算按下列公式计算：MY=±（m2Yβ+m2Yl）/n（3）其中：mYβ=±mβ/ρ∑R2xmYl=±ml/l∑d2y式中：mYβ———由于测角误差所产生的在贯通面上横向中误差，mm；mYl———由于测距误差所产生的在贯通面上横向中误差，mm；mβ———导线测角中误差，（″）；Rx，dy———导线各点至贯通面的垂直距离和投影长度，m；ml/l———导线边长相对中误差；n———独立测量次数。该工程为直线型隧洞，中误差估算时洞内平均导线边长按500m计，洞径为3m，设贯通面位于隧洞中间，采用交叉双导线对横向贯通的误差影响值可按单导线的1/2计，把数值代入上式计算得洞内横向贯通中误差为±52mm，小于规范要求的±75mm。从上面计算中可得，对于直线型隧洞，测距对横向贯通的影响可忽略，横向误差主要误差来源是测角的影响。如要减小测角引起的贯通中误差，可从增加导线边长、增加独立观测次数、采用更高精度测量仪器等方面进行。该工程在施工阶段，设计方对施工方进行了技术指导，并在临近贯通面时进行了洞内外控制点的复测、联测及统一平差，隧洞贯通时贯通面中误差小于规范容许值的要求。

2.4、高程控制测量

由于该工程地处高原、地形复杂，洞外，洞内高程控制测量采用三等光电测距三角高程测量代替水准测量。洞外测量路线满足交通便利、尽量利用平面控制点，洞内高程控制点与平面控制点共用。测量时，采用对向观测方法进行，以消除大气折光和地球曲率对高差的影响。平差计算时，要进行气象、边长投影、边长加乘常数等项改正。洞外，洞内高程测量误差对竖向贯通误差的影响按下列公式计算：Mh=±（m2h外+m2h内）（4）其中：mh外=±MΔL外mh内=±MΔL内式中：mh外，mh内———洞外、洞内高程测量中误差；MΔ———洞外、洞内每千米高差中数的中误差；L外，L内———洞外、洞内两洞口间的线路平距长度，km。该工程洞外高程控制测量平距长度为12km，洞内高程控制测量平距长度为10km，三等每千米高差中数中误差为6mm，代入上式得洞外竖向贯通中误差mh外=±20.8mm，洞内横向贯通中误差mh内=±19.0mm，竖向贯通中误差Mh=±28.2mm。其中，洞外竖向贯通中误差值稍大于容许值±20mm，但小于容许极限误差值±40mm，所以，洞外、洞内高程控制测量可用光电测距三角高程测量代替相应等级的水准测量进行。

3、结束语

水利工程隧洞贯通测量是按设计的要求，将洞外控制点引测至洞内，并按照贯通误差的估算，在建立地面和地下平面及高程控制网的前提下进行施工放线及指导施工开挖。由于采用GNSS技术，测量精度有了很大的提高，洞外平面控制点数量大大减少，使得洞外控制测量误差引起的贯通误差也相应减小。在严格控制洞外平面控制测量精度的前提下，洞内平面控制测量对于隧洞的顺利贯通起决定性作用。高程控制测量采用光电测距三角高程测量代替三、四等水准测量，在山区及复杂地形条件下能较好的提高工作效率。结合新规范要求在工程实例中进行水利工程长隧道误差值的估算，对隧洞贯通测量的技术设计及施工放样有一定的借鉴作用。