论隧道横向贯通误差的分析和研究
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摘要：本文结合多年来对轨道交通工程施工测量的经验，提出适合城市实际情况的提高隧道横向贯通精度的有效办法，对长隧道施工横向贯通误差进行理论分析，探讨影响长隧道横向贯通误差的各种影响因素，针对不同的因素研究减小影响的技术手段和办法，对长隧道建设和施工具有参考意义。
关键词：贯通误差；联系测量；陀螺经纬仪
0 引言
随着城市交通的不断发展，大型交通工程由于建设区域已有建（构）筑物或受地形条件的限制所需要建设3Km或更大长度的长隧道，在上海等软土地基地区一般采用盾构法施工。采用盾构掘进的长隧道一般在区间两端预建进（出）洞口，盾构机从出洞口出发，通过地下导线测量指引方向沿着设计轴线掘进至预建进洞口进洞，施工至进洞口处时盾构中心与进洞口洞门中心的横向偏离值即为隧道横向贯通误差。隧道施工过程中的诸多环节都对隧道贯通产生影响，分析隧道施工的工艺和流程，对隧道贯通误差产生直接影响的环节具体包括以下几个方面：地面控制测量、地面控制传递到地下的联系测量、地下导线控制测量、地下盾构施工和隧道盾构进洞洞口的施工，因此隧道横向贯通误差来源应包括地面控制测量引起的误差、盾构出洞口处联系测量引起的误差、地下导线控制测量引起的误差、隧道施工引起的误差和进洞口洞门中心的施工误差。对于长隧道而言，地下导线的起始方位角和地下导线的测量精度是诸多影响中的最重要的因素。本文结合长江隧道施工测量的经验，对长隧道施工横向贯通误差进行理论分析，探讨影响长隧道横向贯通误差的各种影响因素，并针对不同的因素研究减小影响的技术手段和办法。
1 隧道横向贯通误差分析
隧道横向贯通误差的影响因素可以分为两类，一类是与隧道长度无关或关系不大的因素，主要包括地面控制测量、隧道施工、进洞口洞中心坐标测量等。另一类是与隧道施工长度相关，且其影响随隧道施工长度增加而增加，其中包括盾构出洞口处联系测量和地下贯通导线测量。
1.1 与隧道长度无关或关系不大的因素引起的误差
1.1.1 地面控制测量引起的误差
为确保满足隧道施工精度要求，一般在隧道施工区域按二等平面控制网精度和GPS技术布设地面控制网。地面控制网一般由6-9点组成，包括在隧道进、出洞处地面各布设的1组控制点（每组可由2-3控制点组成，特别在出洞口处应布设3点，以方便检验控制点的稳定性），另联测2-3点隧道建设区域已有控制点，地面控制网可以采用多台双频GPS接收机全网同步GPS静态观测或分时段组网GPS静态观测，按照目前的软硬件状况，长时间连续采集数据布设的GPS控制网，其控制点点位精度可达到毫米级。由于静态GPS相对定位布设平面控制网在一定的尺度内例如15KM以内精度均匀，因此，可以认为地面控制测量对隧道横向贯通误差的影响对长、短隧道基本一致。在误差分析时保守估算，地面控制测量对隧道横向贯通误差的影响应小于±10mm。
1.1.2 隧道施工引起的误差
盾构按照地下导线控制测量成果进行定位和定向，由于机械、操作等各种因素的影响会产生隧道施工误差。经验估计，隧道施工引起的误差可控制在±30mm以内。
1.1.3 进洞口洞门施工引起的误差
进洞口洞门施工应以首级控制网作为坐标控制的依据，由于在进洞口附近布设有地面控制点，因此，洞门中心横向误差一般可控制在±10mm。
1.2 与隧道施工长度相关的因素引起的误差
隧道盾构掘进必须按照地下导线的指引前进，因此，实现对盾构的引导首先需进行把地面控制基准（坐标和方位）传递到地下的联系测量，再采用导线测量的方法在已掘进隧道区域布设地下支导线，这两个环节都对隧道横向贯通误差产生影响。
1.2.1 盾构出洞口处联系测量引起的误差
联系测量的目的是把地面的控制基准传递到地下，包括坐标和方位角。联系测量方法可分为直接传递法和间接传递法两大类。直接传递法是在出洞口大开挖情况下，隧道出洞口处布设的控制点可以较长的后视距离直接与地面首级控制点通视，此时，地下导线起始边即位于地面首级控制网，地面控制和地下导线融为一体，是最理想的情形，其坐标和方位角精度即为地面控制网精度。在不具备直接传递法条件下可采用竖向导线、投点仪法及竖井联系三角测量方法等间接传递法。竖向导线法是沿着出洞口开挖井壁从上往下布设导线，通过导线测量把地面控制基准传递到地下。投点仪法是利用投点仪直接把地面控制基准传递到地下。竖井联系三角测量法是用垂直悬挂的三根钢丝把坐标和方位角传递到地下。三种间接传递方法中，竖井联系三角测量法精度较高，其坐标传递精度一般可优于±5mm，方位传递精度可达到±2～3"。联系测量应在盾构掘进的不同阶段多次重复，一般不少于三次，即在掘进100～200m时、掘进到整个隧道的1/3处和贯通前的100～200m时。
由于地下导线一般呈直伸形状，因此，导线起始边方位角误差直接影响地下导线终点的横向误差，且其影响与地下导线长度（隧道长度）呈正比。
1.2.2 地下导线测量引起的误差
地下导线对贯通测量误差的影响主要是由角度测量误差引起，边长测量误差对地下导线横向误差影响较小。
2 减少隧道横向贯通误差的办法
有上面的分析可见，对隧道特别对长隧道横向贯通产生影响的各个环节中，地下导线测量和联系测量是两个最重要的环节。因此，要提高长隧道横向贯通精度，必须在地下导线测量和联系测量环节下功夫。
2.1 对于联系测量而言，最有利的是采用直接传递法，直接传递时可以忽略联系测量对横向贯通误差的影响，应尽可能创造条件采用直接传递法。不具备直接传递法条件时，则选用竖井联系三角测量方法，它是精度较高的一种方法。可以通过在不同施工时期多次复测的方法提高坐标和方位传递的精度和可靠性，达到减少隧道横向贯通误差的目的。
2.2 对于地下导线测量而言，由于只能采用支导线法测量，而支导线测量最大的缺陷是测角误差的累积，实践表明可以采用陀螺经纬仪方位角测量方法以提高支导线测量精度及其可靠性，从而达到减少隧道横向贯通误差的目的。在GB50308-2008《城市轨道交通工程测量规范》中规定：“贯通面一侧的隧道长度大于1500m时，应在适当位置、通过钻孔投测坐标或加测陀螺方位角等方法提高控制到导线的精度。”目前精度最高、稳定性最好的陀螺经纬仪，在稳定条件下寻北精度可达到±3"。对于采用TC2003、TCA2003全站仪,多测回测量测角误差达到±0.7"的高精度支导线而言，离起点较近时，支导线测量方位角精度明显高于陀螺经纬仪测定的方位角精度，在离起点15条边左右时支导线测量方位角精度与陀螺方位角精度相当。当超过15条边后陀螺方位角精度将逐步高于支导线测定的方位角精度，因此，对于长隧道施工支导线测量时，可加以测高精度陀螺方位角，采用固定陀螺方位角的方法进行导线平差，达到提高导线点和导线边方位角精度和可靠性的目的。
由于高精度陀螺经纬仪价格昂贵，陀螺方位角测量费时费力，很容易造成返工且精度受到限制，因此，必须合理选择陀螺方位角测定的时机，经研究表明，如果n设为地下导线的总边数，则在第n/2、2n/3和5n/6条边上加测三个陀螺方位角是最经济且最有效降低导线测量横向误差随导线长度的增加而积累的方法。随着城市建设步伐的加快，地铁建筑在大城市的兴起，便产生了自动陀螺经纬仪，这是能够自动确定测站的子午线方向（陀螺北方向）和测线的陀螺方位角的仪器。而将自动陀螺仪系统使用到地铁工程中，就极大地提高了隧道联系测量的精度，确保地铁隧道的准确贯通。特别是在较长的地铁隧道中，使用自动陀螺仪进行联系测量将地面坐标和方位传递到隧道洞内，保证长大隧道的准确贯通，其优势极为明显。
3 结束语
长隧道盾构掘进施工已在近8KM长度的长江隧桥施工中取得了成功的经验，在其施工过程中，高精度的测量控制技术是其成功的重要保障，对于如此规模的长隧道施工而言，必须采用有效措施减小各种因素对隧道贯通误差的影响。具体方法如下：
3.1 隧道贯通误差随着隧道长度的增加而加大的主要原因是地下导线的起始方位角影响和地下支导线测量的影响，两者都与隧道施工长度的增长而加大，因此，要减小隧道贯通误差，必须在减小起始方位角误差和提高地下导线测量精度上下功夫。
3.2 应创造条件采用直接传递法把地下导线的起始方位融于地面控制网，实现最大限度降低地下导线起始方位角对贯通误差的影响。在不具备直接传递法条件时，竖井联系三角测量方法是提高地下导线起始方位角精度的有效方法。
3.3 提高长隧道地下导线精度的有效方法是在地下导线的一定位置加测高精度陀螺方位角，减小地下支导线测角误差积累，提高地下导线的横向精度从而达到降低隧道横向贯通误差的目的。
参考文献：
[1]《城市轨道交通工程测量规范》GB50308-2008
[2]沈志明等.Gyromat2000陀螺经纬仪的应用[J]海洋测绘 2006.26(5)
[3]于来法.《陀螺定向测量》[M]. 北京:解放军出版社，1998年
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