公路隧道施工测量误差及精度保证措施

□□ 王宏伟 (甘肃公航旅路业有限公司，甘肃 兰州 730030)

引言

近年来，隧道施工由原来的大包模式转变为劳务管理模式，所有的技术问题都出自项目部，工人以劳务形式存在，这需要项目管理人员的思想转变，尤其是隧道测量人员，由以前的只管隧道控制点复核转变为各道工序的放样，测量人员的放样及监控量测工作直接影响着工程的成本及安全。因此，公路工程隧道施工过程中的测量误差与精度控制显得尤为重要。

随着隧道施工越来越规范，施工质量检测越来越严格，以前的施工做法已不能采用，所以施工的利润必须从施工过程控制中解决，优秀的测量人员能够控制好超欠挖，不仅影响成本、还影响着工程进度，如超挖后出渣量、喷锚混凝土、二衬混凝土等人力、物力、机械成本增加，如欠挖需人力或者机械清运，若加以补炮的话，更易形成超挖，既影响工程进度又增加成本，所以隧道施工控制好超欠挖是实现工程质量、工程进度、经济效益最重要的环节[1-3]。

当前高速公路隧道施工监控量测交由第三方监控实施，由于第三方监控数据不及时、不规范，只反应有没有下沉或者收敛，无法现场指导施工，这就需要现场的测量人员实时进行监控，根据监控量测数据指导施工及调整二衬施工最佳时间，调整预留沉降量从而达到节约成本的目的。监控量测反映了围岩的变化情况，为后续能否施工或加强施工提供第一手资料。所以，隧道监控测量是指导隧道施工安全的第一道防线[3-6]。因此，针对隧道测量所对应的工程控制网复测、洞内导线加密测量和复测、隧道断面开挖放样、隧道初期支护放样、隧道监控测量、二衬施工测量、内业资料计算等工作，研究隧道施工过程中监控测量的误差及精度保证措施，对施工质量、安全以及成本的控制尤为重要。

1 公路隧道施工测量误差分析

一般而言，公路隧道工程施工测量时，测量精度会受到多种因素的影响，会导致测量结果与工程情况存在一定的误差，导致最终的计算和复核出现偏差。总的来说，公路隧道工程施工测量的误差受到控制网布设、外界因素、测量仪器、以及观测者技术水平等因素的影响，从而给测量结果带来不同程度的测量误差[3-8]。在施工测量过程中，测量的准确性与精确度一直以来都是测量工作的重中之重，但是测量误差却无法避免，任何一次测量都会伴随着测量误差的出现进而导致最终计算结果的失真。综合对比分析工程测量误差的来源，发现导致产生测量误差的主要原因有以下两个方面，进一步的分析有助于测量误差的消减。

1.1 控制网布设

公路隧道控制网的布设对于整个隧道工程的测量工作尤为重要。制定控制网方案的主要依据包括施工现场诸如水文情况、地形地势等资料的调查与收集，施工时竖井、斜井以及平行道坑的设计与布设等[2-7]。为了符合公路隧道工程的相关要求，布设控制网时需要考虑与现场环境所匹配的测量仪器类型，并分析对应条件下按照此方案布设控制网的可行性与精确性，进一步调整和优化原设计，以提高控制网精度及其与现场环境的锲合度。此外，在公路隧道工程的测量过程中，对于隧道洞口水准点的数量、布置方式等均有不同程度的要求，起算边长在中线放样测量、隧道洞外控制点联测、公路隧道洞内导线测设以及洞内传算等流程中的长度与位置要求，都对测量的精度有不同程度的影响。

以导线网环测量方案为例，简要说明控制网布设在公路工程隧道施工测量中对测量精度的影响。如图1所示，为不同的导线网环测量方案。

图1 不同的导线网环测量方案

图1(a)所示为仅有必要起算点与起算边的多边形导线闭合环锁，图1(b)所示为两端有附合点与附合边的多边形导线闭合环锁。在采用图1所示的导线网环测量时，导线点位置的选择极其重要，需要兼顾施工过程中测量放样与精确测量的要求。该方案的优点是测量过程的选点与补网相对比较灵活、自由，能很好地适应现场的地形，且在同1个测站上面的观测方向比较少，易于通视[5-11]。然而，缺点也是显而易见的，由于导线网环的控制面积相对较少，测量时的图形强度比较弱，而且在缺少高等级、高质量、高精度的控制方向作为测量的闭合条件时，狭长形状的导线网环端点的横向误差“摆动”较大，导致测量误差的积累和放大，从而致使测量精度降低。

因此，控制网的布设是公路隧道工程施工测量过程中的关键环节，在整个施工建设中发挥着重要的作用，其关系到隧道正常贯通时的贯通误差与精度，需在施工与操作过程中提高控制网布设的精度。

1.2 外界因素与观测水平

公路工程隧道测量过程中所使用的仪器和设备是导致测量误差存在的重要原因之一[6-9]，任何设备的精确度都有一定的限制，不能保证每台仪器的精确度都达到100%，从而导致了公路工程隧道的施工测量会产生不同程度的测量误差，进而导致了测量结果精确度不高，这类误差统称为系统误差，其出现频率和发展程度是随着测量过程的进行而出现的。如在使用以cm为刻度的普通水准尺进行水准测量时，就很难保证<1 cm的测量结果估读的准确性。因此，选择与施工现场条件所匹配，并符合工程精度要求的仪器，对于控制测量误差，减小测量结果计算时由于仪器设备造成的误差尤为重要。

公路工程隧道施工过程中，工程测量受到外界环境变化的影响，在很大程度上决定了测量结果的精确性，如施工现场的地形条件、现场风力与风速条件、测量过程中的光线、现场温度变化、以及仪器周围的机械与车辆震动等的影响[8-15]。首先，施工现场的地形条件并非一成不变，往往不同的项目其地形条件差别较大，甚至是同一公路隧道项目不同施工阶段的地形条件不尽相同。施工现场地形条件的变化，对于测点布设、仪器架设、前后视读数等都有较大影响，尤其是测点周围恶劣地形条件对于测量精度的影响，更会导致测量误差进一步的加剧。其次，风力和风速对仪器设备稳定性的影响，也会导致测量误差的存在和累积，较强的风力甚至会带动周围浮土和沙尘的运移与搬迁，进而导致观测视线受阻，测量精度降低。再次，测量过程中测量设备的工作大多都是基于适宜的光线条件，尤其是光学测量器件对光线的要求更为严格，天气变化、现场设施遮挡、隧道洞内外光线差等，会使得大气折射产生，导致测量出现较大的误差，主要体现在读数偏差方面。此外，测量设备的部分元器件对温度变化比较敏感，处于高低温交替与大温差循环环境中的公路隧道工程，施工过程中测量的精确性则比温度较为稳定的环境中低的多。如测平仪中的水准气泡很容易受到外界温度的变化影响，导致仪器架设时调平过程产生偏差，进而导致测量误差。最后，除了上述环境因素外，施工现场运行的施工机械与通行的施工车辆所产生的常幅与变幅震动，对测量仪器的稳定性与工作性能均有较大影响，测量误差也会由此产生。

另外，仪器操作人员由于自身专业知识、操作水平、测量经验、鉴别能力、估读习惯等方面的差别，会导致读数误差的产生[10-16]。加之自身工作态度与工作环境的区别，会进一步加剧操作过程中测量误差的发展与累积。

2 公路隧道施工测量误差估算方法

目前公路工程隧道洞外控制测量的主要布网类型有GPS网、导线网以及三角网。而GPS网由于测量方便、观测便捷、相对精度较高等优点，为大多数工程所采用。当公路工程隧道的洞口地形条件相对复杂，布设GPS网难度较大时，一般采用混合网布设形式。因此，结合常见的误差估算理论，以洞外控制的导线测量为例，简要介绍公路隧道工程在施工过程中的测量误差估算方法，为工程中隧道测量的误差估算提供借鉴[17]。

公路工程隧道测量时洞外控制的导线测量工作原理如图2所示。其中，AB1234CD为隧道洞外控制测量导线，A与D均为洞口控制点。

图2 洞外控制导线示意图

结合工程测量过程，设导线的测角误差为rα，对应的测边误差为rl，公路工程隧道测量过程中的进出口联系边对应的方位角误差分别为rβ1和rβ2。假设隧洞贯通后，由D点联测至贯通点N，则对应的N点坐标见式(1)：

(1)

对(1)式进行微分运算，可得过程中具有独立观测值li与βi的计算式(2)：

(2)

因此，依据误差传播定律可得式(3)：

(3)

为便于后期误差分析与估算的方便，定义两个表征测边与测角误差导致测量过程中横向贯通误差的参量ryl2、ryα2，其表达方式见式(4)：

(4)

将(4)式代入(3)式可得式(5)：

(5)

因此，当洞外控制采用导线测量时，测量方式导致的贯通误差见式(6)：

(6)

式中，rl/l——测量过程中导线边长相对中点的误差；

Rxi2——各个导线的中点到隧道贯通面距离的平方和；

dyi2——导线的每一边投影于贯通面后，所对应的长度平方和；

lA——与表示洞口控制点A与贯通面之间的距离；

lD——与表示洞口控制点D与贯通面之间的距离。

根据图2所示的导线控制原理图以及实测得到的公路工程隧道贯通过程中的各个参数，即可依据式(6)大致估算测量误差。

3 公路隧道施工测量精度保证措施

3.1 工程控制网的复测、洞内导线加密测量及复测

首先进场后进行设计院交接桩，进行临标联测及各洞口局部控制网点的加密埋设工作，联测时与临标沟通好，采用某个控制点作为永久点控制点不参与平差。洞口利用双导线布网形式进行控制点加密和测量，采用全站仪进行导线边角测量，测角精度和测回数严格按照要求施测，对不满足要求的必须重测，平差后结果及精度符合测量要求。按照仪器精度及施工现场情况，在进洞口、有仰供地段埋设了永久控制点，约150～200 m设置1个永久控制点。

3.2 隧道断面开挖放样

采用设计图纸，考虑预留沉降量、喷射厚度、钢拱架大小放出开挖轮廓线。对于开挖按照围岩情况，随时调整开挖轮廓线，以更改爆破参数、装药量、周边眼间距控制超挖。掌子面开挖放线等同于Ш级围岩光爆，点位间距在40～50 cm之间，在掌子面画出轮廓线。一般采用后方交会放样，控制点在已完初支断面上，由于开挖放炮、施工机械破坏、沉降及收敛等原因，必须两个循环后进行复测后再使用。后方交会设站时考虑两控制点离仪器距离大致相同，且夹角控制在30～120°之间。

3.3 隧道初期支护放样

初期支护放样前按照设计图纸围岩类别加工钢拱架，充分考虑预留沉降量、喷射混凝土厚度、二衬台车外放5 cm等情况，加工完的钢拱架再进行试拼，试拼完毕断面轮廓满足要求才可以再生产。按照开挖支护方式加工钢拱架，支护放样同样采用后方交会法，两交点角度≮30°且≯120°，每隔10～15 m按照洞内永久控制点支导线测设。支护放样时固定一个高度在已经支护好的拱架上和掌子面喷点，一般离拱脚1 m(按照仪器通视情况可调节)的位置，以方便工人操作，然后在钢架连接板下20～30 cm的位置左右各放1组控制点，最后在隧道中心放1个内弧控制点。

拱架位置放完点后，计算出点位的超欠挖(+超，-欠)，用喷漆喷在点位旁边，然后在掌子面放跟拱架点位同样偏距的点位，两两对应连接就是拱架内弧。拱架必须坐实牢固，不可随意抬高拱架致使断面轮廓扩大。按照测设里程，调整拱架间距，如是从大里程往小里程施工，选取桩号最大点或者平均桩号点为基准点。

随时注意机电设施预留预埋设计图纸，在本循环有没有预留预埋，有些预埋件由于二衬设计厚度，必须侵入初支，在喷锚时留出此位置。安全问题，测量人员放线时必须是机械已经排完险，开挖台车已就位，人工排完险，由于测量仪器精度、洞内粉尘多、掌子面岩石颜色等原因，有时激光无法显示数据，需测量人员去掌子面用反光片进行测量。

3.4 隧道监控测量

监控量测工作是隧道施工安全最重要的一道防线，按照围岩情况，V级围岩每20 m设置1个断面监测点，Ⅳ、Ⅲ级围岩每30～50 m设置1个断面监测点。此项工作的难点在于围岩监控观测点的埋设和保护，围岩监控观测点的埋设要和掌子面的进度保持一致，利用开挖台车进行布设，还需要现场施工人员密切配合，才能做好。洞内围岩监控观测点的保护是此项工作难中之难。洞内施工比较复杂，主要是掌子面放炮和各种机械作业经常破坏点位，其次是初喷污染观测点反光片，这些都会导致围岩监控的数据不准确、不及时。

3.5 二衬施工测量

二衬台车进场后进行拼装，拼装完毕由测量效验台车断面轮廓，断面轮廓达到施工要求。初支断面经过监控量测稳定后或者开挖达到临界安全步距时，二衬进行施工。前期是仰拱施工完毕。仰拱施工放样主要是开挖放线、仰拱填充面按照横断面放线，钢板止水带放样。一般在二衬台车的中心线下来10 cm或20 cm位置贴1个反光贴，在初次台车定位时使用2台全站仪两面进行定位，隧道中心直接看反光贴的十字丝，加上相对的高度。定位时先保持台车的大横梁处于同一高度，然后左右同升同降，当中心位置定位完毕，靠近已完二衬模板必须紧靠，然后在校边模，边模校完1遍后用顶丝进行加固。全部定位完毕再回头看看中心点，以免在加固过程中移位。

台车在走行过程中，由于线路纵坡的原因，会出现断面不是同一桩号。技术人员在编制每模起始桩号时要充分考虑预埋件的位置，预埋件离开板缝1.5 m以上，如果预埋件正好在板缝，建议移动预埋件位置或者缩短该板二衬长度。二衬施工按照永久控制点支导线放样，原则上不允许后方交会法放样。根据初支断面资料，在不影响二衬厚度的情况下，断面轮廓比设计轮廓线扩大5～10 cm，以降低二衬混凝土量，节约成本。

4 结语

公路工程隧道施工过程中的测量工作关系到隧道施工质量与贯通误差，对于隧道全寿命周期的维护与研究具有重要意义。本文基于公路隧道工程施工过程，总结了影响其施工测量误差的因素，包括控制网的布设、施工现场的地形条件、现场风力与风速条件、测量过程中的光线影响、现场温度变化、以及仪器周围的机械与车辆震动影响、观测水平等。结合常见的误差估算方法与相关研究理论，以洞外控制的导线测量为例，介绍了公路隧道工程在施工过程中的测量误差估算模型的建立过程，为工程中的误差估算提供了方法。从工程控制网的复测、洞内导线加密测量及复测、隧道断面开挖放样、隧道初期支护放样、隧道监控测量、二衬施工测量等方面详细介绍了公路工程隧道施工测量过程中的精度保证措施。本文的研究，对于公路工程隧道施工测量的误差分析、估算以及施工测量精度保证措施的研究，具有一定的参考与借鉴意义。