淺析水利工程隧洞洞內施工控制網的設計

張奇

水利工程建設中，隧洞的施工難度較大、精度要求較高，因此，必須對此進行專門的技術設計。本文對水利工程隧洞洞內控制網的設計，控制網觀測與數據處理及檢核進行了研究。

1 洞內控制網的網形設計

一般來說，水利工程建設施工中，洞內控制網可布設成單導線，雙導線，主副導線和導線網等各種形式。但對于水利工程隧洞洞內施工而言，洞內控制網應布設成狹長導線網。在進行水利工程隧洞的洞內控制網布設時，一定要使控制網具有足夠的檢核條件。不僅要有精度檢核條件，還應有可靠行檢核條件，還應注意減弱諸如旁折光之類的系統誤差的影響，為了保證洞內控制網的精度，必須設計出能對已測的洞內控制網的精度進行準確評定的方法：為保證不出現粗差，必須能通過多種路徑對洞內控制網的觀測和計算的準確性和可靠性進行檢核。洞內控制網的網行通常為線形交叉導線網。在直道處可布設成對稱交叉導線網，其圖形如圖圖1（a）所示；在彎道處應布設成單側交叉導線網，其圖形如圖1（b）所示。

洞內控制網的縱向邊長，在直道處主要受洞內觀測條件的影響，在彎道處主要受彎道的限制。根據洞內的條件，在照明條件良好的情況下，保證良好的觀測條件且視線不宜太長。在直道處的縱向邊長，根據各直道處的不同長度確定。在彎道處的縱向邊長，應根據隧道的直徑、彎道的半徑和導線網的網形確定。

根據上述設計原則，經計算即可確定隧洞內控制點的設計點位，進而進行洞內控制樁點的布設。

2 洞內控制網的觀測綱要設計

洞內控制網的觀測綱要設計主要內容包括測角中誤差和測距中誤差的確定與觀測指標的確定等。

2.1 洞內控制網的測角中誤差和測距中誤差的確定

當洞內控制網對隧洞橫向貫通誤差影響的允許中誤差MN確定后，在測距精度一般應與測角精度相匹配的原則下，測角中誤差和測距中誤差可按（1）式計算：

根據隧洞1和隧洞2洞內控制網對隧洞橫向貫通誤差的允許中誤差，利用上述計算方法算得測角中誤差和測距中誤差列于表1中。

2.2 洞內控制網觀測技術要求

當確定了洞內控制網的測角中誤差和測距中誤差之后，即可進行洞內控制網的觀測綱要設計。在觀測綱要設計時，由于角度測量和距離測量必然受到不利因素影響而使觀測精度降低，為保證觀測精度能達到預期要求，應從嚴設計，要留有一定的安全系數。根據這個原則，利用表1列出的精度指標，參照儀器的標稱精度，即可確定洞內控制網的觀測綱要。隧洞1和隧洞2的洞內控制網的觀測綱要列于表2中。

2.3 洞內控制網的布設與施測

洞內控制網樁點的設置洞內控制網的樁點標志應設置在帶有強制對中裝置的儀器臺上，儀器臺應通過鋁合金架（鋁合金架不對陀螺經緯儀產生影響）固定在洞壁上。儀器臺上方的洞壁上應設置照明裝置。直道處的導線點應對稱地設置在洞軸線兩側的洞壁上，以減弱洞壁旁折光的影響。兩個對稱導線點間的間距應用檢定過的特制鋼尺來量測，因此在直道段導線點的儀器臺上應增設量距裝置。

3 洞內控制網的觀測

在洞內基本導線網的角度觀測中，當方向數為2個時，應采用左右角觀測法；當方向數為3個或3個以上時，應采用全圓觀測法；邊長要進行對向觀測，要測量氣象元素，并進行氣象改正、乘常數與加常數改正以及傾斜改正；對稱點間距要用經過檢定的特制鋼尺進行量測，應往返量測各2次，往返測較差不應超過±1mm，并進行尺長改正、溫度改正和傾斜改正。洞內控制網的觀測技術要求見表2。

4 洞內控制網的計算與檢核

（1）為了保證洞內控制網的精度，必須對已測的洞內基本導線網的精度進行準確評定；為了確保不出現粗差，必須通過各種路徑對洞內基本導線網的觀測和計算的準確性、可靠性進行檢核。洞內基本導線網的計算必須采用嚴密平差進行。洞內基本導線網的計算和檢核應隨著基本導線網的向前延伸而逐次進行。每當基本導線網向前延伸一個環節，則計算和檢核就要進行一次，其具體做法和程序如下：

式中：mβ為測角中誤差；n為多邊形的內角數。

①對于直道段（如圖2），設基本導線網新增加一個環節BEFC，，這將新構成ABCE和BEFB兩個四邊形。通過對這兩個圖形的角度閉合差進行檢核，可以達到如下兩個目的，即：檢核B、E、C、F各站上的觀測角值是否存在粗差：檢核導線點A、B、D、E是否有位移。這是由于∠BAE和∠BDE均是前一個環節觀測的角度，若有位移，則必然引起相應圖形的閉合差超限。

②對于彎道段（如圖2），設基本導線網新增加一個環節HLJI，這將新構成GHIL，KLIH，HIJ等3個多邊形。通過對這三個圖形的角度閉合差進行檢核，可達到如下兩個目的，即：檢核H、L、I、J各站上觀測的角值是否存在粗差；檢核G、K、H、L各導線點是否有位移。

（2）檢查新測角與原測角（如圖1中的∠ABD與∠AED，∠CHK與∠GLK的較差△β）是否超限，其限差可按下式計算，即：

此項檢查的目的在于在圖形閉合差超限時，確定超限的原因是由于導線點位移，還是由于觀測角值存在粗差。

（3）檢查新增導線點的橫向點位精度。這項檢查可通過不同路線推算的點位橫向較差（△Yi）來檢查。點位橫向較差的限差可按下式計算，即

式中的mYi是與導線點樁號相應的橫向貫通中誤差的估值。

①對直道段（圖2），設基本導線網新增加一個環節BEFC，應通過DEF與ABF兩條路線推算F點的坐標，通過ABE與DEC兩條路線推算C點的坐標，并求出按兩條路線推算出的坐標橫向較差。通過對該橫向較差進行檢核，可達到如下兩個目的，即：檢核新增環節的邊長測量是否存在粗差；檢核新增導線點的坐標精度；

②對于彎道（如圖2），設基本導線網新增加一個環節HLJI，應通過GHI與KLI兩條路線推算I點的坐標，通過GHJ與KLIJ兩條路線推算J點的坐標，并求出按兩條路線推算出的坐標橫向較差。通過對該橫向較差進行檢核，可達到與a）類似的目的。

③根據嚴密平差后的坐標計算每對導線點的間距，檢查此間距與鋼尺量測的間距之較差（△Si）是否超限，其限差可按下式計算，即：

（△Si）max≤2（mXY）i （7）

式中：（mXY）i為導線點i的點位中誤差。

（4）應用間接平差法，對工作面以前的整個基本導線網進行嚴密平差（每增加一個環節進行一次），求出各導線點的坐標平差值，并求出平差后點位橫向中誤差，然后按下列限差進行檢核，即：

5 結束語

隨著社會的快速發展，一些水利工程隧洞工程的施工需要高精度的測量，而要很好的完成這些工程項目，必須要對其施工控制網進行精心的設計、精心的實施，盲目的測量會事倍功半，嚴重的還會影響工程項目的正常施工，可能會對工程造成難以估計的損失。

為確保水利工程隧洞施工控制網的觀測精度，使用的儀器比平時要高了一個等級，觀測精度也要提高了一個等級。在控制網的設計、造埋、觀測工作過程中，嚴格按ISO9001質量體系文件運行。

參考文獻

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