隧道贯通误差分析处理应用研究.docx

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隧道贯通误差分析处理应用研究

摘要

本文根据隧道施工测量的具体流程，可以把横向误差来源分成以下几个方面：

隧道贯通误差的主要来源为洞外控制测量、联系测量、洞内控制测量的误差,洞内施工放样所产生的误差对贯通的影响很小,不予考虑。

从目前的测量技术水平和工程要求两方面考虑，横向贯通误差最难达到，隧道控制测量的关键就是要解决横向贯通误差问题。

横向贯通误差的来源包括洞内导线测量的误差以及施工误差、联系测量的误差、洞外地面控制测量的误差。

通过对三方面的误差分析与误差估计从而进行预报隧道贯通误差方法的研究，由此可以进一步提高隧道贯通测量方案的可行性，对隧道贯通测量方案提出优化，隧道贯通测量方案和测量方法选用是否合理，要依据误差预计优化确定，一方面要看设计文件对该隧道贯通的要求，另一方面要结合测量资源的配置和现场实施质量。

关键词：

贯通测量，隧道贯通误差，误差分析

Abstract

Measuredbythetunnelingprocess,lateralsourcesoferrorintothefollowingareas:

themainsourceofthetunnelthrougherrorcontrolmeasurementisoutsidethecave,contactmeasurement,theholetocontrolmeasurementerror,caveconstructionstakeoutarisingerrorthroughtheimpactisverysmall,notbeconsidered.Twoaspectstoconsiderfromthecurrentlevelofmeasurementtechnologyandengineeringrequirements,lateralerrorofthemostdifficulttoachieve,thekeytothemeasurementoftunnelcontrolistosolvethelateralerror.Lateralerrorofthesourceoferrorsandconstructionerrors,includingmeasurementoftheholeconductorcontactmeasurementerror,outsidethecavegroundcontrolmeasurementerror.Thusforecasttunnelthrougherrormethodoferroranalysisanderrorestimatesforthree,whichcanfurtherimprovethefeasibilityofthetunnelthroughthemeasurementprogram,thetunnelthroughthemeasurementprogramoptimization,Tunnelswhethermeasurementscenariosandmethodsreasonable,accordingtotheerrorisexpectedtooptimizedetermine,ontheonehanddependsonthedesigndocumentsofthetunnelthroughtherequirementsoftheotherhand,inconjunctionwiththequalityofmeasuringtheallocationofresourcesandon-siteimplementation.

Keywords:

throughmeasurement,thetunnelthrougherrorcontrolmeasurement，erroranalysis

1绪论

20世纪下半叶以来，伴随着世界范围内的城市化进程，世界各国的城市区域逐渐扩大，城市经济日益发展，城市人口也逐渐上升。

由于流动人口以及道路车辆的增加，城市交通量呈急骤增长的态势，机动车辆增长尤为迅猛;城市道路的相对有限性带来了交通阻塞、车速下降、事故频繁等一系列问题。

行车难、乘车难，不仅成为市民工作和生活的一个突出问题，而且制约着城市经济的发展。

另外，道路上行驶的汽车排放废气、噪声引发的环境污染问题也愈来愈引起人们的重视。

而地下铁道隧道具有运量大、速度快、噪音小、污染轻、能耗低等优点，成为地下空间开发的重点。

随着我国现代化、城市化进程的加快，所面临的交通压力也日益增大，国内也认识到城市轨道交通、开发地下空间是解决交通问题的较好途径之一。

但在贯通测量的过程中出现了一系列的问题，一条隧道能否顺利的贯通，取决于贯通误差的大小。

为了便于分析问题，我们可以发现隧道贯通误差的来源基本可以分为三部分：

隧道横向贯通误差、隧道纵向贯通误差和隧道高程贯通误差。

这三者之间相互存在着一定的联系，但它们对贯通的影响是不同的，其中隧道纵向误差影响贯通方向的里程，隧道高程误差影响贯通方向的高程（一般高程精度容易满足，一般不做深入的讨论），隧道横向误差才是真正影响贯通的结果。

因此，为了便于分析问题，有利于解决问题，我们可以将它们分开，单独分析其中每一种误差。

通过对其误差的分析将其应用到实践中，将贯通测量方案进行优化。

1.1我国隧道发展现状

交通是城市功能中最活跃的因素。

当城市交通矛盾严重到一定程度后,单靠在地面上采取措施已难以解决。

因此利用地下空间对城市交通进行改造成为城市地下空间利用开始最早和成效最显著的一项内容,并由此带动了其他内容的发展,成为隧道技术迅速发展的主要动因。

我国的第一条地铁始建于1965年。

目前,已建成地铁的城市有:

北京、天津、香港、上海、广州;南京、深圳在建,武汉、长春、沈阳、大连、青岛、杭州、成都、西安等城市都在积极建设地铁。

北京地铁已经开通了1号线、2号线、5号线、10号线一期、13号线、八通线、奥运支线和机场专线,运营线路总里程200km,共有123座运营车站。

广州地铁已建成开通四条线路,总里程116km,运营日均客运量超100万人次。

在建线路包括广州市轨道交通四号线、五号线、六号线、二/八号线延长线、三号线北延段,珠江新城旅客自动输送系统,珠江三角洲城际快速轨道交通广佛线等。

到2010年上海世博会举办之际,上海轨道交通运营里程将达到400km,客流占公共交通客运总量的40%左右。

2012年,将计划建成由13条线组成、运营里程超过500km的轨道交通基本网络,运营规模将在世界各大城市中居于前列。

从长远规划来看，中国城市在地铁建设的投入才刚刚开始。

“十五”计划期间，中国城市交通投资将达8000亿元人民币，其中至少有2000亿元将用于地铁建设。

而从中国建设部地铁与轻轨研究中心获悉，今后五年中国城市轨道交通有大发展，将建成总长度450km左右的城市轨道交通线路。

至2030年，我国地铁通车里程将达到1000km，会大大促进城市轨道交通的发展在大中城市,隧道可以说是和城市高架桥一起作为缓解交通压力的一个重要的举措。

近年来，我国地下铁道工程虽然发展迅猛，但在北京、深圳、上海和广州四个已运营地铁城市中，线路总长仅130mk，而巴黎地铁已超过300mk。

汉城于1974年建了第一条地铁，虽然北京第一条地铁晚了9年，但现在地铁网络已增长至200km。

另外北京地铁只乘载了全城总客流量的约15%，而东京地铁却占87%，伦敦占61%，莫斯科占54%。

造成这种情况的主要原因是没有足够长的线路和足够多的车站，关键是线路没有形成网络。

可见，国内地下铁道的发展还有很大的空间。

在地铁隧道施工中，通常采用的方法有明挖法、矿山法、新奥法和盾构法。

近年来，随着地下掘进技术、精密导向技术的逐渐成熟，盾构法得到很大发展，而且具有对地面建筑物影响小、施工方便、自动化程度高、节省人力、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降和在水下开挖时不影响水面交通等特点和优点，已得到越来越广泛的应用。

在国内，盾构技术己在上海、广州、南京及深动}得到广泛的应用，北京也放弃了传统的明挖法和矿山法，大多数区间采用了盾构法施工。

在隧道贯通测量中要考虑。

1.2主要研究内容和方法

1.2.1主要研究内容：

对于通常情况下的隧洞施工，由于地面控制测量、洞内控制测量以及施工放样误差等诸因素影响，将会使隧道两相对开挖面间的施工中心线在贯通面不能理想地衔接而产生错开。

这种施工中心线在贯通面处产生错开的现象称为隧洞施工的贯通误差。

通过介绍了隧道贯通误差的理论，对实现隧道贯通所需满足的各项误差进行了研究，将各项误差按照不同的权重分配方法进行了比较，得出在实际施工中比较可行的误差分配原则，对既满足精度又节省人力物力的施测方案进行了探讨。

在隧道施工中,由于地面控制测量、联系测量、地下控制测量以及细部放样测量的误差,使得两个相向开挖的工作面的施工中线不能理想的衔接,而产生的错开现象,叫做贯通误差,用

表示；将其在隧道中线方向的投影称为纵向贯通误差,用

表示；在水平面内垂直于隧道中线的方向的投影称为横向贯通误差,用

表示；在竖直方向的投影叫做高程贯通误差,用

；

显然

实际上对于隧道贯通误差来说,纵向贯通误差

影响隧道的长度,只要它不大于隧道定测中线的误差,便可满足隧道施工要求,高程贯通误差凡采用水准测量的方法也可达到所需的要求,唯有横向贯通误差

，如果超过一定的范围,就会引起隧道中线几何形状的改变,导致洞内建筑浸人设计规定界限,给工程造成损失,可见影响隧道贯通误差的主要因素为横向贯通误差

。

研究引起横向贯通误差的因素误差预计就是对隧道贯通精度的一种估算，是预计实际偏差可能的限度，从而根据误差的预计对实际应用中的研究做铺垫。

依据控制的误差规定不能满足隧道贯通测量通精度要求，测量工程技术人员应根据实际情况，对隧道的贯通测量各项技术指标的规定应做相应修改。

1.2.2研究主要采用的方法：

贯通误差的限差的确定，一般贯通测量的预计误差采用中误差的两倍值。

根据误差理论可知，实际误差超过两倍中误差的可能性仅占4．6％。

因此，凡按规定的方法测量，只要没有出现粗差，隧道贯通实际偏差一般都小于预计误差。

但对于特别精确要求的隧道工程，预计误差可利用三倍中误差，此时实际偏差超过预计误差的概率为0.3％。

一条隧道能否顺利的贯通，取决于贯通误差的大小。

为了便于分析问题，我们可以发现隧道贯通误差的来源基本可以分为三部分：

隧道横向贯通误差、隧道纵向贯通误差和隧道高程贯通误差。

这三者之间相互存在着一定的联系，但它们对贯通的影响是不同的，其中隧道纵向误差影响贯通方向的里程，隧道高程误差影响贯通方向的高程（一般高程精度容易满足，一般不做深入的讨论），隧道横向误差才是真正影响贯通的结果。

因此，为了便于分析问题，有利于解决问题，我们可以将它们分开，单独分析其中每一种误差。

通过对其误差的分析将其应用到实践中，将贯通测量方案进行优。

1.3课题研究的目的和意义

1.3.1本课题研究的目的：

贯通误差是评定隧道工程施工质量的重要精度指标，合理分配贯通允许误差并进行相应的施测精度方案设计是隧道工程测量工作的关键，对影响对到贯通的不同测量阶段的精度及其对贯通误差的影响进行详细分析，提出基于贯通误差“按需分配”原则进行测量方案设计的方法，通过必要的数值计算，为多种隧道工程测量方案设计提供比较直观的理论参考。

为保证贯通误差小于设计值，从贯通误差的限差出发，对各阶段的精度指标进行整体设计，给出各阶段的测量精度要求，让各阶段的测量工作顺利进行，保证最终工程质量。

1.3.2本课题研究的意义：

就贯通测量本身而言，确定何等贯通精度，就意味着采用什么测量仪器、测

量手段和方法，还要考虑施测方案的经济性。

因此为达到隧道工程的预期目标，不同的隧道工程对贯通测量也就提出了不同的贯通精度要求。

当隧道工程确定后，必须详查工程所处的地理环境和施测条件，并根据工程设计要求的贯通精度制定出一份周密的贯通测量技术方案。

经过此次的误差分析与误差估计从而进行预报隧道贯通误差方法的研究，由此可以进一步提高隧道贯通测量方案的可行性，对隧道贯通测量方案提出优化，隧道贯通测量方案和测量方法选用是否合理，要依据误差预计优化确定，一方面要看设计文件对该隧道贯通的要求，另一方面要结合测量资源的配置和现场实施质量。

2隧道贯通误差

2.1隧道贯通误差的分类及其限差

在隧道施工中，由于地面控制测量、联系测量、地下控制测量以及细部放样测量的误差，是的两个相向开挖的工作面的施工中线不能理想的衔接，而产生的错开现象，叫贯通误差，用

表示；

将其在隧道中线方向的投影称为纵向贯通误差,用

表示；

在水平面内垂直于隧道中线的方向的投影称为横向贯通误差,用

表示；

在竖直方向的投影叫做高程贯通误差,用

；

显然

式（2.1）

根据《铁路测量技术规范》，各限差的要求如下表

表2.1《铁路测量技术规范》中对不同程度隧道的贯通误差限差

两开挖洞口的长度/km

＜4

4～8

8～10

10～13

13～17

17～20

横向贯通误差/mm

100

150

200

300

400

500

高程贯通误差/mm

500

实际上对于隧道贯通误差来说，纵向贯通误差

影响隧道长度，只要他不大于隧道定测中线误差，便可满足隧道施工要求，高程贯通误差

采用水准仪测量的方法也可达到所需的要求为由横向贯通误差

如果超过一定的范围，就会引起隧道中线几何形状的改变，导致洞内建筑进入设计规定界限，给工程造成损失。

课件隧道贯通误差的主要因素为横向贯通误差

。

2.2隧道贯通误差的来源和分配

隧道贯通误差的主要来源为洞外控制测量、联系测量、洞内控制测量的误差，洞内施工放样所产生的误差对贯通的影响很小，不予考虑。

系将洞外控制测量、洞内控制测量的误差作为影响误差的独立因素来考虑，洞内两相向开挖的控制测量误差各为一个独立因素。

设隧道总的贯通误差的允许值为

，按照等影响原则：

无竖井联系测量时，则地面控制测量误差所引起的横向贯通中误差的允许值为

式（2.2）

采用一个竖井联系测量时，则地面控制测量误差引起的横向贯通中误差的允许值为

式（2..3）

采用两个竖井联系测量时，则地面控制测量误差引起的横向贯通中误差的允许值为

式（2..4）

3洞外测量误差分析处理

3.1地面测量对于横向贯通误差的影响

地面首级控制测量是隧道施工测量的第一步，后续各阶段的测量工作均以此为基础逐步展开。

影响隧道横向贯通误差的地面控制测量误差可以分为两部分：

（1）洞口（近井）点坐标的误差：

洞口（近井）点坐标的误差通过联系测量与地下导线传递到贯通面，严格地讲，它对贯通误差的影响在数值上等于同一隧道开挖段两洞口（近井）点的相对误差椭圆在贯通面上的投影。

影响隧道贯通误差的是控制网的相对误差，而并不是其绝对误差。

可以对问题进一步的简化，若把隧道一端的洞口点视为固定点，则另一洞口点相对于该点的误差不会超过整个控制网最弱点的点位误差。

因此，可以把最弱点的点位误差近似地看作为控制网点位坐标误差对于贯通误差的影响。

（2）地面控制网边的方向误差：

这种误差表现为联系测量或地下支导线的起始方位的误差。

不论联系测量采用何种形式，地面控制网边起始方位误差对贯通误差的影响都是一样的。

设地下单侧支导线的总长度在贯通面的垂直方向上的投影为

，则地面控制网边的方向误差对横向贯通误差的影响值为起始方向误差与

的乘积。

控制网中某边的方向误差，可以看做为其垂直方向上控制网的边长误差，若以相对误差计，则其数值不大于控制网最弱边的相对误差，故可对控制网最弱边的相对误差作精度要求。

地面控制测量误差对横向贯通误差的影响就是上述两部分误差的合成。

近似认为隧道在中间贯通，则有下式：

式（3.1）

式（3.1）中

为地面控制测量对于横向贯通误差的影响值；

为最弱点的点位误差；b为最弱边相对误差；L为隧道全长在贯通的垂直方向上投影长度的一半。

如果采用优化设计的方法进行地面控制网的设计，可以将隧道各开挖段两端的控制点相对误差及定向边的方向误差作为设计的精度指标。

若采用常规方法设计控制网，则可用前述讨论中的最弱点的点位误差和最弱边的边长相对误差作为精度指标。

后两个精度指标与通常评价控制网精度的指标完全一致，在应用上更加方便。

在上述讨论中，假定洞口（近井）点为地面控制网点。

如果洞口（近井）点通过加密得到，则必须考虑加密误差，或者采用联合平差的方法，将首级网点与加密点进行整体分析。

3.2洞外隧道控制网的高程控制测量分析

对于短隧道而言，采用三角高程测量的方法还是可行的；但对于长隧道和超长隧道而言，洞外高程控制测量主要采用精密水准测量的方法。

水准测量的方法虽然可以保证精度，但其劳动强度大，效率低，因此用GPS拟合高程代替水准测量是以后的发展方向。

现阶段我国大地水准面的精化工作还不够完善，精度和范围也远远满足不了精密工程建设的需要，这是测绘界亟待研究和解决的问题。

地面控制测量,地面上的条件较洞内好,则地面控制测量的精度要求应高一些,而洞内导线测量的精度要求可适当放低一点。

地面控制测量的误差作为影响隧道贯通精度的一个独立因素,单向开挖洞内导线测量的误差也作为一个独立因素,通过竖井开挖的贯通精度受竖井联系测量的影响较大,故又把竖井联系测量的误差作为一个如按等影响原则分配,地面控制测量误差对横向贯通中误差

的影响允许值

式（3.2）

纵向贯通误差,主要影响隧道中线的长度,只要求满足定测中线的精度,即限差

（L为隧道长度）。

高程控制测量,洞内有烟尘、水气,按等影响原则分配,相等的原则分配,洞内的水准路线短,高差变化小,这些条件比地面的好;另一方面,光亮度差和施工干扰等不利因素,地面与地下控制测量的误差,应竖井联系测量作为一个独立因素,对高程贯通精度的影响,也应按地面控制测量误差对高程贯通中误差

的影响允许值为:

式（3.3）

上述贯通误差限值及精度要求均有一定局限性,随着勘测和施工技术的发展,GPS控制测量方法己逐渐替代常规测量方法,广泛应用于地铁工程的地面控制测量。

3.3地面控制测量控制误差的环节

当地面控制网按首级GPS网和二级精密导线网的方式布设时,±25mm成为GPS

网和精密导线网的联合横向中误差限差。

点位的误差影响为:

式（3.4）

为GPS网中最弱点的点位中误差；

为精密导线网中最弱点的点位中误差。

实测过程中,需要注意合理、有效地发挥各自的特点和优势,获取最可靠、最精确的观测成果。

4联系测量误差分析处理

4.1竖井联系测量

城市地铁隧道施工通常采用开挖竖井的方法,通过竖井准确定位,即把地面控制的方位、坐标和高程精确传递到竖井底部,使地面与地下的控制纳人同一基准内,保证隧道正确贯通。

竖井的定位方法很多,有投点仪加陀螺仪联合定向、正垂线加陀螺仪联合定向、联系三角形、竖直导线等,可根据不同的现场条件灵活应用。

竖井联系测量是隧道贯通测量中的一个重要环节,它主要是通过过竖井将地面和地下控制网联系到统一坐标系统中,把地面上控制点的坐标、方位角和高程传递到地下隧道中去,作为地下导线的起算坐标和起始方位角,依此指导和控制盾构掘进机的开挖施工并保证正确贯通。

竖井联系测量方法包括平面联系测量（竖井定向测量）和高程联系测量两部分。

平面联系测量可采用联系三角形法、投点仪法、铅垂仪、陀螺经纬仪联合定向法、导线定向法及钻孔投点定向法。

高程联系测量包括钢尺（钢丝）法、水准测量及光电测距三角高程测量。

平面起算点的坐标误差将直接传给终点的平移量,其横向平移量是贯通误差的一部分,而起始方位角误差会使地下导线旋转一个小角度,从而产生由起始方位误差引起的贯通误差。

隧道线路长度越长,对起始方位角的精度要求越高。

地下导线起始方位角的各种影响因素,导出地上与地下测角误差以及边长测量误差的影响公式,得出直伸联系三角形中测角误差是地下导线传递方位角的最大影响因素。

综上所述,当采用联系三角形法传递地下方位角时,应尽量布设成直伸联系三角形,这时地下起始边方向的误差主要由角度观测误差引起。

如采用对称联系三角形,用2″级测角仪器进行角度观测,则由竖井联系测量引起的地下起始边方向角的总误差可控制在4″范围内,满足地铁隧道贯通精度要求。

4.2联系三角测量测差对定向的影响

联系三角形测量是一种比较有效的竖井定位定向方法,其中测角误差是影响方位传递精度的重要因素。

为使定向的效果更佳,联系三角形角度布设得越小越好（最好是能小于

）,联系三角形边长比例也越小越好,尽量布设成直伸三角形。

此外,宜用较细的吊垂线,且在无风的天气下,以减少井中风向的紊流影响,减小吊锤所带来的误差影响。

竖井联系测量误差对隧道贯通误差的影响主要取决于联系测量所采用的方法、所采用仪器自身的误差和测量过程中各种条件限制的影响。

采用联系三角形测量，除了要考虑联系三角形测量中的误差对定向的影响外，还有其他的一些因素对定向产生影响。

4.3气流和风力对定向的影响

图4.3联系三角法示意图

在图4.3所示联系三角形测量时，必须保证两根钢丝严格铅直，这样才能保证al、a2和bl、b2点具有相同的点位坐标及它们之间连线具有相同的方位角，即

但悬挂的钢丝由于受到井筒内的气流和风力、油桶内油所产生的粘滞力作用和钢丝本身的内应力以及单摆的摆动作用等诸多因素的影响，观测期间不可能完全严格地位于铅垂位置。

考虑气流和风力作用，可得侧向风使垂线下端偏移为：

式（4.1）

式中:

L一线长，R一锤重，F一风力，△一位移量。

垂线越长，吊锤越轻，则影响越大，特别是对井下的bl、b2更加显著。

另一方面，竖井定位中垂线通常较长，在风力作用及油的粘滞阻力、空气阻力、重锤等的共同作用下，会构成一个单摆，造成b1和b2偏移。

由于井筒口径的限制，垂线Ll和玩的距离比较短一般不到10m，所以，b1或b2的偏离将给方位传递带来显著的影响。

若b1点偏离误差为

，，那么它对bl一b2方位角的误差影响为：

式（4.2）

式中:

D一两根垂线Ll、L2的距离。

若取垂线长度L=20m，垂线传递点位的相对精度为1/5万，则偏离误差

mm

取垂线间距D=5m利用式（4-2）可计算得：

，若同时考虑

点误差影响，则对方位传递的误差可达

左右。

因此在井下观测时，为求得平衡位置，可采用逆转点法观测，求苏勒平均值，获得平衡位置的对应的水平度盘读数，从而提高观测精度。

4.4目标偏心对定位的影响

在联系三角形定向中，地面观测时控制方向可选较远的控制点，偏心对传递方位的影响不显著，但在竖井下，由于坑道长度有限，控制点间距很短，对中误

差的影响就较显著，所以，井下的对中应使用校正过的光学对中仪器进行，以保

证偏心精度。

综上所述，若考虑测角误差及垂线误差，则联系三角形法定向误差

式（4.3）

因此，在实际测量过程中必须注意采用较小的吊垂线，且尽量在无风的天气下进行，以减少井中风向的紊流影响;同时应注意勿使重锤振动，以减小这些偶然误差对隧道最终的贯通误差的影响。

5洞内导线测量误差分析处理

5.1洞内导线测量误差分析

洞内导线测量误差对隧道贯通误差产生的影响主要体现在洞内起始方位角对横向贯通