量子精密测量技术在超长铁路隧道基准传递中的潜在应用探讨

引言

全球交通基础设施的发展增加了超长铁路隧道的数量，这些隧道对缩短运输距离和提升效率至关重要。精确的基准传递技术对于隧道施工和运营的稳定性至关重要，但传统测量方法在超长距离和复杂环境下精度受限。量子精密测量技术，作为量子科技的一个重要分支，已取得显著进展，其高精度有望提高隧道基准传递的准确性，降低施工和运营风险，确保工程质量和安全。这项技术的应用可能推动铁路隧道测量技术革新，促进行业智能化和高精度化发展，具有巨大的应用潜力和经济社会效益。

1 超长铁路隧道基准传递需求分析

1.1 隧道施工阶段的基准传递要求

在超长铁路隧道施工阶段，准确的基准传递对于保证隧道的正确开挖方向和不同施工段的精确对接至关重要。施工过程中，需要实时测量隧道的中线、腰线以及各施工部位的高程，测量精度要求通常在毫米级。例如，对于两车道铁路隧道，隧道轴线的横向偏差允许值一般不超过 ±50mm ，高程偏差允许值不超过 ±70mm 。为满足这一精度要求，传统测量方法需要频繁进行测量和校准，且受环境因素影响较大。而量子精密测量技术的高精度特性，有望减少测量次数，提高测量效率，同时降低环境因素对测量结果的影响，确保隧道施工按照设计要求精确推进。

1.2 隧道运营阶段的基准监测需求

隧道建成投入运营后，由于长期受到列车荷载、地质条件变化、温度应力等因素的影响，隧道结构会发生不同程度的变形和位移。为保障隧道的运营安全，需要对隧道的基准状态进行长期、高精度的监测。例如，监测隧道衬砌的变形、轨道的沉降以及隧道整体的水平位移等。这些监测数据对于及时发现隧道结构的安全隐患，制定合理的维护和修复措施具有重要意义。传统监测方法在长期稳定性和测量精度方面存在一定局限性，难以满足超长铁路隧道运营阶段对基准监测的高要求。量子精密测量技术的高稳定性和超高精度，使其在隧道运营阶段的基准监测中具有潜在的应用优势，能够提供更准确、可靠的监测数据，为隧道的安全运营提供有力保障。

1.3 不同地质条件下的测量挑战

超长铁路隧道往往穿越多种复杂地质条件，如软土地层、岩石破碎带、岩溶地区等。在不同地质条件下，隧道的变形特性和测量环境差异较大，给基准传递带来了诸多挑战。例如，在软土地层中，隧道容易发生较大的沉降和水平位移，且沉降速率随时间变化复杂；在岩石破碎带，岩体的节理裂隙发育，会导致测量信号的干扰和衰减。传统测量方法在应对这些复杂地质条件时，测量精度和可靠性会受到严重影响。而量子精密测量技术具有较强的抗干扰能力和高灵敏度，有望在不同地质条件下实现稳定、高精度的基准传递和监测，为隧道工程在复杂地质环境下的建设和运营提供有效的技术支持。

2 量子精密测量技术在超长铁路隧道基准传递中的潜在应用

2.1 量子位移测量技术在隧道变形监测中的应用

在超长铁路隧道的建设和运营过程中，隧道结构的变形是一个关键监测参数。量子位移测量技术，如基于原子干涉的位移测量方法，具有极高的测量精度，能够检测到纳米级别的位移变化。在隧道施工阶段，可实时监测隧道掌子面的推进位移以及初期支护结构的变形，为施工安全和质量控制提供及时、准确的数据。在运营阶段，通过在隧道衬砌关键部位布置量子位移传感器，可长期监测隧道结构因列车荷载、地质沉降等因素引起的变形，及时发现潜在的安全隐患。

2.2 量子重力测量用于隧道高程基准传递

高程基准传递是超长铁路隧道建设中的重要环节，直接影响隧道的坡度控制和不同施工段的竖向对接精度。量子重力测量技术，如原子重力仪，能够实现对重力加速度的高精度测量，精度可达 10-11g 量级。通过在隧道沿线不同位置测量重力加速度的变化，并结合地球重力场模型，可以精确推算出各点的高程信息。与传统的水准测量方法相比，量子重力测量不受视线遮挡、大气折光等因素的影响，且测量效率高，尤其适用于长距离、复杂地形条件下的高程基准传递。在超长铁路隧道中应用量子重力测量技术，能够有效提高高程基准传递的精度和可靠性，保障隧道施工和运营阶段的竖向精度要求。

2.3 量子磁力测量对隧道周边地质异常的探测

隧道周边的地质异常，如断层、溶洞、富水区域等，会对隧道的稳定性和施工安全构成威胁。量子磁力测量技术，基于原子自旋的量子磁力计，具有超高的磁场测量灵敏度，能够探测到极其微弱的磁场变化。由于不同地质体的磁性存在差异，通过测量隧道周边磁场的异常分布，可以间接推断出地质异常的位置和范围。在隧道施工前的地质勘察阶段，量子磁力测量可作为一种高效的地球物理探测手段，为隧道选线和施工方案制定提供重要依据。在隧道运营阶段，持续监测隧道周边磁场变化，有助于及时发现因地质条件变化导致的潜在安全风险，如地下水位上升引起的地层磁性变化等。

2.4 基于量子技术的时间同步在隧道测量中的作用

在超长铁路隧道测量中，时间同步对于实现多测点数据的准确融合和分析至关重要。量子精密测量技术中的原子钟具有极高的时间稳定性，其计时精度可达每 100 亿年误差不超过 1 秒。通过基于原子钟的时间同步系统，可确保隧道不同位置的测量设备在同一时间基准下工作，消除因时间不同步带来的测量误差。例如，在采用分布式测量系统对隧道进行全方位监测时，各测点的测量数据需要精确的时间标记才能进行有效的对比和分析。

3 结论

随着量子科学技术的不断进步，量子精密测量技术在超长铁路隧道工程中的应用前景将更加广阔。量子技术与人工智能、大数据等新兴技术的融合将成为趋势，通过智能算法对海量量子测量数据进行分析处理，能够更准确地预测隧道结构的变形趋势和安全状态，为隧道的智能化运维提供有力支持。

参考文献

[1] 葛萌, 张铁犁, 刘浩, 宋艳, 吴宸. 量子精密测量技术及其在测量领域的典型应用 [J]. 宇航计测技术 ,2023,43(06):1-6.

[2] 谷思文 , 刘成龙 , 杨雪峰 , 杨帆 . 超长铁路隧道洞内平面控制网横向贯通误差仿真计算分析与应用 [J]. 铁道标准设计 ,2023,67(03):148-152.