浅谈高速铁路长大隧道施工控制测量技术何虎

浅谈高速铁路长大隧道施工控制测量技术南岳公路项目部：何虎【摘 要】 长大高铁隧道对测量的精度要求较高，隧道的贯通误差直接影响着整个工程的质量。本文通过就长昆客专五标磨把公隧道控制测量经验，对长大隧道的洞内导线布网、埋点、施测方法等一一进行阐述。【关键词】 高铁隧道 控制测量高速铁路的速度均在 250 千米/时以上，对线性、地形的要求较高，因此隧道在山领地区的比例很大，且长大隧道较多。为确保贯通精度，隧道内外施工测量控制网的建立是非常有必要的，测量控制网布设的好坏，精度的高低，直接影响到贯通精度能否满足设计要求。对于高速铁路施工，隧道的贯通起着至关重要的作用，下面就对磨把公隧道的洞内外控制测量谈一点体会。1、工程概况磨把公隧道位于湖南省隆回县境内，线路于鸭田镇福合村西侧约500米处进入隧道，出口位于刘塘村东北方向。隧道进口里程DK226+812，出口里程DK229+960，隧道全长3148m，为单洞双线隧道；隧道内最大埋深270m，最小埋深24m。隧道进口至DK227+459.428199段位于半径为11000的左偏曲线上，DK227+459.428199出口段位于直线上；隧道内纵坡为人字坡，进口至DK229+600段为19.95的上坡，DK229+600至出口段为3.6的下坡。2、控制测量的基本情况2.1 工具（见表 1）表 1序号 名称 型号 备注1 GPS 接收机2 全站仪 徕卡 TCRP1201+ 测角精度 13 水准仪 DINI03 0.3mm/km4 温湿表5 气压表2.2 控制测量项目（见表 2）表 2序号 监控量测项目 量测仪器 精度 备注1 洞外独立控制网 GPS 接收机 1mm2 洞内平面控制网 全站仪 1mm3 洞内高程控制网 水准仪 0.1mm2.3 测点埋设及要求2.3.1 洞外独立控制网，根据高速铁路测量规范，按 GPS 二等加密点埋设，如下图所示：标石断面图2.3.2 洞内控制网，根据现场实际情况，将导线点埋设在仰拱填充面上，如下图所示：洞内导线点断面图3、洞外控制测量3.1 洞外平面控制测量平面控制网测量采用 GPS 静态测量模式，GPS 接收机的标称精度指标符合（5mm+1ppmD） 。隧道洞外 GPS 平面控制测量等级应符合表 3 的要求。表 3 平面控制测量设计要求测量部位 测量方法 测量等级 适用长度 (km) 洞口联系边方向中误差() 边长相对 中误差洞外 GPS 二 46 1.3 1/180 0003.1.1 GPS 洞外控制网布设洞外平面控制网原则上沿隧道进出口连线方向布设，控制线路中 m 线，平面控制网由洞口子控制网和洞口子网间的联系网组成，同时考虑 GPS 观测对控制点的要求。根据现场实际踏勘，磨把公隧道进出口 GPS 点由两个大地四边仰 拱 填 充 面30cm12形网形构成，网形图如下图所示：3.1.2 选点和埋石控制点考虑满足 GPS 观测的要求，又要考虑适合隧道控制测量对控制点的要求。在磨把公隧道左侧 100 米山脊处埋设一个GPSJM5009，用于往洞内投点。再增设 2 个 GPSJM5006、JM5007 点与之通视，且距离大于 500 米作为方向线。磨把公隧道出口 GPS 布点如下图所示：磨 把 公 隧 道CPI13CPI12 CPI1CPI10JM509JM507JM506JM50 JM504JM503JM502JM501图 例 ： 二 等 GPS加 密 点CI、 点基 线 边JM50X点 编 号JM5009 洞内投点方向边 1JM5006方向边 2洞内投点方向JM5009 洞内投点磨把公隧道出口方向边 2 方向边 1隧道控制点标心钉为金属标志制作材料，上部为不锈钢，下部采用普通钢筋焊接而成。控制点采用现场灌注混凝土的方式埋设。埋设深度大于 1.2 m。如下图所示：磨把公隧道共布设 8 个 GPS 点，保证每个洞口有两个洞口投点，每个洞口投点有两个后视方向，联测精测网 CPI 点 4 个。3.1.3 观测数据采集GPS 控制网采用 Trimble 双频 GPS 接收机，静态作业模式作业，接收机标称精度应不低于（5mm+1ppmD） ，且检定合格。作业前应按规范要求进行相关检测，作业过程中应保持接收设备工作状态良好。观测前，应按设计的控制网网形、卫星可见预报表、GPS 接收机数量、交通情况编制 GPS 观测计划；并根据确定的作业模式，配置预置作业任务参数；作业中应通过报话机和移动电话及时沟通信息。观测应按设计控制网网形进行，洞口子网和联系网可统一观测，每条基线应观测 2 个时段，时段长度应大于 90 分钟。观测时，为减小对中及相位中心误差，应对 GPS 天线进行统一定向，第一时段指北定向，第二时段指南定向。GPS 观测应选择卫星数目多、卫星升降少、GDOP 值较小且稳定的观测窗口施测，观测符合表 4 要求。表 4 GPS 测量作业技术要求表 等级 截止高度角有效卫星数GDOP 值 采样间隔有效时段长度（min）天线高丈量天线高较差对中误差二 15 4 6 15 秒 90 2 次 2mm 1 mm3.1.4数据处理以同步观测区为单位进行独立基线解算和质量检核。以无约束平差确定有效观测量为基础，进行三维无约束平差和二维约束平差。基线解算采用 Leica 公司的“ Leica Geo Office Combined”软件进行解算，解算结果应满足软件规定的指标要求，基线观测值均应按规范的要求进行重复基线检核和异步环闭合差检核。GPS 外业观测后应对观测数据进行计算；检核观测成果的质量，应用基线处理软件进行基线解算，基线向量的质量应满足下列规定。（1）由独立基线构成的异步环各坐标分量及全长闭合差应满足以下各式的要求：nWx3yzn3式中： 、 、 坐标分量闭合差；xWyz环的全长闭合差；n闭合环的边数；标准差， = ，其中 取22dbaa5mm， 取 1ppm，d 按环平均边长计算。b当闭合环中长、短边的长度相差较大时，宜按边长和等级规定的精度计算每条边的，并按误差传播定律计算环闭合差的限差。（2）重复观测的基线较差（ ）应满足下式要求：sd2sd式中： 标准差，d 按基线长度计算。 根据隧道洞口子网和子网间联系网的不同特点，洞口子网基线构成的异步环三维闭合差限差应小于 20mm；子网间的联系网基线构成的异步环相对闭合差应符合表 5 要求：表 5 异步环相对闭合差限差 限差单位：ppm长边长度（km） 开挖洞口间距离（km）1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 5.0 6.048 7.5 6.1 5.2 4.6 3.9 3.4 3.2（3）采用同济大学 TGPPS6.02 软件进行平差计算。无约束平差中基线向量各分量的改正数绝对值应满足下面要求；VX3 VY3 VZ3整网约束平差基线向量改正数与无约束平差的同名基线向量改正数较差应符合下列规定：d vx2 d vy2 d vz2 约束平差后平面控制网的主要技术指标应符合表 6 的规定。表 6 二等 GPS 控制网测量的主要技术要求等级 基线方位角中误差（） 约束点间的边长相对中误差 约束平差后最弱边边长相对中误差二等 1.3 1/250000 1/180000注：当基线长度短于 500m 时，边长中误差应小于 5mm。根据约束平差后的控制点成果估计洞外控制测量和洞内导线测量对各开挖洞口间横向贯通误差的影响值进行估算，分别分析精测网施工坐标系和隧道工程独立坐标系成果对隧道贯通误差的影响，以决定最终成果的使用，并根据客观情况对洞内测量要求提出建议。七、3.2 洞外高程控制测量3.2.1 洞外高程控制网布设高程控制网布设应根据实地交通状况和 1：10000 地形图按隧道进出口位置布设。在布网过程中，应首先按地图交通路线进行实地踏勘，然后选择最优路线进行测量。3.2.2 选点和埋石每个洞口设置 3 个洞口水准点，选择在洞口附近土质坚实、通视良好、施测便利、高程适宜和便于保存之处；三个洞口水准点中的两个设置在洞口附近，两点之间距离按安置一次仪器能进行观测为原则，另一个设置在更为安全的区域，便于复核联测，联测隧道范围内所有的二等水准控制点。磨把公隧道出口二等水准布置点如下图所示：洞口水准点标石埋设规格同平面点。3.2.3 水准观测水准观测采用天宝 Dini03 电子水准仪统一按国家一、二等水准测量规范 （GB/T12897-2006）二等标准施测。水准仪的标称精度均为每公里高差偶然中误差0.3mm。采用单路线往返观测，同一条水准路线的往返观测应采用相同的人员、仪器、转点尺承，沿相同水准路线。沿公路施测时应使用大于 5 公斤的铸铁尺垫，在山路地段施测应采用尺桩或突出岩石作为立尺转点；使用尺撑扶尺，水准尺气泡居中；使用干湿温度计测定气温。水准观测要求：视线长度3m、50m，前后视距差1.5m，前后视距累积差6.0m，视线高度0.55m、2.8m，测站限差：两次洞口二等水准点JMB5006洞口二等水准点JMB5005洞口二等水准点JMB5004读数差0.4mm，两次读数所测高差之差0.6mm，检测间歇点高差之差两次读数差1.0mm，观测时偶数站按后-前-前-后，奇数站按前-后-后-前的顺序进行，每一测段应为偶数站。水准测量精度应满足表 7 规定。表 7 水准测量观测的主要技术要求每千米高差偶然中误差 M检测已测段高差之差往返测不符值附合路线闭合差环闭合差1.0mm mmR6 mmR4 mmL4 mmF4表中：R 为测段长度，L 为附合线路长度，F 为环线长度。二等水准临时间歇点要求：在间歇时要求设置 2 至 3 个间歇点并作为临时水准点处理，间歇点设置要求，第一个间歇点与第二个间歇点间距要求在 400m 以上，第二个和第三个间歇点间距在两站测量范围内，同时间歇点的规格要以 30 以上的螺纹钢筋，长度大于600mm，并保证不易被破坏位置；间歇后测量首先检测三个歇点间高差，在满足限差要求后方可进行余下水准路线测量，如果三个间歇点间有两个点间高差超出限差，必须进行重新测量。3.2.4 数据处理原始数据处理采用电子水准仪自带软件将原始数据处理为高差距离文件，水准网平差采用铁三院研发的 TSDI_HRSADJ 精密工程测量平差系统或武汉大学的“科傻地面控 制 网 测 量 数 据 处 理 系 统 ”（COSAWIN）进行严密平差，并采用清华山维数据处理系统进行数据计算对比。每千米高差偶然中误差 M 按下式计算：M = 41Ln式中： L 水准测量的路线长度（ km）；水准路线测段往返高差不符值（mm）；n往返测的水准路线的测段数。水准点成果最后取位至 0.1mm。4、洞内控制测量4.1 洞内平面控制测量4.1.1 洞内观测方法洞内平面控制测量采用莱卡 1201 全站仪进行观测。观测方法为测回法，磨把公隧道洞内导线平面控制网为四等，根据项目部仪器精度情况观测 4 个测回即可，但是考虑到隧道观测环境较差，观测6 个测回，保证隧道贯通精度满足设计要求。导线测量满足表 8 规定。表 8 四等导线测量主要技术要求等级 测角中误差（）测距相对中误差方位角闭合差（）导线全长相对闭合差四等 2.5 1/80000 n51/400004.1.2 洞内导线点布设洞内导线点从洞口 GPS 投点开始，按线路方向间距 200 米布设，在仰拱填充面左右侧各埋设一点，距电缆槽边约 2 米的位置。导线点如下图所示：导线点采取预埋或冲击钻钻眼埋设。埋设高度低于仰拱填充面 10cm左右，确保施工过程中不被破坏。JM507 L01 点 编 号R0X导 线 边GPS 点四 等 导 线 加 密 点图 例 ：长 昆 铁 路 客 运 专 线 湖 南 段 五 标 磨 把 公 隧 道 出 口 洞 内 导 线 网 形 图RR02LL03RR04昆 明 JM509JM506 LR05洞口导线点L00X洞口导线点R00X4.1.3 观测数据采集磨把公隧道洞内导线数据采集采用测回法观测，观测 6 个测回。水平角观测宜采用方向观测法，并符合表 9 规定。表 9 水平角方向观测法的技术要求等级 仪器等级 半测回归零差 （） 一测回内 2c互差（） 同一方向值各测回 互差（ ）四等 1级仪器 6 9 6注：当观测方向的垂直角超过3的范围时，该方向 2C 互差可按相邻测回同方向进行比较，其值应满足表中一测回内 2C 互差的限值。边长测量应符合表 10 规定。表 10 边长测量技术要求每边测回数等级使用测距仪精度等级 往测 返测一测回读数较差限值（mm）测回间较差限值（mm）往返观测平距较差限值四等 2 2 2 3 2mD注： 1、一测回是全站仪盘左、盘右各测量一次的过程测距边的斜距应进行气象和仪器常数改正。气压、气温读数取位应符合表 11 的规定。 。表 11 气压、气温读数取位要求测量等级 干湿温度表（） 气压表（hPa）四等 0.5 14.1.4 数据记录如下表所：水平角观测手簿(测回法)仪器: TCRP1201 点名： R004 观测者： 何虎 记录者： 柴中原 日期： 2012 年 12 月 5 日 开始: 14 时 18 分 结束: 14 时 43 分水平度盘读数盘左 盘右2c =盘左读数-盘右(180)半测回方向 一测回平均 方向 各测回平均方向 平距（米）测站测回数 观测 目标 “ “ 盘左 盘右 平均草图R005 0 0 0 179 59 59 1 178-16-21 214.7694 214.7694 214.7694第一测回L003 178 16 21 358 16 21 0 178-16-22178-16-21.5205.1164 205.1163 205.1164R005 30 0 2 210 0 3 -1 178-16-20 214.7693 214.7692 214.7693第二测回 L003 208 16 22 28 16 23 -1 178-16-20 178-16-20 205.1164 205.1164 205.1164R005 60 0 1 240 0 3 -2 178-16-19 第三测回L003 238 16 20 88 16 22 -2 178-16-19178-16-19R005 90 0 1 270 0 0 -1 178-16-20 第四测回L003 268 16 21 88 16 22 -1 178-16-22178-16-21R005 120 0 0 300 0 1 -1 178-16-21 第五测回L003 298 16 21 118 16 22 -1 178-16-21178-16-21R004第六测回R005 150 0 0330 0 1 -1 178-16-20178-16-21178-16-20.6L003 328 16 20 184 16 23 -3 178-16-22 4.1.5 数据处理观测数据经过处理计算，看有没有指标超限的，看是否要补测。原始数据合格后，平面控制网采用手算平差，并采用清华山维数据处理系统进行数据计算对比。现以磨把公隧道出口第五次洞内导线点加密为例。各项指标均满足规范要求。磨把公隧道出口洞内控制网（第五次）坐标增量计算值/m 改正后坐标增量/m 坐标/m点号 观测角（左角） 改正后的角度 坐标方位角 边长/mx y x y x y备注1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 JM5006 3056686.3842 481587.4585 GPS 点1302104.5 JM5009 3235639.8 3235640.1 3056318.5295 482020.4322 GPS 点2741744.6 265.2041 19.8649 -264.4591 19.8653 -264.4589 R001 3405847.7 3405848.0 3056338.3948 481755.9733 洞导线点751632.6 202.0208 51.3472 195.3865 51.3475 195.3866 L002 1745432.5 1745432.8 3056389.7423 481951.3598 导线点701105.4 220.5800 74.7738 207.5197 74.7741 207.5198 R003 1825158.5 1825158.8 3056464.5164 482158.8796 导线点730304.2 205.2849 59.8442 196.3684 59.8445 196.3685 L004 1770140.5 1770140.8 3056524.3609 482355.2482 导线点700445.0 215.2273 73.3326 202.3490 73.3329 202.3491 R005 13358.4 13358.7 3056597.6938 482557.5973 导线点2513843.7 214.7686 -67.6298 -203.8425 -67.6294 -203.8424 R004 1781620.6 1781620.8 3056530.0644 482353.7549 导线点2495504.5 205.1186 -70.4308 -192.6477 -70.4305 -192.6476 L003 1831227.5 1831227.7 3056459.6339 482161.1073 导线点2530732.2 201.1208 -58.3803 -192.4612 -58.3799 -192.4611 R002 1712630.4 1712630.6 3056401.2540 481968.6462 导线点2443402.8 222.1056 -95.3829 -200.5816 -95.3826 -200.5815 L001 223340.3 223340.5 3056305.8714 481768.0646 导线点870743.3 252.6847 12.6577 252.3675 12.6581 252.3676 JM5009 431321.0 431321.23102104.5 568.1345 3056318.5295 482020.4322 GPS 点JM5006 17995957.2 00002.8 2,204.1154 -0.0035 -0.0011 0.0000 0.0000 3056686.3851 481587.4618 GPS 点说明：磨把公隧道洞内控制网为四等导线，测角中误差：2.5；测距相对中误差：1/80000；方位角闭合差：5n；导线全长相对闭合差：1/40000。B 测=17995957.2，FB=B 测-（n-2)*180=2.8（FB 容=5n=5*11=16），D=2204.1154，m=(1/N)*(FB2/n)=0.82.5，K=(（x2+y2)/D=1/6007751/40000。计算： 何虎 复核： 朱立斌 日期： 2012.12.064.2 洞内高程控制测量高程控制测量按二等水准规范测定，点位与洞内平面控制网共点，观测方法、数据采集、平差与洞外高程控制网施测方法一致。得出的高程成果再用全站仪进行复核最终磨把公隧道的贯通误差：平面控制网里程方向 3.9cm，左右方向 1.7cm；高程 0.3cm。满足规范要求（见表 12） 。表 12 隧道贯通误差规定项目 横向贯通误差相向开挖隧道长度（km） L4 4l7 高程贯通误差洞外贯通中误差（mm） 30 40 18洞内贯通中误差（mm） 40 50 17洞内外综合贯通中误差（mm） 50 65 25贯通限差（mm） 100 130 50洞内贯通点-导线控制网坐标增量计算值/m 改正后坐标增量/m 坐标/m点号观测角（