高铁隧道洞内平面控制网方法的探讨.docx

高铁隧道洞内平面控制网方法的探讨李云峰、彭昊摘 要：随着我国基础建设的加快进行，为了满足人们的出行能快捷、高效、安全，高铁逐步向西部地形复杂的区域推进。而西部铁路施工中隧道施工尤为常见，本文通过对隧道洞外建立独立平面控制网及洞内不同导线测量方法进行分析，在保证隧道质量满足设计规范要求的前提下，选取最合理观测方法。不仅提高测量精度，还减小了贯通误差，又能加快施工进度、简化工作任务，为隧道施工做出重要保障。关键词：导线测量 洞外独立控制网 洞内导线控制网优化设计1 工程概况新建铁路成都至贵阳线乐山至贵阳段CGZQSG-4标：手爬岩隧道（DK128+150-D2K129+845）位于四川省宜宾市翠屏区思坡乡境内，属于川南红层丘陵地貌，上覆第四系全新统崩坡积块石土，坡残积粉质黏土；下伏基岩为白垩系窝头山组泥质砂岩夹泥岩，侏罗系上统蓬莱镇砂岩夹泥岩，且地下水较发育，对混凝土结构有侵蚀性，隧洞深部为储气结构，临近大塔场气田及青杠坪气田，为低瓦斯隧道，隧道最大埋深120m，局部为浅埋隧道，20坡度下坡，出口边坡仰坡位于松散块石土中，岩质陡坎，隧道整体地面高程330m470m。隧道起讫里程DK128+160D2K129+845，全长1685m，为双线隧道，D2K129+036.030D2K129+845位于R-9000的右偏曲线上。本隧从两端组织施工，进口为反坡施工，出口为顺坡施工。围岩等级主要以、级围岩为主，采用台阶法开挖。隧道进口采用偏压式明洞门，出口采用斜切式洞门。2 高铁隧道平面控制测量目的通过洞外建立独立平面控制网，由洞外平面控制网逐步向洞内导线测量推进，有效的提高隧道测量精度，并保障贯通误差在设计规范允许范围内，为隧道顺利贯通和CRTS型板式无砟轨道正常铺设保驾护航。3 洞外平面控制网测量由于隧道所处地理位置情况，采用GPS技术进行平面控制网设计不仅可以满足贯通精度，而有利于施工测量、减小工作强度。3.1 洞外平面控制网技术要求及布设形式3.1.1 GPS平面控制网技术要求成贵高速铁路手爬岩隧道全长1685m，因此选用GPS测量等级三等精度要求，技术要求见表1。表1 GPS平面控制测量技术要求测量方法测量等级适用长度（km）洞口联测边方向中误差（”）边长相对中误差GPS测量一6201.01/250000二461.31/180000三41.71/1000003.1.2 GPS平面控制网布设形式由于手爬岩隧道相对较长，并且双向开挖，采用独立控制网覆盖整个隧道，以保证隧道贯通测量精度更高。因此，隧道进口附近埋设GPS加密控制点2个，隧道出口附近埋设GPS加密控制点2个，保证洞口两相邻控制点的距离在200m左右且相互通视，便于洞内导线测量。利用CPI点1个，CPII点2个对加密控制点进行约束。点名编号分别为：JMCPII4254、JMCPII4255-2、CPI96、CPII118、BCPII119、JMCPII4255-3、JMCPII4256，控制网图形如图1所示：图1 手爬岩隧道控制网示意图3.2 GPS平面控制网内业处理对加密控制网复测后，需要应用内业处理软件LGO及“科傻”对观测数据进行分析和处理。结果显示，重复基线及环闭合差均未超限，且最弱边的洞口联测边方向中误差及边长相对中误差满足GPS测量等级三等精度要求，如下数据所示： 最弱边No.FROMTOA(dms)MA(s)S(m)MS(cm)MS:Sppm35JMCPII4255-3JMCPII425664.155761.65237.22380.221/1100009.81在数据处理完全满足规范的前提下，以设计院下发的控制点CPI96、CPII118、BCPII119为起算点，利用“科傻”对加密控制点坐标进行解算，并得到加密控制点最终成果如下数据所示：平差坐标(X,Y)No.NameX(m)Y(m)Mx(cm)My(cm)Mp(cm)1 CPI96 8450.80142356.78502CPII118 7337.32513100.29513BCPII119 7204.21093565.25114 JMCPII42567532.34453605.1584 0.14 0.150.215 JMCPII4255-37 429.34343391.46260.34 0.320.476JMCPII42548304.53741509.2702 0.250.280.377JMCPII4255-28155.4275 1822.63370.21 0.230.314 洞内导线控制网测量4.1 导线控制网测量技术要求手爬岩隧道全长1685m，根据技术规范要求需采用四等导线测量，主要技术要求见表2。表2 导线测量主要技术要求等级适用长度（km）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测回数0.5级仪器1级仪器2级仪器二等9201.01/2500001/10000069-隧道二等691.31/2500001/10000069-三等361.81/1500001/500004610四等1.532.51/800001/50000346一级1.54.01/400001/20000-224.2洞内导线控制网优化设计洞内导线控制网与洞外控制网相比的特点：洞内导线是随着隧道的开挖而向前延伸，因此只能采用支导线或狭长导线环，不能一次将洞内贯穿测完；导线测量的间歇取决于开挖面的进展速度；支导线或狭长形导线环只能通过重复观测达到予以检核的目的，定期进行复测，以保证控制测量的精度；洞内点容易发生位移和破坏，观测条件差，测点埋设需低于洞内地面5cm左右，以免在洞内运输和施工中遭受破坏。在满足测量精度和测量规范要求内，根据隧道施工情况和隧道长度，在不增加工作量和工作难度的前提下，为了提高控制网的测量精度，对常见的导线控制网布设方案做一个探讨性的对比。常见的导线控制网布设形式有支导线、交叉导线布网、菱形布网、矩形布网、环状布网等。4.2.1 导线控制网布设方案（1）支导线法。布设灵活、简单，观测工作量较少，但由于没有多余观测和其他约束条件，无法检核，在实际工作操作内业计算中即使发生错误也无法检查，同时随导线长度的增加，端点横向误差迅速增大。导线端点横向误差为。布设方案如图2所示： （式1） 式中: 导线边长； 测角中误差； n为支导线边数； =206265。图2 支导线法 （2）主辅点菱形导线法。在地下控制支导线点(主点)的附近再布设一个导线点(辅点)，为了便于同时设置目标和精确量距，两个观测点相距约为1015cm，两点之间距离在事先安装好中心螺旋后可用游标卡尺精确测量，由于游标卡尺丈量精度可达0.2mm，因此，可认为主辅点间长度值没有误差。布设方案如图3所示：图3 主辅点菱形导线 （3）主辅点四边形导线法。在地下控制支导线基础上每4点组成四边形，相邻主辅点同样采用游标卡尺测量长度。布设方案如图4所示：图4 主辅点四边形导线法 （4）环形导线法。根据隧道实际情况，布设成环形导线，导线点采用强制归心装置，安装在地下隧道侧壁，保持离开侧壁一段距离，减少旁折光的影响，导线所有角度距离采用I级全站仪观测。布设方案如图5所示：图5 环形导线法 4.2.2 数值模拟 在图25中的各个导线点模拟观测角度和边长，为保证成果相互可比性，设定起始点JMCPII4254、JMCPII4255-2无误差，导线边长及角度的取值范围，按数学扭曲法随机模拟若干组数据，采用间接平差法组成误差方程和法方程，求逆得到未知数的协因数阵，估算各点的精度。精度估算时取测角中误差=2.5，测边中误差=3.0mm，游标卡尺丈量主辅点间的长度中误差=0.2mm，并设测角中误差为单位权中误差，则有：, （式2） 导线前进方向为Y轴，与Y轴垂直向上的方向为X轴。按上述定权方式4,7，可计算出4种方案中导线端点的横向误差，如表3所示：表3 4种方案中导线点的横向误差 导线离开起点距离/m横向中误差/mm支导线法菱形法四边形法环形导线法1001.71.00.91.22002.73004.34006.25008.360010.670020.410.09.213.180024.612.011.015.790018.5100033.818.517.124.6为了比较各方案中的测量工作量，因游标卡尺量距在安装前可以事先测量，而且比较方便，这里仅考虑测角测边因素，各种方案测量情况如表4所示：表4 4种方案中测量工作量对比情况导线离开起点距离/m测角个数及测边个数支导线法菱形法四边形法环形导线法100112222222002244444430033766666400449888985005512101010111060066141212121312700771714141415148008819161616181690099221818182018100010102420202022204.2.3 计算结果分析比较全站仪在观测中，边长观测一般比较容易，瞄准目标后仅需要7s左右的时间，角度观测一测回一般需要6min的时间，根据现场实际操作大概5条边的观测工作量相当于一个角度一测回的工作量。支导线的观测工作量假设为1，由表4计算可得：菱形法比支导线增加约148.0%的工作量；主辅点四边形法比支导线增加约100%的工作量，主辅点环形导线法比支导线法增加约144.0%的工作量；总之，后面3种的导线方法工作量增加1倍以上。通过表3和表4综合分析，得出以下结论：（1）在上述4种方法中，支导线的精度最低，四边形法的精度最高,菱形法、环形导线法次之。（2）在短导线情况下，菱形法、环形导线法、四边形法3种方案中横向误差区别不大，但当导线长度超过400m后，环形导线法的精度明显低于菱形法和四边形法。（3）在菱形法、四边形法中，导线是间隔三角形向前延伸，若近似认为其是等腰三角形，则可以认为主辅点精度是相同的。由于四边形图形中，条件数多，精度相对菱形法有所提高，但提高不明显,平均提高约8%。但四边形相对菱形法工作量减少约48%。（4）环形导线和支导线相比较,工作量增加144%，精度提高约35%；四边形导线和支导线相比较,工作量增加约1倍，精度提高约53.4%。综上所述,在结合手爬岩隧道现场实际情况和满足设计精度的前提下，采用主辅四边形导线法为最优方案，它的精度明显高于其他3种方法，而且外业工作量相对增加最少，能确保隧道的测量精度和准确贯通。5 平面控制网测量注意事项5.1 洞外控制网（1） 由于洞口场地的布设和临时设施的搭建，洞外导线边尽可能的避开障碍物，避免在角度观测时受旁折光的影响而降低观测精度。（2） 为了尽可能避免洞内、外气象条件的差异，而导致置镜此站观测洞口点时清晰度减弱，洞口的GPS控制点宜埋设在离洞口1020m之间。（3） 隧道外的GPS控制点应选择易于安置GPS接收设备、视野开阔的位置。视场周围15以上不应有障碍物，以避免GPS信号被吸收或遮挡。（4） 隧道外的GPS控制点附近不应有大面积的水域或强烈干扰信号接收的物体（如高压线、电视台等），以减弱多路径效应的影响。5.2 洞内导线网（1）因隧道施工环境复杂，车辆通行量大，在保证通视的前提下，测点尽可能埋设在稳固可靠的地段，避免施工中对测点干扰破坏。一般直线段长度不宜短于200m，曲线地段不宜短于70m。（2）在埋设新点时，都必须检测前一个旧点的稳定性，确认旧点没有发生位移，才能开始埋设新点。（3）隧道洞内导线测量宜选择在夜晚或者阴天环境温度变化不大的条件下进行，在进行观测前必须通风排烟，并保证在施工车辆较少、能见度很高的情况下进行角度和光电测距测量。（4）在观测时，应在所有观测方向中选择一个通视良好、成像清晰、竖直角较小和距离适中的方向作为零方向。当方向数较多，需分组观测时，或观测中、遇某些方向目标暂时不清晰而分组观测时，应采用同一零方向。6 结束语在遵循从整体到局部，先控制后碎部的测量工作原则下，通过对隧道洞外建立独立的平面控