坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法在高速鐵路隧道控測中的應(yīng)用

郝立濤

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速鐵路建設(shè)高潮的到來，對測量的精度要求越來越高，隧道在高速鐵路干線的線路設(shè)計中占的比重越來越大，根據(jù)《高速鐵路工程測量規(guī)范》，當(dāng)隧道洞口兩端的線路控制網(wǎng)(CPⅠ，CPⅡ)不在一個投影帶內(nèi)時，需建立獨立的隧道施工控制網(wǎng)。傳統(tǒng)做法是在隧道控測時需要人為的重新布設(shè)交切點(即直線控制樁)，這就引起了增加工作量及影響測量精度等很多的問題;結(jié)合實際工作經(jīng)驗，我們探索出一種新的隧道控測的方法，不需要提前進(jìn)行直線控制樁的布設(shè)，此工作方法簡化了控測的流程，減少了工作量，提高了效率并且滿足隧道施工測量需要，有一定的實際應(yīng)用價值。

1 隧道控制測量現(xiàn)狀

目前，根據(jù)《高速鐵路工程測量規(guī)范》，新建高速鐵路在設(shè)計階段不再布設(shè)直線控制樁，也就是不再進(jìn)行線路控制樁的放樣(交切測量)，但是根據(jù)規(guī)范要求，在長大隧道控測時仍然需要直線控制樁對隧道線路進(jìn)行控制，這就導(dǎo)致了在長大隧道施工控制網(wǎng)布設(shè)時需要先進(jìn)行直線控制樁的布設(shè)。由于測區(qū)往往植被茂密，山勢陡峭，所以一般均采用RTK交切技術(shù)進(jìn)行直線控制樁的放樣布設(shè)，然后再將新布設(shè)的直線控制樁納入到新建隧道控制網(wǎng)之中，隨后計算得到獨立控制網(wǎng)下各交點間的距離及角度，在保證原隧道線路設(shè)計資料曲線要素中緩和曲線和半徑不變的前提下，得到新的隧道線路設(shè)計成果。

但是我們在實際的工作中發(fā)現(xiàn)此方法有以下缺點:1)RTK進(jìn)行直線控制樁布設(shè)精度不夠。2)RTK布設(shè)直線控制樁增加了控制網(wǎng)的工作量。

2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法介紹

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法是通過在不同坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將線路控制網(wǎng)下的隧道線路起點、交點、線路終點坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到獨立控制網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)下，并保持隧道線路曲線要素中的緩和曲線長、曲線半徑不變，從而生成獨立坐標(biāo)系下的隧道線路資料，并以此為依據(jù)進(jìn)行施工測量。具體流程如下:

1)控制網(wǎng)的布設(shè)和觀測。首先根據(jù)《新建鐵路隧道測量規(guī)范》，在隧道進(jìn)出口、輔助坑道處布設(shè)相應(yīng)控制點，待控制樁沉降穩(wěn)定后采用靜態(tài)測量模式進(jìn)行觀測，并和隧道進(jìn)出口的線路控制網(wǎng)(CPⅠ)進(jìn)行聯(lián)測，然后進(jìn)行無約束平差，生成WGS84橢球下的無約束空間直角坐標(biāo);采用平差軟件將得到的各點的空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成抵償坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)。2)生成新的隧道坐標(biāo)資料。以隧道進(jìn)出口的線路控制網(wǎng)(CPⅠ)為基準(zhǔn)，在隧道進(jìn)出口前直線邊上各選取一個整里程(或整百米)點，將這兩個里程點及中間所有的線路交點的線路坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到抵償坐標(biāo)系下;保持線路曲線資料中的緩和曲線長和曲線半徑不變，以新的線路控制坐標(biāo)為依據(jù)，計算出新的隧道線路坐標(biāo)資料。3)獨立坐標(biāo)系的建立。在新的隧道線路長洞身直線上選取兩整公里里程點坐標(biāo)，N方向賦值為其對應(yīng)線路里程，E方向賦值為一整數(shù)值(如50 000.000)，以此生成獨立坐標(biāo)系統(tǒng)下隧道線路資料及各控制點坐標(biāo)成果。

3 工程應(yīng)用實例分析

西成鐵路某長隧道，全長8 925 m，線路跨越秦嶺山脈，途經(jīng)秦嶺自然保護(hù)區(qū)，測區(qū)內(nèi)植被茂密，山高谷深，交通極為不便。由于隧道進(jìn)出口分別位于不同的投影帶，按照《高速鐵路工程測量規(guī)范》，需要進(jìn)行隧道洞外控制測量。

3.1 選點埋樁

在線路控測階段，隧道進(jìn)出口分別已經(jīng)布設(shè)了兩組線路控制網(wǎng)(CPⅠ)，點號分別為 CPⅠ 059，CPⅠ060，CPⅠ 061，CPⅠ 062。隧道控測過程中，分別在隧道進(jìn)出口及輔助坑道處各選埋了3個～4個控制點，具體布設(shè)情況如圖1所示。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)觀測及處理

依據(jù)《鐵路工程衛(wèi)星定位測量規(guī)范》，高速客專隧道控制網(wǎng)按照二等精度來施測。外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用了13臺套標(biāo)稱精度為±(5 mm+1×10-6×D)的 Leica1230型雙頻接收機同步靜態(tài)測量模式觀測，將圖1中所有控制點納入到隧道洞外控制網(wǎng)中。觀測前對觀測條件困難的點繪制了環(huán)視圖，根據(jù)環(huán)視圖做了詳細(xì)的星歷預(yù)報，制定科學(xué)的觀測計劃，保證觀測精度達(dá)到二等要求。

數(shù)據(jù)處理階段，首先進(jìn)行同步環(huán)和重復(fù)基線的分析處理，符合精度要求以后再挑選不同時段的基線構(gòu)成獨立基線網(wǎng)，在網(wǎng)內(nèi)各質(zhì)量因子滿足要求后進(jìn)行無約束平差計算，生成WGS84橢球下的無約束平差空間直角坐標(biāo)成果，然后通過平差軟件將空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成提前設(shè)計好的抵償坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)。

3.3 線路坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換抵償坐標(biāo)系統(tǒng)

根據(jù)已知的國家2000系統(tǒng)下的隧道線路資料，能夠得到以下坐標(biāo):

隧道進(jìn)口里程為DK196+930，位于直線上，所以選取隧道進(jìn)口前就近一個整百里程DK196+900里程點坐標(biāo)，保證隧道與線路路基的銜接無誤;隧道出口里程為DK205+855，仍然位于曲線上，所以取該曲線緩直點外任一點 DK206+200里程點坐標(biāo);JD26，JD27兩個曲線交點坐標(biāo)。

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時已經(jīng)得到了CPⅠ059，CPⅠ060，CPⅠ061，CPⅠ062四個線路控制點的抵償坐標(biāo)系坐標(biāo)，再利用上述四點的線路控制坐標(biāo)，求解七個轉(zhuǎn)換參數(shù)，得到抵償坐標(biāo)系下隧道進(jìn)出口及JD26，JD27四個點的坐標(biāo)。

利用新得到的交點坐標(biāo)，保持原隧道線路曲線的緩和曲線長和半徑不變，生成WGS84橢球抵償坐標(biāo)系下的隧道線路，分析后發(fā)現(xiàn)新的線路資料與國家2000系統(tǒng)下線路資料相比幾乎無變化，這是因為WGS84橢球和國家2000橢球的長半軸相同，扁率變化不大，所以在小范圍內(nèi)不同高斯平面之間轉(zhuǎn)換的差值相對很小。

由上可知此轉(zhuǎn)換所引起的長度和角度變形非常小，所以在新的獨立坐標(biāo)系統(tǒng)下，隧道進(jìn)口、出口里程、輔助坑道里程、長度及偏角均可保持不變。

3.4 抵償坐標(biāo)系統(tǒng)至獨立坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換

按照《鐵路工程衛(wèi)星定位測量規(guī)范》，需要將隧道長洞身的方位假定為0°00′00″，所以選取抵償坐標(biāo)系統(tǒng)下長隧道洞身兩個整里程點DK203+000和DK201+000，N方向賦值為其對應(yīng)的線路里程，E方向賦值為50 000.000，利用這兩個點進(jìn)行抵償坐標(biāo)系統(tǒng)至獨立坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)系見表1。

表1 抵償坐標(biāo)系統(tǒng)和獨立坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換

4 結(jié)語

在高速鐵路隧道控制測量過程中，不需要進(jìn)行洞口投點，可采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法，即減少了工作量，提高了生產(chǎn)效率，并且提高了測量的精度，保證了設(shè)計資料的準(zhǔn)確性。在實際應(yīng)用中應(yīng)注意隧道進(jìn)出口子網(wǎng)間應(yīng)該存在高等級的控制網(wǎng)點，以保證隧道控制網(wǎng)的整體性。

[1] TB 10601-2009，高速鐵路工程測量規(guī)范[S].

[2] TB 10054-2009，鐵路工程衛(wèi)星定位測量規(guī)范[S].

[3] 陳澤遠(yuǎn).GPS交切技術(shù)在隧道地區(qū)測設(shè)中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2003(2):55-56.

[4] 金海仙.GPS在長隧道的洞外測量[J].山西建筑，2008，34(7):359-360.