長大隧道獨(dú)立控制網(wǎng)的建立方法

童鵬程（中鐵四局集團(tuán)建筑公司有限公司，安徽　合肥　230022）

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長大隧道獨(dú)立控制網(wǎng)的建立方法

童鵬程
（中鐵四局集團(tuán)建筑公司有限公司，安徽合肥230022）

摘要：以張?zhí)畦F路桃花山隧道為例，采用改變投影面和使用一點(diǎn)一方向平差的方法，建立了隧道獨(dú)立坐標(biāo)系，通過對隧道獨(dú)立平面控制網(wǎng)測量成果的分析，指出采用該方法建立的獨(dú)立坐標(biāo)系，可提高控制網(wǎng)精度，滿足隧道施工要求。

關(guān)鍵詞：長大隧道，獨(dú)立坐標(biāo)系，一點(diǎn)一方向法，平面控制網(wǎng)

在鐵路隧道工程建設(shè)過程中，為保證長大隧道的順利貫通，對洞外控制網(wǎng)的精度要滿足相應(yīng)規(guī)范要求，特別是對平面控制網(wǎng)的精度要嚴(yán)格按照相應(yīng)規(guī)范要求進(jìn)行測設(shè)。在平面控制測量過程中，往往存在平面控制點(diǎn)的計(jì)算邊長與實(shí)測邊長不相符，洞口投點(diǎn)計(jì)算角度與實(shí)測角度不相符，產(chǎn)生較大差值，這會對隧道貫通測量及后續(xù)無砟軌道施工造成較大的影響?！陡咚勹F路工程測量規(guī)范》要求，隧道施工獨(dú)立控制網(wǎng)的邊長投影變形值要小于10 mm/km，才能滿足隧道施工要求，否則就要建立滿足上述投影變形要求的獨(dú)立坐標(biāo)系。對于長度超過6 km的隧道等大型構(gòu)筑物，設(shè)計(jì)單位均要求施工方建立獨(dú)立平面坐標(biāo)系。

1　工程概況

張?zhí)畦F路桃花山隧道穿越燕山山脈東段，進(jìn)口里程DK395 + 981，出口里程為DK402 +377，斜井里程DK398 + 360。隧道全長6 396 m，隧道最大埋深約199 m，最小埋深約20 m，隧道中段位于半徑R =3 000的曲線段上，其余位于直線段上，為雙線隧道。列車設(shè)計(jì)時速120 km/h，軌道類型為重型，整體道床。桃花山隧道地面高程為109 m，相對高差56 m。地表植被發(fā)達(dá)，樹木繁茂，通視條件較差，隧道進(jìn)、出口有鄉(xiāng)村道路，交通條件相對方便。

2　隧道獨(dú)立控制網(wǎng)建立方法

在隧道施工過程中，因進(jìn)、出口的平面控制網(wǎng)的角度精度直接影響隧道的橫向貫通效果；斜井或平硐大多都垂直于隧道線路，其邊長精度影響隧道橫向貫通，同時也影響隧道實(shí)際里程長度，影響后續(xù)無砟軌道施工，故長大隧道施工必須要有高精度的平面控制網(wǎng)。但此隧道設(shè)計(jì)單位本身所交勘測平面控制網(wǎng)精度不高，若用此控制網(wǎng)中的點(diǎn)作為起算點(diǎn)來約束隧道加密控制網(wǎng)，將嚴(yán)重影響隧道貫通精度。因此本隧道應(yīng)建立獨(dú)立平面坐標(biāo)系，并應(yīng)采用一點(diǎn)一方向法解算加密網(wǎng)。

2.1建立獨(dú)立平面坐標(biāo)系

為了減少投影變形對本隧道施工的影響，隧道施工中應(yīng)建立獨(dú)立平面坐標(biāo)系統(tǒng)，具體分以下三種情況：

1）通過改變Hm從而選擇合適的高程參考面，將抵償分帶投影變形，這種方法稱為抵償投影面的高斯正形投影，即采用抵償高程面而中央子午線不變的方法。2）通過改變ym，從而對中央子午線作適當(dāng)移動，來抵償由高程面的邊長歸算到參考橢球面上的投影變形，這種通常稱為任意帶高斯正形投影，即變換中央子午線而投影面不變的方法。3）通過既改變Hm（選擇高程參考面），又改變ym（移動中央子午線），來共同抵償兩項(xiàng)歸算改正變形，這種通常稱為具有高程抵償面的任意帶高斯正形投影，即改變投影面又改變投影帶的方法。

2.2隧道洞口加密點(diǎn)埋設(shè)

隧道各洞口加密控制點(diǎn)位置的選取和埋設(shè)既要考慮到GPS觀測時的要求，也要考慮到全站儀測角測邊時的要求，特別是洞口投點(diǎn)T既要在地質(zhì)穩(wěn)定、不易被破壞的地方，又要能夠和隧道洞口兩側(cè)的后視點(diǎn)通視，同時還能夠看到隧道洞口深處，從而確保洞內(nèi)外聯(lián)系測量時對洞內(nèi)導(dǎo)線邊長度的要求。隧道洞口應(yīng)埋設(shè)最少3個GPS加密點(diǎn)，且盡量布設(shè)成相互距離不小于350 m邊長，困難地段邊長不能小于300 m。

2.3抵償投影長度變形的方法

此隧道中心位置距離勘測網(wǎng)中的中央子午線（其經(jīng)度為118° 12'）約有18 km，隧道線路平均高程面約80 m，投影面大地高100 m。由于實(shí)測邊長歸算到參考橢球面上變形與參考橢球面上的邊長歸算到高斯面上的變形有部分相互抵償，即：

其中，Δs為邊長投影變形值；Hm為歸算邊高出抵償高程面的平均高程；Rm為地球平均曲率半徑；ym為歸算邊兩端點(diǎn)橫坐標(biāo)平均值；R為歸算邊方向參考橢球法截弧的曲率半徑；S為實(shí)際測量的水平距離。

現(xiàn)將ym=18 km和Hm=100 m代入式（3）中，為了計(jì)算方便Rm= R =6 370 km，可計(jì)算出1 km邊的長度變形值為-1.2 cm，這超出了規(guī)范要求變形值不超過1.0 cm/km的要求。此時我們可令Δs =0，則由式（3）可求得：

將上述數(shù)值代入式（2）中，可求得高差ΔH = 25 m。此時，將地面實(shí)測距離歸算到100 -25 =75 m高程面上，兩項(xiàng)長度改正得到完全補(bǔ)償。通過對式（1），式（2）的計(jì)算可知，隧道偏離中央子午線對變形影響的偏差較小，投影面的選擇對變形的影響較大，故本次隧道獨(dú)立平面坐標(biāo)系選擇采用抵償高程面而中央子午線不變的方法。

2.4一點(diǎn)一方向法

此隧道設(shè)計(jì)單位提供的控制點(diǎn)為四等導(dǎo)線點(diǎn)和四等GPS點(diǎn)，作為隧道首級控制網(wǎng)顯然精度較低，若用此控制網(wǎng)來加密隧道施工控制網(wǎng)，將導(dǎo)致誤差會全部集中在隧道內(nèi)部，從而影響隧道的貫通精度。因此本隧道采用一點(diǎn)一方向法建立獨(dú)立平面坐標(biāo)系，從而將控制網(wǎng)的各項(xiàng)誤差全部推到隧道外部路基上，保證隧道的貫通精度。此時隧道獨(dú)立平面坐標(biāo)系是在原勘測坐標(biāo)系橢球下，以勘測網(wǎng)中2 423點(diǎn)作為約束起算點(diǎn)，以2 423 -2 430方向作為約束方向（見圖1），中央子午線L0=118°12'不變，投影面高程H抵= 100 m變?yōu)?5 m。通過武漢大學(xué)COSAGPS軟件解算，隧道出口2 430的坐標(biāo)與原勘測網(wǎng)坐標(biāo)對比見表1。

圖1　隧道獨(dú)立控制網(wǎng)圖

表1　2 430點(diǎn)獨(dú)立坐標(biāo)與原勘測網(wǎng)坐標(biāo)對比　m

3　隧道獨(dú)立平面控制網(wǎng)的成果對比

為了檢驗(yàn)獨(dú)立平面控制網(wǎng)的精確性，現(xiàn)選取隧道進(jìn)口、出口、斜井位置各洞口投點(diǎn)與兩側(cè)后視點(diǎn)之間的夾角和距離，并與隧道獨(dú)立坐標(biāo)系計(jì)算的夾角和距離進(jìn)行對比，詳見表2，表3。其中水平角觀測9個測回，距離往返觀測4個測回。

通過上述數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)各洞口投點(diǎn)夾角實(shí)測值與計(jì)算值相差最大為2.45″，邊長實(shí)測值與計(jì)算值最大相差-2.7 mm，邊長相對誤差最大值為1∶133 084，對比結(jié)果表明用此方法建立的隧道獨(dú)立坐標(biāo)系成果完全能夠滿足本隧道的施工精度要求。

表2　各洞口投點(diǎn)夾角對比表

表3　各洞口投點(diǎn)后視邊長對比表

4　結(jié)語

在長大隧道施工過程中，通過對建立獨(dú)立平面坐標(biāo)系的研究分析可知，在何種情況下采用改變抵償高程面，何種情況下采用改變中央子午線，何種情況下兩者都改變的方法來提高隧道獨(dú)立平面控制網(wǎng)的精度。另外，通過一點(diǎn)一方向的方法，可以進(jìn)一步將獨(dú)立平面控制網(wǎng)中的誤差全部推到隧道洞外，從而實(shí)現(xiàn)提高隧道貫通精度的效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］TB 10601—2009，高速鐵路工程測量規(guī)范［S］.

［2］孔祥元，梅是義.控制測量學(xué)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2002.

The establishment method of long tunnel independent control network

Tong Pengcheng
（China Railway 4th Bureau Group Construction Company Limited Company，Hefei 230022，China）

Abstract：Taking the Zhangtang railway Taohuashan tunnel as an example，this paper used the projection plane change and one point one direction adjustment method，established the tunnel independent coordinate system，through the analysis on tunnel independent plane control network measurement results，pointed out that adopted the method to establish the independent coordinate system，could improve the control precision，satisfied the requirement of tunnel construction.

Key words：long tunnel，independent coordinate system，one point one direction，plane control network

中圖分類號：U452.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0181-02

收稿日期：2015-12-15

作者簡介：童鵬程（1984-），男，工程師