隧道洞內(nèi)虛擬雙導(dǎo)線測量技術(shù)研究

郭 平，王靠省，李小龍

(中鐵二局測試公司精測隊，四川 成都 610031)

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隧道洞內(nèi)虛擬雙導(dǎo)線測量技術(shù)研究

郭 平，王靠省，李小龍

(中鐵二局測試公司精測隊，四川 成都 610031)

針對隧道洞內(nèi)控制測量目前普遍采用的支導(dǎo)線和雙導(dǎo)線網(wǎng)兩類方法的不足，研究并提出了一種長大隧道洞內(nèi)虛擬雙導(dǎo)線測量技術(shù)方案，采用一條真實存在的支導(dǎo)線和一條內(nèi)業(yè)虛構(gòu)的虛擬支導(dǎo)線組合成虛擬雙導(dǎo)線測量方案，使其既具有常規(guī)的支導(dǎo)線簡單快捷優(yōu)點，又具有常規(guī)雙導(dǎo)線多余觀測形成閉合條件的特點，適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜的測量環(huán)境，突破多因素對選點埋樁、測量的限制，在節(jié)省費用的同時提高了測量作業(yè)效率。

長大隧道；洞內(nèi)控制測量；支導(dǎo)線；雙導(dǎo)線；虛擬雙導(dǎo)線

長大隧道工程施工過程中，從工程開工一直到工程結(jié)束，均離不開工程測量工作，隧道工程能否按規(guī)范規(guī)定的允許誤差范圍準確貫通是每個工程項目管理者和技術(shù)負責人重點關(guān)注的問題。長大隧道洞內(nèi)高精度控制網(wǎng)測量很多時候需要停工通風來創(chuàng)造良好觀測條件，保證洞內(nèi)測量設(shè)計所需要的最短邊長間通視，這又嚴重影響了工程項目管理者應(yīng)重點關(guān)注的施工工期、施工成本增加問題。這對矛盾是始終存在的。

作為施工輔助的測量工作，我們只能從自身想辦法，在保證測量精度的前提下，如何提高測量效率、加快測量進度、降低測量成本，盡量減少停工配合洞內(nèi)控制測量的時間，這是本文研究的根本目的。

支導(dǎo)線測量的優(yōu)點是：布設(shè)簡單、靈活，測量工作量小；其缺點是：由于支導(dǎo)線缺乏檢核條件，在觀測或計算過程中發(fā)生錯誤或粗差時，無法通過檢核來發(fā)現(xiàn)，而且在計算坐標時所有觀測值無法進行平差改正，因此僅在地下隧道長度很短、測量精度要求較低時采用。雙導(dǎo)線測量的優(yōu)點是：可大量增加網(wǎng)的多余觀測量、增加導(dǎo)線的閉合檢核條件、提高網(wǎng)的整體強度和精度，目前此種方法在長度較長、精度要求較高的長大隧道平面控制測量中被廣泛采用；其缺點是：對隧道內(nèi)復(fù)雜多變的測量環(huán)境適應(yīng)性差，選布點困難，相對于支導(dǎo)線，埋樁數(shù)量、測量工作量、測量成本均成倍增加。

過去長大隧道洞內(nèi)控制測量的發(fā)展均圍繞在儀器硬件設(shè)備和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件上，儀器和軟件的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)處于瓶頸，一段時間內(nèi)再向上發(fā)展已經(jīng)變得非常困難。地下隧道由于其所處位置特殊，洞內(nèi)場地狹窄，無法接收衛(wèi)星信號，只能采用導(dǎo)線測量，幾十年來一直沒有新的測量方法替代。因此，在長大隧道洞內(nèi)平面控制測量中，為了提高網(wǎng)的整體精度和可靠性，一般使用傳統(tǒng)的雙導(dǎo)線進行測量。

一、隧道洞內(nèi)控制測量方法改進方向分析

長大隧道洞內(nèi)控制測量成本主要體現(xiàn)在3方面：

1. 選點埋樁布設(shè)控制網(wǎng)

在狹窄的地下隧道里布設(shè)雙導(dǎo)線，既要保證良好的通視條件、躲避障礙物，又要保證導(dǎo)線邊長度、成對布設(shè)導(dǎo)線點和構(gòu)網(wǎng)形成閉合環(huán)，選點埋樁非常困難，而且埋樁數(shù)量多，布設(shè)控制網(wǎng)成本高。

2. 外業(yè)測量數(shù)據(jù)收集

外業(yè)測量時，當準備工作做好后，每測站測量的時間是相對固定的，對于不同操作人員測量時間也沒有多大差別，大部分時間用在了找點、清理視線上障礙物、連接照明設(shè)備、架設(shè)測量設(shè)備等準備工作上。外業(yè)測量與隧道施工相互交錯影響，測量效率極其低下，地下隧道洞內(nèi)控制測量使測量和施工成本、進度都受到嚴重影響。

3. 內(nèi)業(yè)成果數(shù)據(jù)處理

由于計算機和測量內(nèi)業(yè)軟件的快速發(fā)展，各種成熟的軟件繁多，如武漢大學、清華大學、各設(shè)計院、南方測繪、TCAS等開發(fā)了多種平差軟件，本質(zhì)上無大的差異，使不同的測量人員在處理內(nèi)業(yè)成果數(shù)據(jù)時效率相差無幾。

綜合以上分析，要想使長大隧道洞內(nèi)控制測量成本得到控制，測量效率得到提高，減小測量造成的對施工工期、施工成本的影響，只能在選點、埋樁、布設(shè)控制網(wǎng)和外業(yè)測量數(shù)據(jù)收集兩個環(huán)節(jié)上尋找突破口。為此，本文研究一種長大隧道洞內(nèi)控制測量方案，提出了一種創(chuàng)新的虛擬雙導(dǎo)線測量技術(shù)方案，克服了現(xiàn)有地下隧道洞內(nèi)控制測量技術(shù)上的缺點，能快速準確地完成長大隧道洞內(nèi)控制測量工作。

二、虛擬雙導(dǎo)線測量關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

1. 關(guān)鍵技術(shù)

虛擬雙導(dǎo)線測量技術(shù)是在傳統(tǒng)隧道洞內(nèi)控制測量的基礎(chǔ)上，由一條真實存在的支導(dǎo)線與一條內(nèi)業(yè)虛構(gòu)的虛擬支導(dǎo)線結(jié)合組成的虛擬雙導(dǎo)線測量技術(shù)方案。

在進行長大隧道工程控制測量過程中，首先按最有利的測量條件選埋一條傳統(tǒng)支導(dǎo)線，對傳統(tǒng)支導(dǎo)線預(yù)先在內(nèi)業(yè)虛構(gòu)一條支導(dǎo)線與之組合，按雙導(dǎo)線組網(wǎng)規(guī)則構(gòu)建一條虛擬雙導(dǎo)線，然后嚴格按構(gòu)建的虛擬雙導(dǎo)線采用特定的方法進行外業(yè)測量及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，從而獲得等同甚至超越傳統(tǒng)雙導(dǎo)線精度的控制點成果，使長大隧道導(dǎo)線控制測量同時兼具傳統(tǒng)支導(dǎo)線布設(shè)靈活簡便、測量快捷與雙導(dǎo)線精度高、可靠性高的特點，有效解決地下隧道導(dǎo)線控制測量點位布設(shè)、測量效率、測量成本、隧道施工工期、施工成本間相互矛盾的問題，可用于各種工程控制測量，特別是在地下隧道越長、測量環(huán)境越困難的控制測量中更具顯著優(yōu)勢。

2. 技術(shù)創(chuàng)新

(1) 將支導(dǎo)線和雙導(dǎo)線優(yōu)點有機結(jié)合

本文測量方案是采用一條支導(dǎo)線與一條虛擬支導(dǎo)線相結(jié)合組成虛擬雙導(dǎo)線測量技術(shù)方案。現(xiàn)場控制網(wǎng)實際為一條傳統(tǒng)的支導(dǎo)線，選點埋樁不受通視、組網(wǎng)、邊長等諸多因素限制，能最大限度保證選取最優(yōu)的測量觀測條件點位；虛擬的支導(dǎo)線和真實存在的支導(dǎo)線結(jié)合可以滿足成環(huán)構(gòu)網(wǎng)需要，達到傳統(tǒng)雙導(dǎo)線的多余觀測、檢核條件、高精度、高可靠性效果，同時提高測量作業(yè)效率。

(2) 測量方法實質(zhì)改變，提高測量成果精度

在傳統(tǒng)支導(dǎo)線測量中，因為無多余觀測組成平差條件，導(dǎo)線成果直接按外業(yè)測量得到的邊角數(shù)據(jù)推算得到各支導(dǎo)線點坐標成果，對含有誤差的角度、邊長觀測值不作有益的改正，所得結(jié)果精度上受到限制。傳統(tǒng)雙導(dǎo)線有大量多余觀測組成閉合條件，按照測量平差理論可以進行嚴密平差計算，使含有誤差的角度、邊長觀測值得到最有益的改正，導(dǎo)線使用的是嚴密平差后成果，精度和可靠性與支導(dǎo)線相比均得到明顯提高。本文虛擬雙導(dǎo)線測量技術(shù)，不但使傳統(tǒng)的支導(dǎo)線可以用嚴密平差理論進行平差，而且因為虛擬雙導(dǎo)線一實一虛成對導(dǎo)線點，本身就是同一個控制點點位，對虛擬雙導(dǎo)線的觀測，實際是對同一支導(dǎo)線進行獨立的多余觀測，在測量過程中由于不可避免地測量誤差，使原本重合的一實一虛導(dǎo)線點一分為二不再重合，并按組網(wǎng)方案形成閉合環(huán)，得到等同于傳統(tǒng)雙導(dǎo)線精度的結(jié)果。最后通過將支導(dǎo)線點及其對應(yīng)的虛擬導(dǎo)線點坐標成果取加權(quán)平均值又將其合二為一，在傳統(tǒng)雙導(dǎo)線基礎(chǔ)上又一次提高了導(dǎo)線精度和可靠性，因此虛擬雙導(dǎo)線測量成果等同甚至超越了傳統(tǒng)雙導(dǎo)線精度。

長大隧道洞內(nèi)控制測量多年來一直只在測量儀器和平差計算軟件上有所突破，而虛擬雙導(dǎo)線測量技術(shù)則是在測量方法上的進步。

(3) 不新增任何投入即可降低測量成本，減小對施工工期的影響

長大隧道洞內(nèi)虛擬雙導(dǎo)線測量方案構(gòu)建的虛擬雙導(dǎo)線，現(xiàn)場控制網(wǎng)實際為一條傳統(tǒng)的支導(dǎo)線，從選點埋樁的角度可以直接節(jié)省50%測量選點埋樁費用，按本文測量技術(shù)進行隧道洞內(nèi)控制測量，可以減少40%直接測量人員投入，提高30%～50%測量工作效率，可以降低40%直接測量成本。

高精度的長大隧道洞內(nèi)控制測量，需要施工現(xiàn)場局部停工或全部停工來保證必要的測量條件，因此測量速度的快慢，直接影響隧道控制測量對隧道施工的時間占用，進而消耗工期時間，直接影響施工進度和施工成本。直接測量成本的高低在施工企業(yè)也許不太引人注目，但由于采用了新的洞內(nèi)測量技術(shù)，測量占用長大隧道施工時間越短越有利于隧道工期的保證，在此雖不能直接計算對綜合施工成本的影響有多大，但效果是顯而易見的。

三、虛擬雙導(dǎo)線測量工藝流程

下面結(jié)合附圖和實例對本文技術(shù)方案工藝流程作進一步說明。

1. 隧道洞內(nèi)選點埋樁

如圖1所示，長大隧道工程一端洞口外有K1、K2、K3、K4隧道洞外控制點，沿隧道開挖掘進方向選擇最有利的測量條件選埋一條支導(dǎo)線，避免旁折光等不利因素，依次編號D1，D2，…，Dn標識清楚，畫出所布設(shè)的支導(dǎo)線示意圖。

現(xiàn)有的傳統(tǒng)支導(dǎo)線布置方法，樁點位置選定、埋設(shè)與支導(dǎo)線完全相同，如圖1中D1，D2，…，Dn為實際選埋導(dǎo)線點。支導(dǎo)線布設(shè)簡單、靈活，由于只是簡單的單點連接，可最大限度選擇好的通視條件和觀測條件，避免了地下洞室內(nèi)雙導(dǎo)線點布設(shè)因場地狹窄、施工干擾、通視條件、旁折光影響等因素造成選點布設(shè)困難的問題，而且大大減輕了樁點埋設(shè)的工作量，降低了50%埋樁的成本。

圖1

2. 內(nèi)業(yè)構(gòu)建虛擬雙導(dǎo)線

如圖2所示，在原實際埋設(shè)支導(dǎo)線D1，D2，…，Dn的一側(cè)內(nèi)業(yè)構(gòu)建一條虛擬支導(dǎo)線XD1，XD2，…，XDn，D1，D2，…，Dn與XD1，XD2，…，XDn一一對應(yīng)。虛擬支導(dǎo)線點號編號并無特殊要求，只需要與原支導(dǎo)線點明顯區(qū)分開來，畫在示意圖上一一對應(yīng)，后面實際觀測時測量人員應(yīng)根據(jù)測站編號所對應(yīng)的前后視點號，與測站工作人員核對清楚即可。虛擬導(dǎo)線點與原實際埋設(shè)支導(dǎo)線一起按規(guī)范要求4～6個點構(gòu)成一個閉合環(huán)，組成虛擬雙導(dǎo)線。

圖2

內(nèi)業(yè)構(gòu)建的虛擬支導(dǎo)線XD1，XD2，…，XDn實際點位就是D1，D2，…，Dn，可以假想為無限接近的成對控制點，通過本文技術(shù)方案，可達到既節(jié)省50%埋樁成本，又能有足夠的點組成雙導(dǎo)線的目的。

3. 虛擬雙導(dǎo)線外業(yè)觀測

嚴格按圖2內(nèi)業(yè)構(gòu)建的虛擬雙導(dǎo)線進行外業(yè)測量，收集水平角度、導(dǎo)線邊長等導(dǎo)線測量外業(yè)數(shù)據(jù)。

依據(jù)相關(guān)測量規(guī)范、隧道長度、洞內(nèi)測量設(shè)計等，選取測量外業(yè)相關(guān)技術(shù)指標和測量設(shè)備進行外業(yè)觀測，以圖2中D2和XD2一對點觀測方法加以說明，其余測站類推。

清理點位測量環(huán)境和測量視線上的障礙物，將測量儀器架設(shè)在D2測站上，輔助人員將測量反射鏡覘標分別架設(shè)于D1和D3上，整平對中，測量儀器和測量反射鏡覘標各自記下光學對中器對中時的方向和整平時水準管方向，連接好測量反射鏡覘標照明燈光。起始觀測方向選為D1，按盤左照準D1讀數(shù)、盤左順時針轉(zhuǎn)到D3照準讀數(shù)、倒鏡盤右照準D3讀數(shù)、盤右逆時針轉(zhuǎn)到D1照準讀數(shù)的順序完成一個測回，并記錄水平角度、導(dǎo)線邊長等數(shù)據(jù)，依此類推，完成D2測站其余測回工作。這樣在記錄上反映測出來的水平角度為∠D1-D2-D3，即以D2為頂點，D1順時針轉(zhuǎn)到D3的水平夾角。

XD2測站與D2雖是同一控制點位，但要將其當作獨立點重新架設(shè)儀器、獨立完成數(shù)據(jù)觀測。此站原始數(shù)據(jù)觀測時要調(diào)換后視控制點，即起始觀測方向選為D3，目的是為了對照擬定的示意圖與前后視配合測量人員核對記錄的方向順序和點號是否正確。

將測量儀器和測量反射鏡覘標光學對中器對中方向和水準管整平時方向均旋轉(zhuǎn)180°進行重新精確對中整平，即完成XD2測站儀器架設(shè)，然后按盤左照準D3讀數(shù)、盤左微動儀器照準XD3讀數(shù)、盤左順時針轉(zhuǎn)到XD1照準讀數(shù)、倒鏡盤右照準XD1讀數(shù)、盤右逆時針轉(zhuǎn)到XD3照準讀數(shù)、盤右微動儀器照準D3讀數(shù)的順序完成一個測回，并記錄水平角度、導(dǎo)線邊長等數(shù)據(jù)，依此類推，完成XD2測站其余測回工作。這樣在記錄上反映測出來的水平角度為∠D3-XD2-XD3和∠D3-XD2-XD1，即以XD2為頂點，D3順時針轉(zhuǎn)到XD3和XD1的水平夾角。如圖3所示。

圖3

圖2中每一條連線即代表一個觀測方向，D3和XD3名為兩個點，實際為同一個點位，但觀測時按兩個獨立控制點進行獨立照準觀測；進行虛擬雙導(dǎo)線內(nèi)業(yè)構(gòu)網(wǎng)時將XDn全部畫在了Dn的一側(cè)只是便于查看，由于測量誤差偶然性，實際測量結(jié)果下，XDn可能處于Dn周圍隨機位置，如圖4所示，但這不影響控制網(wǎng)的構(gòu)成、測量和計算。

圖4

在觀測過程中，傳統(tǒng)的雙導(dǎo)線測量，測站至少需要1人操作儀器、前后各需要2個人架設(shè)測量反射鏡覘標，一個測量小組最少需要5個主要測量人員；而本文技術(shù)方案中由于Dn和XDn是一個點位，前后架設(shè)測量反射鏡覘標各需要1個人，一個測量小組只需要3個測量人員，因此可以節(jié)省人員成本40%左右。由于Dn和XDn是一個點位，在由Dn換到XDn測站時，測量儀器和測量反射鏡覘標光學對中器對中方向和水準管整平時方向均旋轉(zhuǎn)180°進行重新精確對中整平即完成架設(shè)，測量儀器和測量反射鏡覘標均是在Dn測站粗平的基礎(chǔ)上進行，可以快速地完成精確對中整平。而且測量點位測量環(huán)境和測量視線上的障礙物清理、照明燈光等在Dn測站時已經(jīng)準備就緒，此步驟與傳統(tǒng)雙導(dǎo)線測量相比，視現(xiàn)場環(huán)境條件可以節(jié)省30%～50%甚至更多的準備工作時間。Dn測站和XDn測站，測量儀器和測量反射鏡覘標光學對中器對中方向和水準管整平時方向均旋轉(zhuǎn)180°進行重新精確對中整平，測量水平角度分別為Dn的左角和右角，不但額外增加左角+右角=360°、∠D3-XD2-XD3=0等檢核條件，還因為后面將Dn和XDn取加權(quán)平均值使用，可以抵消大部分因設(shè)備校正不完全而引起的測量誤差，從而提高導(dǎo)線精度。

4. 外業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理、平差

外業(yè)觀測得到的邊長數(shù)據(jù)一般經(jīng)過了儀器加乘常數(shù)改正和溫度氣壓改正，內(nèi)業(yè)還要進行高程投影改正和高斯投影改正、導(dǎo)線閉合環(huán)閉合差檢驗，確認觀測數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求后才能用于平差計算。

計算方法、原理、技術(shù)指標、平差軟件等均與傳統(tǒng)雙導(dǎo)線相同，因此無須進行任何新的投入，本文技術(shù)方案虛擬雙導(dǎo)線測量結(jié)果，具有傳統(tǒng)雙導(dǎo)線的所有特征。

5.虛擬雙導(dǎo)線融合還原為支導(dǎo)線

本文技術(shù)方案提供的虛擬雙導(dǎo)線不但可以按傳統(tǒng)雙導(dǎo)線平差，得到等同于傳統(tǒng)雙導(dǎo)線精度的結(jié)果，而且因為虛擬雙導(dǎo)線一實一虛成對導(dǎo)線點，本身就是同一個控制點點位，在測量過程中由于不可避免的測量誤差，使原本重合的一實一虛導(dǎo)線點坐標成果一分為二不再重合，通過將支導(dǎo)線點及其對應(yīng)的虛擬導(dǎo)線點坐標取加權(quán)平均值又將其合二為一，融合還原為一條支導(dǎo)線，在傳統(tǒng)雙導(dǎo)線基礎(chǔ)上又一次提高了導(dǎo)線精度和可靠性。因此本文技術(shù)方案測量成果等同甚至超越了傳統(tǒng)雙導(dǎo)線精度。

四、結(jié)束語

隨著國家“十三五”規(guī)劃的推進，鐵路、公路、地鐵隧道越來越多、越來越長，要以有限的資源完成更多的隧道洞內(nèi)測量任務(wù)，只能靠設(shè)備的發(fā)展、技術(shù)的進步來提高生產(chǎn)力，而虛擬雙導(dǎo)線測量技術(shù)將在今后長大隧道洞內(nèi)測量中發(fā)揮重要作用。

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Technical Study for Inside Tunnel Virtual Double-traverse Surveying

GUO Ping，WANG Kaosheng，LI Xiaolong

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郭 平(1974—)，男，高級工程師，主要從事工程控制測量和精密工程測量工作。E-mail：67125361@qq.com

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