長(zhǎng)大類型隧道控制測(cè)量中精密導(dǎo)線網(wǎng)的應(yīng)用分析

摘 要：在長(zhǎng)大類型隧道的測(cè)量過(guò)程中，根據(jù)精密導(dǎo)線網(wǎng)的測(cè)量機(jī)理，詳細(xì)地論述了在特殊長(zhǎng)隧道中貫通測(cè)量的技術(shù)要點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理。另外，對(duì)精密導(dǎo)線網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了準(zhǔn)確分析，本文的相關(guān)理論研究對(duì)長(zhǎng)大類型隧道精密導(dǎo)線網(wǎng)的使用，具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)大類型隧道；控制；測(cè)量；精密導(dǎo)線網(wǎng)；應(yīng)用；分析

中圖分類號(hào)：U452.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）32-0172-02

引 言

鐵路測(cè)定的相關(guān)規(guī)范中對(duì)隧道的貫通測(cè)量有著嚴(yán)格規(guī)定，鐵路測(cè)定規(guī)范是測(cè)量隧道是否準(zhǔn)確、精度是否達(dá)標(biāo)的重要標(biāo)準(zhǔn)。長(zhǎng)大類型隧道不僅在洞穴中受到施工限制，在部分嚴(yán)峻的環(huán)境下也會(huì)受到相當(dāng)大的限制，而且隨著測(cè)定誤差的不斷累積，在貫通誤差的控制上也大大增加了困難。本文以筆者親身參加的某特長(zhǎng)隧道的工程項(xiàng)目為例，對(duì)隧道控制測(cè)量中精密導(dǎo)線網(wǎng)的配置、測(cè)定、數(shù)據(jù)處理進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 工程概況

該隧道項(xiàng)目中心里程DK342+175，進(jìn)口里程DK354+765，進(jìn)口里程DK254+655，出口里程DK546+125，全長(zhǎng)24.16km，線間隔為4.6～5.0m。平面以s型走線為大體形狀，曲線半徑分別為12000m和6400m。隧道的挖掘方法主要以進(jìn)口、坊上斜井、下村斜井、出口等方位進(jìn)行開(kāi)挖。其中，坊上斜井、下村斜井采用的運(yùn)輸方式為無(wú)軌運(yùn)輸。坊上斜井坡度8.25%，長(zhǎng)度為2105.24m；下村斜井綜合坡度7.25%，長(zhǎng)度為1032.54m。該隧道工程組要有兩個(gè)公司共同承建，由于隧道的長(zhǎng)度和地形條件的限制，精密導(dǎo)線網(wǎng)的組成主要分為兩部分，第一部分為洞外GPS構(gòu)筑控制網(wǎng)，第二部分為洞內(nèi)全站儀構(gòu)建精密導(dǎo)線網(wǎng)。

2 精密導(dǎo)線網(wǎng)的觀測(cè)實(shí)施

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）嚴(yán)格控制隧道內(nèi)外的測(cè)量誤差。該工程主要采用分段開(kāi)挖方式，多個(gè)貫通面同時(shí)施工，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，相鄰的兩洞口之間的長(zhǎng)度是33.6～11.2km，隧道是誤差的值必須滿足規(guī)定要求。隧道貫通誤差值如表1所示。

（2）隧道誤差受洞外GPS構(gòu)筑控制網(wǎng)的影響。平面控制測(cè)量設(shè)計(jì)的依據(jù)基礎(chǔ)為隧道貫通精度，根據(jù)精密導(dǎo)線網(wǎng)的方向、貫通處的位置、貫通面的方向位置等，推測(cè)出隧道貫通測(cè)量誤差的影響范圍。施工段處存在兩個(gè)貫通面，隧道外精密控制網(wǎng)貫通誤差和標(biāo)準(zhǔn)分界面的誤差影響值約為23mm左右，內(nèi)部分界貫通面的橫向誤差影響值約為15mm左右，此誤差滿足誤差容許范圍。施工段隧道貫通面資料見(jiàn)表2。

2.2 精密導(dǎo)線網(wǎng)的布置

由于測(cè)量環(huán)境限制較多，經(jīng)調(diào)查研究，選用多邊形的閉合導(dǎo)線的方法進(jìn)行控制測(cè)量，測(cè)點(diǎn)選取對(duì)稱布置，從各方面構(gòu)成1～2m的對(duì)稱測(cè)點(diǎn)，各環(huán)由4～6的多邊形圍成。根據(jù)隧道長(zhǎng)度、鐵路平面形狀、施工方法及橫截面的不同選擇不同的導(dǎo)線邊長(zhǎng)，根據(jù)規(guī)范要求，每條邊應(yīng)控制在400m之外。測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量布置在方便施工、堅(jiān)固穩(wěn)定的位置。洞外控制網(wǎng)對(duì)隧道貫通橫向、縱向誤差影響值見(jiàn)表3。

2.3 布設(shè)要求及形式

導(dǎo)線網(wǎng)起算點(diǎn)的GPS控制點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行均勻成對(duì)布置，精密導(dǎo)線點(diǎn)起閉于隧道沿線的GPS控制點(diǎn)，并結(jié)合線路設(shè)計(jì)站位、豎井位置和沿線堅(jiān)固路面，布設(shè)成直伸形狀，形成掛在GPS點(diǎn)上的附合導(dǎo)線、環(huán)狀導(dǎo)線或結(jié)點(diǎn)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程的整體平面控制。

2.4 精密導(dǎo)線網(wǎng)的施工測(cè)量

為了保證觀測(cè)的準(zhǔn)確度和精確性，確保隧道內(nèi)的工程作業(yè)安全以及隧道內(nèi)的氣體流動(dòng)，不會(huì)妨礙到工程的現(xiàn)場(chǎng)施工。隧道內(nèi)部的觀測(cè)應(yīng)選擇氣流比較恒定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。觀測(cè)時(shí)，采用精密的施測(cè)儀器進(jìn)行觀測(cè)，利用全站儀測(cè)量導(dǎo)線前進(jìn)方向的角度，測(cè)量角度、測(cè)量距離同時(shí)進(jìn)行。其中，采用方向觀測(cè)法進(jìn)行方向測(cè)定，采用往返觀測(cè)法進(jìn)行距離測(cè)定。在項(xiàng)目測(cè)量之前，需要測(cè)量測(cè)定點(diǎn)相互之間的高度差，并取得測(cè)高距離。這個(gè)測(cè)高距離，主要為修改側(cè)邊數(shù)據(jù)時(shí)的計(jì)算理論依據(jù)。洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量精度要求見(jiàn)表4。

3 精密導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量結(jié)果分析

3.1 測(cè)量結(jié)果預(yù)處理

測(cè)量量數(shù)據(jù)得出以后，首先要做的就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的歸整、觀測(cè)數(shù)據(jù)的檢查、角度閉合差的復(fù)核、測(cè)量導(dǎo)線長(zhǎng)度的修改和優(yōu)化等多個(gè)方面。，使用全站儀相關(guān)軟件來(lái)將原始數(shù)據(jù)提取出來(lái)，形成電子數(shù)據(jù)觀測(cè)庫(kù)并進(jìn)行檢查和修改，然后根據(jù)電子數(shù)據(jù)觀測(cè)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行工程實(shí)際應(yīng)用。需要根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量、各項(xiàng)組合差、各導(dǎo)線的角度之間的關(guān)合差（包括折射和曲率）、導(dǎo)線邊的水平距離等將測(cè)量結(jié)果修正歸化。為把投影變形的影響減小到最低，隧道內(nèi)部的觀測(cè)控制將采用獨(dú)立的坐標(biāo)系，以北京坐標(biāo)系統(tǒng)為基準(zhǔn)，并參考投影平面在測(cè)量區(qū)處的高距，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2 數(shù)據(jù)平差計(jì)算及數(shù)據(jù)分析

通過(guò)預(yù)先處理的觀測(cè)數(shù)據(jù)將精密導(dǎo)線網(wǎng)的閉合導(dǎo)線歸入到軌道底平均距離觀測(cè)值中，以某高?？刂茢?shù)據(jù)處理軟件（codap·v6.0），進(jìn)行控制網(wǎng)平差計(jì)算及成果分析。

（1）通過(guò)儀表的顯示精度確定導(dǎo)線的方向和長(zhǎng)度，以此來(lái)進(jìn)行平差結(jié)果分析。儀表的遠(yuǎn)距離觀測(cè)值的固定誤差、體系比誤差、顯示精度、方向觀測(cè)值的誤差應(yīng)嚴(yán)格符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)控制網(wǎng)計(jì)算及成果分析，隧道內(nèi)部平面控制網(wǎng)的主要質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)在單位權(quán)中具有較小誤差，符合誤差允許范圍。

（2）根據(jù)方向的不同，需要確定方向和長(zhǎng)度的權(quán)重來(lái)進(jìn)行平差結(jié)果分析。此外，為了獲得更合理的方向觀測(cè)值和長(zhǎng)度觀測(cè)值的比例誤差，本項(xiàng)目主要采用了codaps的計(jì)算方法對(duì)兩種觀測(cè)值的確定進(jìn)行預(yù)估、優(yōu)化，并且進(jìn)一步進(jìn)行平差計(jì)算的分析和處理。隧道內(nèi)平面控制網(wǎng)的主要質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，權(quán)中誤差為2.00″，最弱點(diǎn)以及點(diǎn)位中誤差為3.25cm、0.54cm，導(dǎo)線邊長(zhǎng)相對(duì)誤差為l/564000。

根據(jù)以上兩個(gè)平差的結(jié)果分析來(lái)看，對(duì)方向和邊長(zhǎng)的觀測(cè)值的優(yōu)化以后，最弱的點(diǎn)的中誤差提高了5.2cm，相對(duì)精度從1/221000提高到1/86500。因此，對(duì)不同方向的分析有利于獲得更加準(zhǔn)確的平差結(jié)果。

3.3 精度評(píng)測(cè)

（1）導(dǎo)線精度網(wǎng)的測(cè)定。在隧道內(nèi)部的控制網(wǎng)中有多個(gè)多模閉合導(dǎo)線，在所有多模閉合導(dǎo)線中，導(dǎo)線長(zhǎng)度相對(duì)的閉關(guān)差的精確度為1/23651，精確度上下浮動(dòng)不大，比規(guī)范規(guī)定的l/50000的精度的更高。導(dǎo)線測(cè)量角度上的誤差也符合規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）橫通精度受到導(dǎo)線測(cè)量誤差的影響較大。橫通精度的確定隨著隧道內(nèi)部導(dǎo)線精度網(wǎng)的測(cè)量誤差的改變而改變。充足的實(shí)驗(yàn)可以證明此項(xiàng)目隧道內(nèi)部導(dǎo)線精度網(wǎng)的測(cè)量誤差完全可靠，實(shí)現(xiàn)了規(guī)范規(guī)定的精度。

4 影響測(cè)距精度的因素及改正方法

導(dǎo)線邊長(zhǎng)測(cè)量精度一定程度上決定了導(dǎo)線的精度。為了提高測(cè)距精度，除了選擇高精度測(cè)量?jī)x器外，還需對(duì)所測(cè)邊長(zhǎng)進(jìn)行包括大氣改正（溫度改正、氣壓改正、濕度改正等）和儀器加（乘）常數(shù)改正、平距改正、高程歸化及投影改正等多種改正。大氣對(duì)測(cè)距精度的影響明顯，全站儀測(cè)距的結(jié)果與大氣折射率相關(guān)，大氣折射率又隨著溫度、氣壓和濕度等參數(shù)的變化而變化，由于折射系數(shù)的精度與測(cè)距精度屬于同一數(shù)量級(jí)，故精確的測(cè)距需對(duì)距離進(jìn)行大氣改正，工程精密導(dǎo)線測(cè)量所用的儀器為徠卡TCA2003型全站儀，屬相位式光電測(cè)距儀，測(cè)距精度高，內(nèi)帶大氣改正公式，實(shí)時(shí)輸入現(xiàn)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)（溫度、相對(duì)濕度、大氣壓等），可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的氣象改正。與氣象改正類似，儀器內(nèi)含有加、乘常數(shù)改正公式，將儀器檢定結(jié)果中的加、乘常數(shù)輸入到儀器內(nèi)，儀器可對(duì)測(cè)量結(jié)果自動(dòng)改正。加、乘常數(shù)常用六段法、三段法和解析法等測(cè)定方法。平距改正則是將斜距改算為平距，不僅要考慮豎直角的測(cè)量精度，同時(shí)還要考慮大氣折光和地球彎曲的影響。另外，為保證精密導(dǎo)線網(wǎng)精度及測(cè)量成果的一致性，精密導(dǎo)線網(wǎng)需投影到與起算點(diǎn)GPS控制點(diǎn)一致的投影面，這就需要對(duì)導(dǎo)線邊長(zhǎng)進(jìn)行高程歸化及投影改正，兩種改正可采用專業(yè)軟件進(jìn)行，也可根據(jù)改化公式編程實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)下，隧道精密導(dǎo)線網(wǎng)的布置已廣泛應(yīng)用GPS測(cè)定技術(shù)，工程實(shí)踐中的精密導(dǎo)線網(wǎng)的測(cè)定工作已成為隧道的正確貫通的關(guān)鍵工作。如果想正確穿透隧道，就要從各個(gè)角落里確保測(cè)量成果的準(zhǔn)確性和可信度。隨著新技術(shù)和新設(shè)備的投入使用，精確導(dǎo)線網(wǎng)的測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性大幅提高，為測(cè)量成果更好地服務(wù)于工程實(shí)踐奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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收稿日期：2018-9-3

作者簡(jiǎn)介：汪浩然（1985-），男，工程師，本科，主要從事工程測(cè)繪工作。