長大隧道控制網(wǎng)分段建網(wǎng)方案對比分析

盧勇LU Yong

（中鐵八局集團第二工程有限公司，成都 610097）

0 引言

為保證隧道可在預期的時間內(nèi)貫通，需要在隧道正洞內(nèi)進行隧道施工測量。由于洞內(nèi)施工需要平面控制網(wǎng)CPIII，而隧道洞內(nèi)控制網(wǎng)CPII 是CPIII 控制網(wǎng)的基準，在CPIII 控制網(wǎng)測量時需要聯(lián)測CPII 控制點，故CPII 控制點的精度直接影響CPIII 的精度。但隧道未貫通，隧道進出口的CPI 無法為洞內(nèi)的CPII 提供約束條件，因此需要在不同的時間對隧道內(nèi)的CPII 控制點進行分段布設。因此，對長大隧道內(nèi)控制網(wǎng)分段建網(wǎng)的方案的可行性研究很有必要，并為之后研究長大隧道分段架設控制網(wǎng)提供一定的參考依據(jù)。

在傳統(tǒng)的隧道控制網(wǎng)CPII 測量時，一般采用導線測量，其中附合單導線、導線環(huán)網(wǎng)和交叉導線是常用的控制網(wǎng)架設方法[1]。附合單導線的控制網(wǎng)網(wǎng)型簡單，外業(yè)操作簡單，但其橫向擺動較大，同時多余觀測量較少，網(wǎng)型強度較弱，不適合于長大隧道的控制網(wǎng)架設；導線環(huán)網(wǎng)的控制網(wǎng)網(wǎng)型相比于附合單導線的網(wǎng)型更復雜，強度也比附合單導線更高；交叉導線網(wǎng)相較于導線環(huán)網(wǎng)網(wǎng)型更復雜，且網(wǎng)型強度更高，其對于橫向擺動的控制能力也越強。所以交叉導線網(wǎng)常用于長大隧道的控制網(wǎng)架設。因此構(gòu)網(wǎng)時選擇采用交叉導線法[2]。

1 隧道洞內(nèi)CPII 平面控制網(wǎng)布設

將該隧道分為兩段進行測設，第一段是由3#斜井至出口段，第二段由進口至3#斜井段。交叉導線網(wǎng)多余觀測條件多、圖形強度好，因此在完成隧道洞內(nèi)CPII 過程中，采用交叉導線網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)方法[3]，按邊角聯(lián)接方式構(gòu)網(wǎng)，形成由多個四邊形或多邊形組成的帶狀網(wǎng)。

隧道出口、進口和3#斜井口均有2 個已知CPI 控制點，圖1 中三角形所示，分別為BCPI15-1、BCPI15-2 和WH301A、WH303A=CPI13-1B。隧道出口端導線附合于CPI 控制點BCPI15-1、BCPI15-2，3#斜井出口端導線附合于CPI 控制點CPI13-1B、WH301A。隧道洞內(nèi)以及斜井處采用的構(gòu)網(wǎng)方法均為交叉導線法。

圖1 隧道出口段控制網(wǎng)示意圖

每隔250 米至500 米在隧道內(nèi)兩側(cè)布設一對CPII 控制點，其中一個為主導點，另一個為副導點。在觀測過程中，儀器分別安置在主導點和副導點，對相鄰的主導點和副導點進行觀測，形成多個閉合環(huán)，在隧道進出口處聯(lián)測至CPI 或CPII 控制點上。

隧道進口端導線附合于CPI 控制點BCPI11B、BCPI12B，3# 斜井端導線附合于洞內(nèi)CPII 控制點WHCPII27、WHCPII27-1、WHCPII28、WHCPII28-1。在分段測量時，只能從斜井的進口處的CPI 控制點開始，通過導線網(wǎng)聯(lián)測到斜井與正洞的入口處，再與洞內(nèi)的CPII 控制網(wǎng)進行聯(lián)測[1]。

然后利用自由測站邊角交匯網(wǎng)[4]與施工控制點進行聯(lián)測，保證隧道設計中線和施工中線盡量重合。

由于傳統(tǒng)的交叉導線網(wǎng)需要對全站儀和棱鏡對中及整平，該過程中會產(chǎn)生對中誤差，從而對控制網(wǎng)的橫向精度產(chǎn)生一定影響。而采用自由測站邊角交會網(wǎng)全站儀和棱鏡不需要對中，不會產(chǎn)生對中誤差，且多余觀測數(shù)多，網(wǎng)形可靠性強，測站位置可以根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整，靈活性高[5]。（圖2）

圖2 自由設站邊角交匯控制網(wǎng)示意圖

2 洞內(nèi)建網(wǎng)方案對比分析

數(shù)據(jù)分析前，首先整理所有方案的觀測文件。其中整網(wǎng)的觀測文件由進口到出口處結(jié)束，中間不聯(lián)測斜井口的已知點；整網(wǎng)含斜井的觀測文件由進口到3#斜井口處，再由3#斜井口處到出口處，中間處聯(lián)測3#斜井口處的CPI已知點。各個方案的平差均采用同一平差軟件進行。

整網(wǎng)數(shù)據(jù)由洞外CPI 控制點BCPI11B、BCPI12B 開始，經(jīng)轉(zhuǎn)點ZD01 和ZD01-1 傳遞到洞內(nèi)控制點WHCPII01、WHCPII01-1，最后到出口處控制點WHCPII42、WHCPII42-1，由轉(zhuǎn)點Z05、Z05-1 與出口處的BCPI15、BCPI15、BCPI15-1、BCPI15-2 進行聯(lián)測，構(gòu)成整網(wǎng)的CPII 控制網(wǎng)。

整網(wǎng)含斜井的數(shù)據(jù)在隧道正洞內(nèi)一樣，在三號斜井進口處聯(lián)測洞外CPI 控制點CPI13-1B、WH301A，由四對轉(zhuǎn)點Z01、Z02、Z03、Z04、Z01 -1、Z02 -1、Z03-1、Z04-1 連接到隧道洞內(nèi)的WHCPII27、WHCPII28、WHCPII27-1、WHPII28-1 兩對CPII 控制點。（圖3）

圖3 整網(wǎng)含斜井控制網(wǎng)示意圖

由規(guī)范知，方位角閉合差限差為±5.2″，邊長相對閉合差限差為1/100000。由表1 可知，三種方案的最大角度閉合差、最大邊長相對閉合差和驗后單位權中誤差均在限差范圍內(nèi)。說明分段方案在長大隧道中符合隧道二等測量的技術要求。

表1 限差統(tǒng)計表

為驗證分段、整網(wǎng)、整網(wǎng)含斜井三種方案的精度，通過實測的某隧道進行測試。利用點位精度、偏垂距之差和坐標之差進行評價。實驗采用某隧道三部分數(shù)據(jù)進行測試，第一部分為進口段和出口段的CPII 控制網(wǎng)的分段平差，第二部分將進口段和出口段的控制網(wǎng)合并起來但是不包含3#斜井到正洞處的控制網(wǎng)平差，第三部分是將進口段和出口段合并起來并且包含3#斜井平差。

表2 為點位精度的統(tǒng)計結(jié)果，由mx（縱坐標中誤差）、my（橫坐標中誤差）、mp（點位中誤差）描述。結(jié)果表明分段的mx、my、mp最大值和均值幾乎都比整網(wǎng)和整網(wǎng)含斜井的結(jié)果好，整網(wǎng)的mx、my、mp值最大。說明分段方案效果最好。

表2 點位精度統(tǒng)計表（mm）

坐標之差對比是指，以其中一個方案為參照，分別用另兩個方案平差后的坐標減去參照方案平差后的坐標。因此將分三種情況，即以整網(wǎng)、整網(wǎng)含斜井和分段分別為參照進行橫向偏差的對比。

控制點序號是由進口到出口。主導線和副導線擬合較好。都有一個共同的趨勢，隧道出口及進口處的橫向偏差較小，越靠近隧道中間，橫向偏差越來越大。這是因為隧道出口進口都存在控制點，因此能限制橫向偏差。

以整網(wǎng)含斜井為參照對比整網(wǎng)和分段方案的精度?？梢姺侄蔚淖鴺瞬畋日W(wǎng)的小。因為分段時聯(lián)測了斜井口的控制點，所以在斜井與正洞連接處的控制點橫向偏差較低。分段相較于整網(wǎng)有著更好的橫向精度。對比整網(wǎng)和整網(wǎng)含斜井方案的精度。整網(wǎng)含斜井的坐標差小于整網(wǎng)。這是因為整網(wǎng)含斜井聯(lián)測了3#斜井口的CPI 控制點，而整網(wǎng)沒有聯(lián)測斜井口的控制點，所以在隧道內(nèi)的橫向偏差較大。因此在進行長大隧道控制測量時，盡量在中間段去聯(lián)測已知控制點來控制橫向偏差。比較分段與整網(wǎng)含斜井的精度。兩種方案坐標差結(jié)果相似度高，因為兩者都聯(lián)測了3#斜井口的CPI 控制點，但分段效果略次于整網(wǎng)含斜井。

以上分析知，長大隧道分段測量控制網(wǎng)是可行的。聯(lián)測斜井口的分段和整網(wǎng)含斜井的橫向偏差都較小，整網(wǎng)相對較差。故應盡量聯(lián)測已知控制點控制隧道的橫向偏差。

通過控制點與隧道中線的距離來分析控制網(wǎng)的橫向偏差，稱為偏垂距之差。同樣按照坐標之差的分析方案對偏垂距之差進行實驗分析。分別以分段、整網(wǎng)、整網(wǎng)含斜井為參照，再減去另外兩種方案的偏垂距。在偏垂距分析時，采用的折線圖，為了防止出現(xiàn)鋸齒，將控制網(wǎng)的導線按照主導線和副導線分別進行分析。

同樣圖4 整個趨勢中，越靠近隧道中段，整網(wǎng)的橫向精度就越差，而兩端的橫向精度高。圖4（a）以整網(wǎng)含斜井為參照，對比分段和整網(wǎng)的精度，分段的偏垂距之差在3#斜井口與正洞交接處控制點的橫向偏差小。整網(wǎng)在隧道進出口處的橫向偏差精度較高?？煽闯龇侄蔚臋M向偏差比整網(wǎng)明顯較小。圖4（b）以分段為參考，對比整網(wǎng)和整網(wǎng)含斜井的精度。可看出整網(wǎng)含斜井比整網(wǎng)的橫向精度相對較高。圖4（c）以整網(wǎng)為參照對比整網(wǎng)含斜井和分段的精度。分段與整網(wǎng)含斜井的橫向偏差比較接近，兩者都聯(lián)測了3#斜井口處的CPI 控制點，且分段的橫向偏差較小，分段的橫向精度相較于整網(wǎng)含斜井更高。

圖4 偏垂距分析

3 結(jié)論

本文通過對比分段架設平面控制網(wǎng)、整網(wǎng)和整網(wǎng)含斜井的方案，分析選出最優(yōu)方案。主要得出以下的兩個結(jié)論：通過對比分段、整網(wǎng)、整網(wǎng)含斜井三種建網(wǎng)方案，從方向閉合差、邊長閉合差的計算分析中，分段的各項精度指標均滿足隧道二等測量的規(guī)范要求，成果可應用于施工測量中；從坐標之差及偏垂距之差可知，分段和整網(wǎng)含斜井比整網(wǎng)的橫向偏差低。因為分段和整網(wǎng)含斜井都聯(lián)測了斜井處的CPI 控制點，因此效果均比整網(wǎng)的好。綜上所述分段方案的效果最優(yōu)。在架設長大隧道平面控制網(wǎng)時，不管是分段架設還是整網(wǎng)架設，最好是聯(lián)測到斜井口的已知CPI 控制點去約束隧道的橫向偏差，這樣可以高效地控制隧道的橫向精度。