1兰渝隧道控制测量方案实施.docx
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1兰渝隧道控制测量方案实施
兰渝铁路隧道施工控制测量
第八项目部郭浩民王红雷梁运忠
1.概述
1.1工程概述
兰渝铁路（兰州至广元段）自兰州东站引出，穿跨群山河谷，至四川广元市。
我一航局一公司承建其中5条隧道、4座大桥，全程约26公里。
另外承建多条辅助隧道，合计约4公里。
本文主要介绍隧道施工的控制测量，对这种条带形测量控制网和地下型洞内导线的布设提供一些借鉴和参考。
1.2测量依据
（1）设计图纸
（2）《兰渝铁路建设管理办法》
（3）CPI交桩成果
（3）《新建铁路工程测量规范10101-99》
（4）《全球定位系统（GPS）铁路测量规程TB10054-97》
（5）《国家一、二等水准测量规范》GB/T12879-2006
（6）《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》铁建设[2006]189号
（7）《时速200～250公里有砟轨道铁路工程测量指南》铁建设[2007]76号
（8）《铁路隧道监控量测技术规程TB10121-2007，J721-2007》
1.3坐标系统
平面坐标系采用国家2000大地坐标系椭球参数，主要参数为：
长半轴a=6378137，扁率1/f=298.257222101。
中央子午线105°48′，投影面大地高660m。
高程基准面为国家85高程系统，高程异常-40m。
另外，为了简化计算和方便放样，还建立了一些局部坐标系统，并注明了局部坐标系统和国家坐标系统的换算关系。
1.4技术标准
本工程测量等级要求较高，CPI控制网按照GPS－B级布设，CPII控制网按照GPS－C级布设，洞内外加密导线为二等导线，高程引测为二等水准。
GPS静态B、C级主要技术标准如下：
项目
B级要求
C级要求
卫星高度角（º）
15≤
15≤
数据采集间隔（s）
15≤t≤60
15≤t≤60
观测时间
90min≤
60min≤
点位几何图形强度因子（GDOP）
≤6
≤8
施测时段数
2≤
1-2≤
有效卫星观测总数
5≤
4≤
基线长度误差
≤1/170000
≤1/100000
基线方向误差
≤1.3″
≤1.7″
二等导线的主要精度要求为：
长度1/20000，方向1.0″。
二等水准测量主要技术标准如下：
等级
每千米
高差偶然
中误差
（mm）
每千米高差全中误差（mm）
路线
长度
（km）
水准仪
等级
水准尺
观测次数
往返较差
或闭合差
（mm）
与已知点
联测
附合或
环线
二等
≤1
≤2
≤400
DS1
因瓦
往返
往返
4
二等水准观测主要技术要求如下：
等级
水准尺
类型
水准仪
等级
视距
（m）
前后视距差（m）
测段的前后视距累积差（m）
视线高度（m）
二等
因瓦
DS1
≤50
≤1.5
≤6.0
≤2.8且
≥0.55
DS05
≥3且≤50
为达到上述技术标准，我部使用的测量仪器如下：
GPS静态作业采用天宝5700，标称精度3mm+0.5ppm；
二等导线采用索佳SET1X，1″级全站仪布设；
二等精密水准测量，采用天宝DiNi0.3数字水准仪施测。
2.平面控制
2.1总体思路
我项目部按照“分阶段，分等级；先整体，后局部；由估算，到贯通”的总体思路进行了测量控制网的布设。
“分阶段”就是按照施工进度的要求，分为交桩复测、洞外控制、洞口控制、洞内控制、贯通控制、监测控制等几个阶段逐次建立施工控制网。
由于受到人员、设备和工期的限制，不可能1次就把30km的控制网全部做完，也不能等到控制网全部做完再开工。
因此，我们把交桩复测、洞外控制、洞口控制合为一个阶段，复测和加密同时进行，减少作业批次，加快布网进度。
“分阶段”的第二个含义就是，按照隧道开工的先后顺序划分阶段，先开工的隧道先布网。
在顺先开工的隧道进出口两端布设加密点，整条隧道划分为一个区段，用GPS同步进行观测。
本测段完成后，下一测段也采取这样的方法布网，并且和相邻测段组成联接边，依此类推完成整个线路CPII控制网的布设。
这种“分段布网，逐步联接”的布网方法，不但可以保证优先布设先期开工的分区，而且可以保证隧道全线的整体性和贯通性。
“分等级”的概念如下：
我国高速铁路精密控制网分三级布设，实践中按四级进行布设，它们是：
坐标基准控制网（CP0）、基础平面控制网（CPI）、线路控制网（CPII）和基桩控制网（CPIII）。
本工程的CP0、CPI已经由专业测量队进行了布设和复测。
CPII由我部负责布设。
CPIII控制网在线下工程施工完成后施测，此处不在我部承建范围之内。
“先整体，后局部”指的是：
按照CP0－CPI－CPII－CPIII的次序，从高级到低级逐步加密控制点。
每一级控制点都是由上一级控制点发展而来，以保证整个控制网的逐级细化和整体一致。
“由估算，到贯通”分三个步骤：
1.洞外控制网布设实施前、后，依据所布控制网精度计算贯通误差。
2.洞内导线布设大致完成后，依据所布导线网精度再次计算贯通误差。
3.以上2个步骤都是估算，等隧道实际贯通后，才能测得真正的贯通误差。
2.2CPII布网形式
2.2.1洞外、洞口布网示意图
2.2.2布网说明（参见上图）
（1）CPI控制点的密度一般在2km一对，不能满足进洞需要，因此需要布设CPII加密点。
规范要求CPII点位加密到每个洞口至少要具有3个平面点和2个高程点。
我们一般加密到每个洞口具有4个平面点和3个高程点，以便点位扰动后及时恢复。
加密点布设的位置要求如下：
加密点最好布设在隧道中线上，困难地段距离隧道中线也不应大于300m。
进洞测站点的后视距离不应小于300m，以避免后视距离过短而造成的方向误差过大。
加密点可引测高程，一点两用。
（2）GPS静态作业采用网连式（约束3点）或边连式（约束2点）。
具体作法是：
在隧道两端各精选2到1个CPI点作为约束点，外业观测时在约束点上置设仪器始终进行各时段的观测，其它测站上的仪器在观测完成规定的时段后流动到下一个测站进行新的观测，使约束站和流动站在每个时间段上都保持着同步观测。
（3）内业处理时先解算空间矢量（基线），解算基线的各项技术指标，应附合规范的要求：
1）所有基线矢量采用双差分固定解；
2）数据中应加入了对多路径、对流层、电离层、天线相位等误差的消减措施；
3）σ值是GPS解算的一项重要指标，也是制定布网方案的一项参照依据。
σ值是根据仪器标称精度计算的，其公式如下：
σ＝√（a2＋（bd）2）
a---GPS接收机固定误差，b---比例误差，d---基线长度。
当d等于300m～4000m，a=5mm，b=1ppm时，σ值如下：
边长（m）
σ（mm）
相对误差（1/万）
300
5.0
6.0
400
5.0
8.0
500
5.0
10.0
600
5.0
11.9
700
5.0
13.9
800
5.1
15.8
900
5.1
17.7
1000
5.1
19.6
1500
5.2
28.7
2000
5.4
37.1
3000
5.8
51.4
4000
6.4
62.5
制定方案时，由上表可估算出，基线解算中误差（RMS）应控制在10mm以内（长边可略放宽），300m短基线应加测第3个时段才能达到C级精度。
4）规范规定，重复基线较差不大于2*（√2）*σ；
5）规范规定，若干条独立边组成的闭合环，其闭合差应满足：
WX≤3√（n）σ，WY≤3√（n）σ，WZ≤3√（n）σ，
W≤3√（3n）σ；其中：
σ按平均边长计算，n为闭合环边数。
（4）无约束平差后的精度验核分为两部分来进行处理：
第一部分是为了CPI复测而进行，由CPI点位组成的基线，解算精度应按照GPS-B级标准来验核；第二部分是为了CPII加密而进行，由CPII点位组成的基线，解算精度应按照GPS-C级标准来验核。
这样做的目的是为了充分利用观测成果，在对CPII加密的同时，也验核了CPI的精度，起到复测CPI的作用。
对于CPII控制网这种在洞口附近，边长只有几百米的基线来说，由于GPS接收机本身固有的精度（见σ值表），在不增加观测时段而指望提高CPII的等级，统一按照GPS-B级标准，让其达到1/170000的精度是不现实的。
（5）无约束平差精度合格后，进而进行约束平差，约束平差时，要从隧道两端约束，把加密点包含在约束网形之内。
另外至少要保留1个CPI点作为非约束点，非约束点可选非通视点。
这样，解算后这些保留的非约束CPI点就得到了两组坐标，一组是解算得到的坐标，另一组是原来已知的坐标。
把两组坐标进行比对，就可以看出这些CPI点的误差大小，起到复测的作用，另外，也能在一定程度上推断CPII加密点的可靠程度。
一般，CPI点的坐标比对误差小于10mm时，仍然采用交桩坐标。
比差大于10mm时，经确认后报请有关部门批示。
如需仔细判定，可计算该点所连各边长度，及另一端点对边长和方向的共同影响。
2.3CPII洞内导线
2.3.1洞内导线示意图
2.3.2布设说明
（1）洞内CPII导线布设成双导线的形式，并在一些相邻节点布设连接边，形成闭合环进行校核，以提高导线精度，减小贯通误差。
（2）洞内控制点埋设在隧道中线两侧不易扰动的地方，并设置防护设施。
布设埋点时还要考虑洞内的排水沟、二衬台车等障碍因素，必要时在隧道两侧交叉布点，以改善通视条件。
一般隧道施工空气污浊，照明不足，通视条件很差。
可先布设一条单导线跟随掌子面作业，一般50m布设一点；然后再布设第二条导线，大约300m布设一点，在600m处形成双导线闭合环。
每段闭合环要在本段二衬施工前完成一次复测和平差。
（3）导线每测完一段，及时引测线路中桩，中桩沿里程直线段每20m布设一点，曲线段每10m布设一点，作为隧道施工放样和施工过程监测的用点。
（4）杨家山隧道长度为5.8km，紫竹园隧道长度为6.6km，是我部负责布控任务中较长的隧道。
《测规》规定4～8公里的隧道横向贯通限差为150mm，换算为中误差限差则为75mm。
洞外控制测量精度对其贯通误差的影响值按GPS-C级，以沿途500m一个点位计算为20mm，则剩余给洞内控制的影响值限差为55mm。
二等导线的限差为：
测角中误差小于±1.0″，测边中误差小于1：
20000。
按照导线边长300m，7km洞内布设24条导线边计算，贯通误差为52mm，可以达到贯通要求。
以上为单导线的贯通精度，布设成双导线和闭合环后，贯通精度有望进一步提高。
其它隧道的正洞、横洞、斜井比以上两条隧道的长度较短，二等导线的精度经计算也能满足贯通的限差要求。
（5）导线水平角度用1″级全站仪观测4个测回。
也可观测导线的左右角各2个测回，左右角平均值相加应等于360°。
水平方向观测时各项限差应符合下表规定：
仪器等级
两次读数差
2C差
同方向测回差
DJ1
1″
9″
6″
（6）水平距离观测用1″级全站仪精测模式对向观测2测回。
距离限差如下：
仪器
等级
测距
中误差
同测回
读数互差
测回间
读数较差
对向观测
平距较差
DJ1
5mm
5mm
7mm
2*√2*√（a^2+（md）^2）/√n
表中：
^2----平方；a，b----仪器标称误差；d----平距；n----单向测回数
对向观测平距较差，依据上表中的限差公式，按本部所用仪器标称值2mm＋d*2ppm,d=300m计算的限差等于5mm，可达到规范要求。
（7）本工程CPI点位布设在山顶，距施工洞口高差较大，导线引测得到的水平距离应进行距离改化，距离改化公式为：
M=a*（1-e^2）/（1-e^2*（sin（B））^2）^（3/2）
N=a/sqrt（1-e^2*（sin（B））^2）
R'=sqrt（M*N）
R"=R'+ζ
R0=R"+h0
R=R"+h'
L=S*R0/R
公式中：
M---测区子午曲率半径，a---地球椭球长半轴，e---第一偏心率，^2…平方，
B---测区纬度，^（3/2）---3/2次幂；
N---测区卯酉曲率半径，sqrt---开方；
R'---测区椭球面平均曲率半径；
R"---测区水准面平均曲率半径，ζ---高程异常；
R0---测区坐标投影面平均曲率半径，h0---投影面高程；
R---测线平均曲率半径，h'---测线两端点的平均高程；
L---测线在投影面上的距离，导线计算时采用的距离，也即距离改化的成果，
S---外业实测距离，全站仪测距时已经过温度、气压、斜度改正后的距离。
（8）本工程测区坐标通过采用抵偿投影面、自定义中央子午线等来控制投影变形，因而不必再进行投影改化。
3.贯通计算
3.1贯通误差的限差
隧道贯通时的限差如下表：
两开挖洞口
间长度km
<4
4~8
8~10
10~13
13~17
17~20
横向贯通
误差mm
100
150
200
300
400
500
高程贯通
误差mm
±50
3.2控制测量对贯通精度影响的限差
控制测量对贯通精度影响的限差如下表：
测量
部位
横向中误差mm
高程
中误差
mm
相邻两开挖洞口间的长度km
<4
4~8
8~10
10~13
13~17
17~20
洞外
30
45
60
90
120
150
±18
洞内
40
60
80
120
160
200
±17
总体
50
75
100
150
200
250
±25
3.3贯通误差计算方法和计算公式
（1）贯通计算时，一般按照导线形式进行，洞内、洞外分别计算，然后再计算总体影响。
GPS控制点可酌情排列成一条导线，在所用软件的“基线解算报表”中查出相应基线的方向误差和边长误差。
方案估算时，可按照规范限差取值，因为所有基线误差都小于规范限差，规范限差是它们的最大值。
同理，导线的测角误差和测距误差也可使用规范限差值来代替。
（2）横向贯通误差计算公式：
mβ=m″/206265*√（∑R2）
md=mL*√（∑D2）
m=±√（（mβ）2+（md）2）
mβ---方向误差的影响，m″---测角误差（秒），R---导线点到贯通面的垂距；
md---边长误差的影响，
mL—测距误差（较差/边长），D---导线边投影到贯通面的投影长度；
m---方向误差和边长误差的总体影响。
注意事项：
计算mβ时，要包含进洞点的“方向后视点”和出洞点的“方向闭合点”。
计算md时，只包含进洞点和出洞点。
计算R和D时，可由CAD绘图查询，能够大大减少计算量，绘制的测量图以后也有很多用处。
（3）纵向贯通误差与里程、坡度有关，一般不计算。
在接有一些曲线的时候，长度误差虽然影响到横向误差，但也已经包含在上述横向贯通误差计算之中。
（4）高程贯通误差只与坡度有关，计算公式如下：
每公里水准测量的偶然中误差
：
式中：
Δ——测段往返高差不符值（mm）；
L——测段长（km），n——测段数。
高程贯通误差：
M＝MΔ*√L
式中L为两洞口之间的长度（km）。
M和MΔ的单位均为mm。
（5）在控制测量实施前要对布网方案进行贯通误差估算。
隧道掘进到一定长度，也就是导线布设到一定位置时，要再次进行贯通误差估算，未知部分仍然由规范限差代替。
隧道打通后才能测得真正的贯通误差。
为保证隧道实体的顺接，要预留一定长度的调整段来“消化”贯通误差。
4.结语
（1）隧道工程控制测量的特点是战线长、工点多、交通困难，不能一次成网。
应对的办法就是“分段布网，段段连接”，逐步完成整个控制网。
（2）布网各个阶段的重点是保证洞口间和标段间的贯通性，所以在重点工序开始前都要进行坐标复测和贯通复测。
（3）测前估算和阶段估算等估算措施是保证布网成功的重要手段，只有“纸上谈兵”通过，才能有望实际作业通过。
（4）隧道测量作业的精度要求比较高，要严格按照规范要求进行实施，并在作业前对仪器、脚架等进行保养和检查，以避免观测误差超限。
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