梅子岭隧道工程控制网设计Word下载.docx
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一、工程概况
计划在三明市与佛岗市之间修筑“三佛”铁路,全长310km,该线在穿越梅青岭地区时,需修建梅子岭隧道。
梅子岭隧道北接水口镇直通三明市,南经铁路桥与大青隧道相连,通往佛岗市,由于本地区地质条件好（多为花岗岩结构）故两铁路之间的一段线路采用明挖路堑。
梅子岭隧道是直线隧道,洞口点O、N在定测阶段已在实地标出,其里程分别为DK213＋555.39及DK218＋161.39,全长4606m；
两洞口高程分别为501.28m及500.67m,采用全断面法,相向开挖方式开挖,其贯通面在中央（见纸上定线地形图）。
（地形图比例尺1：
10000）
由于当地地形条件十分复杂，测区范围内交通极其不便，工作条件艰苦。
洞外控制网若采用常规测量方法建立，不仅难以实现，而且建网效率低、费用高。
全球定位系统GPS由于其具有较高的相对定位精度、控制点间无须通视，在隧道施工控制中只需在洞口处及其附近布点和建网速度快、效率高等优点，在隧道施工洞外测量控制中已被普遍应用。
因此北天山隧道施工的洞外控制，也采用GPS方法建立该隧道施工的洞外平面控制网。
二、编制依据
1.《工程测量学》李青岳陈永奇主编第三版
2.测绘生产成本费用定额》2009版测绘收费标准
3.《新建铁路工程测量规范》TB10101-2009
4.《高速铁路工程测量规范》，TB10601-2009
5.《全球定位系统（GPS）铁路测量规程》TB10054-97
三、梅子岭隧道控制网精度和网型设计
隧道平面控制网布设的目的，是保证地下两相向开挖工作面的正确贯通，控制网的测量精度主要取决于隧道贯通精度、隧道长度与形状、开挖面的数量以及施工方法等因素。
综合考虑以上因素，并根据文献3的有关规定和类似隧道测量控制的成功经验，本次平面控制网建网的精度等级设计为GPSD级网。
在进行隧道控制网网型设计前，详细收集梅子岭隧道所在地的地形图、已有的控制测量等资料。
对于直线隧道，洞口点应选在隧道进出口处附近的中线上，另外再布设至少两个定向点，除要求洞口点与定向点通视外，定向点间不要求通视，但定向点至洞口点间的距离应在400m以上，而且各个定向点应选在大致相等的高度（程）上，以消除或减小垂线偏差对联系进洞观测方向的影响。
为了便于GPS接收机的安置和卫星信号的接收，控制点周围应视野开阔、高度截止角15度以上不应有障碍物；
同时应远离强电磁源，周围没有大面积反射面等，以减弱多路径效应。
梅子岭隧道进口端是以水口镇直线进洞，隧道出口端也为直线段，为此分别在隧道两端布设6个GPS观测点（进出口上必须布点），除了上述的6个点外，隧道控制网在进出洞口又布设了12平面控制点，然后通过大地四边形联测将各个点组成的网联系成一个整体的平面网。
梅子岭进出洞口及两洞联测的GPS网网形如图所示：
四、地面控制网施测
隧道施工平面控制网数据采集，采用M台精度为的美国型双频测量型GPS接收机。
GPS外业观测采用静态测量方式，进出洞口的控制点联测、洞口之间的控制点联测全部采用边联接的方式构网，形成多个大地四边形，同时为保证观测值成果精度及质量可靠性，GPS工程网选点及布网需要遵循如下原则：
①当利用城市已有控制点时，应检查该点的稳定性及完好性。
②地面上的控制点应选在利于保存、施测方便的地方。
③控制点上应视野开阔，并避开多路径效应的影响，在10～15高度角以上不能有成片的障碍物。
④控制点应远离高压输电线和无线电发射装置，其间距分别不小于50ｍ和200ｍ。
⑤控制点应埋设牢固并应绘制点之记。
GPS控制网的布设应满足的要求：
①控制网由隧道各开挖口德控制点点群组成，每个开挖口至少应布测4个控制点。
GPS定位点之间，一般不要求通视，但不设同一洞口控制点时，考虑到用常规测量方法检测，加密或恢复的需要，应当通视。
②基线最长不宜超过30km，最短不宜短于300m。
③每个控制点有3个或3个以上的边与其连接，极个别的点才允许由两个边连接。
④点位上空视野开阔，保证至少能接受到4颗卫星的信号。
⑤测站附近不应有对电磁波有强烈吸收或反射影响的金属及其它物体。
⑥各开挖口德控制点及洞口投点高差不宜过大，尽量减小垂涎偏差的影响。
⑦GPS控制网内应重合３～５个原有城市二等控制点或在城市里的国家一、二等控制点。
除地GPS控制网内短边未知点构网观测外，还应包括重合点在内，对控制网内构成长边图形观测，这种长边图形，宜为重叠的大地四边形或中点多形。
⑧GPS控制网必须由非同步独立观测边构成闭合环或附合路线（按长边和短边分别连接），每个闭合环或附合路线中的边数应符合本规范表1规定。
表1GPS控制测量作业的基本技术要求
项目
要求
接收机类型
双频或单频
观测量
载波相位
接收机标称精度
≤（10mm+2×
10-6*D）
卫星高度角（°
）
≥15
有效观测卫星数
≥4
观测时段长度（min）
短边≥60，长边≥90
数据采样间隔（s）
10～60
点位几何图形强度因子（PDOP）
≤6
重复设站数
≥2
闭合环或附合路线中的边数（条）
同步观测接收机台数
≥3
外业工作结束后，对当天采集的数据进行处理，利用科傻软件进行基线解算，并根据软件输出的基线质量数据，检查基线方差、中误差、周跳数等，保证了基线的解算质量。
五、梅子岭隧道地面控制网的数据处理与精度分析
5.1外业观测质量的检核
梅子岭隧道控制网外业观测质量的主要技术指标是：
重复边的测量较差、同步环和异步环的闭合差以及网中各网点的点位中误差和定向边的边长、方位角误差等。
在科傻软件中利用相关操作判断GPS观测质量的同步环闭合差、异步环闭合差、重复边较差的精度统计,通过相关参数的设定和不良观测值的剔除使各基线在线满足GPS网外业观测的精度要求，然后进行后续的网平差。
5.2GPS平差与精度分析
对所有合格基线进行三维无约束平差，检查测量数据有无粗差，同时也检查测量数据的内部符合精度。
在WCS-84坐标系统下，采用科傻软件软件对整个控制网基线进行三维无约束平差，分析平差后各网点的纵、横向中误差，当最弱点的点位精度也很高时，表明GPS控制网具有很好的内部符合精度。
5.3控制网坐标的转换
三维无约束平差后的空间基线向量只有实现向二维基线向量转换，才能用于二维平差计算和隧道施工控制测量。
由于隧道独立控制网是与路线控制测量具有一定联系的专用独立网，因此隧道独立控制网一般取隧道进口或出口的一个投点作为其中一个起算点，同时隧道独立控制网应确保隧道设计中线的方位，与路线控制网不同的是隧道独立控制网的投影面应是隧道线路中线的平均高程面。
根据以上原则，梅子山隧道以进口侧原路线中一个控制点和进口投点与出口投点的方位为约束条件，采用专用软件进行二维约束平差，并检查点位精度。
六、梅子山隧道地面控制网横向贯通误差的计算
由于GPS定位技术能直接测定控制网点间的相对位置，而不是依靠传统的角度和边长来传算坐标，因此采用GPS定位技术做洞外控制测量的隧道，其贯通误差主要是由GPS测量成果的误差所引起的，如网点坐标的点位误差、控制边的边长和方位角的误差等等。
通过查阅相关资料，得到以下两种可以用来预计横向贯通中误差的算法。
6.1按GPS网法估算横向贯通误差
分析GPS隧道网产生贯通误差的原因，并根据如图所示的典型GPS隧道控制网形，可以认为洞外控制测量所产生的贯通误差，具体是由进、出洞控制点A和B的点位误差、进洞后视定向点C和E的点位误差、进洞后视定向边CA和BE的边长及方位角误差引起的。
设贯通面P与Y轴平行，点C、E为后视定向点，点D、F为检验点，后视定向边CA和BE的边长及方位角值分别为SCA、SBE和αCA、αBE，又设点位误差、边长误差和方位角误差对横向贯通中误差的影响值分别为MP点、MP边、MP方，则有洞外GPS控制测量误差对横向贯通精度的影响值为：
M2YP=M2P点+M2P边+M2P方
其中：
M2P点=M2A+M2B
MA、MB为控制点A、B的点位中误差，即进、出口处洞口控制点的点位误差，直接影响贯通面处的横向贯通中误差。
M2P边=
+
式中
分别表示定向边CA、BE的边长相对中误差，
和
为定向边CA、BE在贯通面上的投影长度。
视定向点的点位误差，首先引起定向边的方位角误差，进而通过进洞联系测量产生贯通误差，因此该项误差可以和定向边的方位角误差所引起的横向贯通误差一起考虑，则有
M2P方=
为定向边CA、BE方位角中误差，
、
为后视点C、E的点位中误差，
为控制点A、B到贯通面P的垂直距离。
上面贯通误差的计算公式，是最不利情况下的GPS隧道洞外控制网的横向贯通中误差，因此能确保实际的横向贯通误差小于按上述方法估算的横向贯通误差。
6.2按导线法估算横向贯通误差
导线法估算GPS控制网对贯通面处的横向贯通误差影响值，是根据各洞口处GPS控制网点的实测精度中的最大值（最不利情况），按下述方法估算
（1）测角误差引起的横向贯通中误差按下式计算：
为测角中误差，
=20265〃,Rx为洞口处各点至贯通面的垂直距离。
（2）测边误差引起的横向贯通中误差按下式计算：
为测边的相对中误差，dy为洞口处各边在贯通面上的投影长度。
洞外控制测量误差对横向贯通精度的总影响值按下式计算：
上式是按支导线推导的，实际的GPS控制网是布设为环形或网形，平差后测边、测角精度都会产生增益，故按上式进行横向贯通误差的估算将偏于安全。
6.3梅子山隧道地面控制网精度计算
对于梅子山隧道，由于缺乏GPS观测数据（只要有GPS观测数据，即可利用两种方法通过平差软件求得所需参数进行控制网贯通误差的估计），此处查阅一些桥梁、隧道的GPS网平差后的结果，取最差的
即：
测角中误差中误差取6.1″.
而洞口点O、N至贯通面距离分别为22.85KM,而依据《工程测量学》P222：
对于直线隧道,量边误差对横向贯通误差的影响完全可以忽略不计。
以下按照第二种方法进行计算：
=
=4.7757
m
按文献的规定，当两开挖洞口长度为4-8KM时横向贯通误差为±
150mm，而地面允许的横向贯通中误差为
，由于未设竖井和斜井，则洞外控制测量误差所引起的横向贯通中误差应小于或等于
=±
43.30mm。
从以上的贯通中误差的模拟数据估算结果可以看出，不论是按GPS网法估算，还是按照导线法估算，由GPS控制网测量误差所引起的梅子岭隧道在贯通面处的横向贯通误差，均小于横向贯通误差的允许值，可见本次建立的GPS控制网具有足够高的精度，完全可以控制梅子岭隧道施工各贯通面处的横向贯通误差。
七、梅子岭隧道地下导线控制网
7.1地下导线布设简述
地下导线的形状和布设形式取决于隧道的形状，尽量延着线路中线布设，边长应大致相等，导线点应尽量布设在施工干扰小、通视良好且稳固的安全地段，矿山巷道导线点一般布设在巷道顶板，需采用点下对中；
在断面较大的隧道里，导线点也常布设在底板或侧壁上。
所以地下导线一般采用分级布设的方法，通常分施工导线、基本导线和主要导线3种。
一般施工导线的边长为20~50m，基本导线边长为50~100m，而主要导线的边长为150~180m，当隧道或巷道开挖时，先布设边长较短、精度较低的施工导线指示隧道掘进方向；
当掘进300~500m时，再布设基本导线检查校正已铺设的施工导线，为此，应使基本导线起始边、点与终止边、点与施工导线相重合。
7.2地下导线控制网精度
对于短的隧道和矿山巷道的贯通，地下平面控制测量采用复测支导线形式（不进行平差）时，则可采用下式进行横向贯通误差的近似估算，即：
式中：
为底下测角、量边误差引起的横向贯通误差，
为地下导线的测角中误差，
为地下导线的两边相对中误差，
为各导线点至贯通面的垂直距离的平方总合，
为各导线边在贯通面上的投影长度平方的总和。
7.3梅子山隧道地下控制网计算
依据《工程测量学》P222：
对于梅子山隧道，由于是相向贯通，贯通面离两端各为2302米。
根据上面推理知地下控制测量所引起横向贯通误差允许值为
，所以，其测角误差对贯通误差影响值为：
1）当导线平均边长为s=150m时，在满足贯通误差
时，导线边数n=
=15，代入上式得必要测角精度
。
2）为了确保横向贯通精度要求，当导线测角中误差不大于
时，可取导线边数n=12，所布设的地下主要导线平均边长应不少于s=192m。
八、测量人员组织及仪器准备
8.1人员组织
由于只是布设梅子岭隧道施工控制网，所以对于人员和仪器的需求如下：
专业测量人员：
八人
普通工程人员：
二十人
8.2仪器准备
整个隧道地面GPS控制网一共布设了12个GPS控制点，分4个时段进行外部控制网的测量。
主要测量设备名称、数量及精度要求
序号
仪器名称
数量
型号
精度要求
1
GPS接收机
5
TRIMBLE
15m+20ppm
2
苏一光全站仪
TS06
2”，2mm+3pmm
3
水准仪
DS3
3mm
4
电脑
九、经费预算
梅子岭隧道工程的花费如下（工期100天）：
标石、观测墩埋设
12*1000=12000
主要仪器租用费用
20000（5台GPS+2台全站仪+2台经纬仪）
其他用具购买
10000
内业GPS数据处理与计算费用
5000
当地已有测量资料地形图收集以及实地勘测费
车辆，食宿消耗等杂费
300*100=30000
人工费
（8*200+20*150）*100=460000
其他各种杂费
50000
总计
597000
十、备注
由于本人掌握知识和查阅资料能力有限，本设计书存在很多问题，时间有限，不能一一在设计书中解决，但我相信，通过以后的学习和工作经验的积累，问题一定会得到解决。
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