隧道施工控制网布设.doc
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1前言
隧道是修建在地下或水下并铺设铁路供机车动车辆通行的建筑物。
为缩短距离和避免大坡道而从山岭或丘陵下穿越的称为山岭隧道；为穿越河流或海峡而从河下或海底通过的称为水下隧道；为适应铁路通过大城市的需要而在城市地下穿越的称为城市隧道，这三类隧道中修建最多的是山岭隧道。
中国于1887～1889年在台湾省台北至基隆窄轨铁路上修建的狮球岭隧道，是中国的第一座铁路隧道,长261米。
此后，又在京汉、中东、正太等铁路修建了一些隧道。
京张铁路关沟段修建的4座隧道,是用中国自己技术力量修建的第一批铁路隧道。
隧道施工测量的主要任务是保证对向开挖的隧道能按照规定的精度贯通并使各建筑物按照设计的位置修建；放样过程中仪器所标出的方向距离都是依据控制网和图纸上设计的建筑物计算出来的，因而在施工放样之前需建立具有必要精度的施工控制网。
2隧道概述
2.1简介隧道
隧道是指修建在地层中的地下工程建筑物。
它被广泛用于公路、铁路、矿山、水利、市政和国防等方面。
在高等公路建设中，为了满足技术标准，克服地形和高程上的障碍，改善公路的平面线形、提高车速、减少对植被的破坏、保护生态环境，避免山区公路的各种病害（如落石、坍方、雪崩、泥石流等），常常需修建隧道。
修建隧道既能保证线路平顺，行车安全，提高舒适性和节省运费，又能增加隐蔽性，提高防护能力和不受气候影响。
2.2隧道分类
铁路隧道：
500m以下为短隧道，500～3000m中隧道，3000～10000m长隧道，10000m特长隧道
公路隧道：
500m以下为短隧道，500～1000m为中隧道，1000～3000m为长隧道，3000m以上为特长隧道
3介绍施工控制网
3.1施工控制网的特点
工程施工中的测量工作与其他的一般测量工作不同，它要求与施工进度配合及时，满足施工的需要。
我们原有的测图控制网在布点和施测精度方面主要考虑满足测绘大比例尺地形图的需要，不可能考虑将来建筑物的分布及施工放样对点位的布设要求。
因此，在施工期间，这些测量控制点大部分会遭受破坏，即使被保留下来的，也往往不能通视，无法满足施工测量的需要。
而施工控制网是为工程建筑物的施工放样提供控制，其点位，密度以及精度取决于建筑物的性质。
施工控制网与国家或城市控制网相比较，其最大的不同是：
在精度上并不遵循“由高级到低级”的原则。
施工控制网具有控制范围小，控制点的密度大，精度要求高，使用频繁，受施工干扰大等特点。
（一）控制范围小，控制点密度大
在勘测阶段，建筑物的位置还没有最后确定下来，通过勘测进行几个方案的比较，最后选出一个最佳方案。
因此，勘测时测量的范围较大，往往是工程建筑物实际范围的几倍到十几倍。
而在施工阶段，工程建筑物的位置已经确定，施工控制网的服务对象非常明确。
所以，施工控制网的范围比测图控制网的范围小得多。
（二）精度要求高
施工控制网主要用于放样建筑物的轴线，有时也用于放样建筑物的轮廓点，这些轴线和轮廓点都有一定的精度要求。
施工控制网的精度远高于厕图控制网的精度。
这样高精度的控制网，要求图形坚强，有足够的多余观测，在电磁波测距仪和电子计算机广泛应用的条件下，边角网是建立施工控制网的一种好方案。
（三）使用频繁
施工测量贯穿于施工过程的始终，工程建筑物往往在不同高度上具有不同的形状和尺寸。
施工中需要随时进行放样或检查其位置，在一个控制点上往往需要放样几十次甚至上百次。
例如在桥梁建设中，随着桥梁墩台浇筑的升高，在施工的不同过程和不同高度上，需要在控制点上进行多次放样。
可见，施工控制点较测图控制点使用频繁。
这就要求施工控制点稳定可靠，使用方便，在整个施工期间避免施工干扰和破坏，必要时可在控制点上设立观测墩，并设置固定的定向标志。
（四）受施工干扰大
在施工场地上，施工人员来来往往，各种施工机械和运输车辆（如吊车，汽车等）川流不息，施工临时建筑物很多，这就给施工测量带来很多困难，经常造成视线不通视。
特别是现代化施工，常常采用交叉作业方法，工地上各种建筑物的高度相差和悬殊，这都将影响控制点的通视。
因此，不仅要求控制点要分布合理，而且要求控制点要有足够的密度，以便在施工放样中有充分选择控制点的余地。
3.2施工控制网分类
施工控制网分为高程和平面控制网。
高程控制网采用水准网，为用各种等级的水准测量测定施工场地上的一系列水准点和其他高程控制点的高程，其密度要求安防一站水准仪即能测设所需要放样点的高程。
平面控制网可以布设成三角网、导线网、GPS控制网，建筑方格网等式。
①三角网对于地势起伏较大，通视条件较好的施工场地，可采用三角
②导线网对于地势平坦，通视又比较困难的施工场地，可采用导线网。
③GPS网无需通视，所以布网限制条件较少，网形精度较高。
④建筑方格网对于建筑物多为矩形且布置比较规则和密集的施工场地，可采用建筑方格网。
平面控制网的布置形式随工程建筑物的种类而有所不同，例如大型桥梁施工控制网、隧道施工控制网、水利枢纽中的大坝施工控制网、大型工厂企业施工控制网等。
3.3施工控制网布设原则
1分级布设，逐级控制；
2应有足够的精度；
3应有足够的密度；
4应有统一的规格；
3.4施工控制网的精度
施工测量的主要任务是放样，而放样的依据是施工控制网，所以施工控制网精度的确定，应从保证放样的精度要求来考虑。
而由于各种网形的测量仪器误差，布网方式等存在差异，所以实际误差要求也不尽相同。
如下面表格分别介绍了三角网，导线网，和建筑方格网的主要技术要求。
1三角网
表1三角网的主要技术要求
等级
平均边长/km
测角中误差/″
起算边相对中误差
最弱边相对中误差
二等
9
±1.0
1/300000
1/120000
三等
5
±1.8
1/200000（首级）
1/120000（加密）
1/80000
四等
2
±2.5
1/120000（首级）
1/80000（加密）
1/45000
一级小三角
二级小三角
1
0.5
±5
±10
1/40000
1/20000
1/20000
1/10000
2导线网
表2导线网的主要技术要求
等级
附合导线长度/km
平均边长/km
每边测距中误差/mm
测角中误差/″
导线全长相对闭合差
方位角闭合差
测回数
DJ1
DJ2
DJ6
三等
30
2.0
13
1.8
1/55000
±3.6
6
10
—
四等
20
1.0
13
2.5
1/35000
±5
4
6
—
一级
10
0.5
17
5.0
1/15000
±10
—
2
4
二级
6
0.3
30
8.0
1/10000
±16
—
1
3
三级
—
—
—
20.0
1/2000
±30
—
1
2
3GPS网
表3GPS网的技术要求
级别
项目
AA
A
B
C
D
E
卫星截止高度角（°）
10
10
15
15
15
15
≥4
≥4
≥4
≥4
≥4
≥4
有效观测卫星总数
≥20
≥20
≥9
≥6
≥4
≥4
观测时段数
≥10
≥6
≥4
≥2
≥1.6
≥1.6
时段长度min
静态
≥720
≥540
≥240
≥60
≥45
≥40
快速静态
双频+P（Y）
—
—
—
≥10
≥5
≥2
双频全波
—
—
—
≥15
≥10
≥10
单频或双频半波
—
—
—
≥30
≥20
≥15
采样间隔s
静态
30
30
30
10～30
10～30
10～30
快速静态
—
—
—
5～15
5～15
5～15
时段中任意卫星有效观测时间min
静态
≥15
≥15
≥15
≥15
≥15
≥15
快速静态
双频+P（Y）
—
—
—
≥1
≥1
≥1
双频全波
—
—
—
≥3
≥3
3
单频或双频半波
—
—
—
≥5
≥5
≥5
4建筑方格网
表4建筑方格网的主要技术要求
等级
边长（m）
测量中误差（″）
边长相对中误差
Ⅰ级
100～300
±5
≤1/30000
Ⅱ级
100～300
±6
≤1/20000
4隧道施工控制网的布设
4.1隧道工程施工的特点
隧道工程施工，是一个复杂的系统工程，其特点是除洞口和洞门是在露天施工外，其余各项工程都在地下进行施工作业。
由于它空间有限，工作面狭小，光线暗，劳动条件差，施工难度较大。
而长隧道的施工需要通过竖向或侧向的通道（竖井、斜井、平峒）增加工作面，加快施工进度。
很多工作面同时施工时，测量人员应保证隧道最后正确贯通。
4.2隧道施工测量的主要任务
隧道施工测量的主要任务是保证对向开挖的隧道能按照规定的精度贯通并使各建筑物按照设计的位置修建;放样过程中仪器所标出的方向距离都是依据控制网和图纸上设计的建筑物计算出来的.因而在施工放样之前需建立具有必要精度的施工控制网.
4.3隧道地面控制网的布设
隧道施工控制网的地面部分用以确定洞口点，竖井的近井点和方向照准点之间的相对位置，作为洞内控制网的真实数据。
网的图形向隧道轴线方向延伸，布网形式常采用以下几种形式：
1狭长的三角网
2边角混合网或环形导线网
3GPS控制网等
但由于当今，铁路、公路都在高速发展，而且线路长和直是其特点，因此大量建筑长隧道也在所难免，传统的隧道控制测量方法费事和速度慢，而用于需要大量进行洞口区域连测的隧道测量却可以缩短工期获得很高的效益，同时能够保证隧道贯通的精度和建筑物的精度。
例如在我国晋南的云台山隧道，全长8.1公里，施测了GPS控制网,同地面控制网的坐标比较,较差小于10mm:
又如奥地利在一条6公里长的公路隧道上,为了与地面测量比较,又用了GPS重测了ROPPEN隧道网,结果与地面网比较坐标互差为16mm:
此外,日本山梨大隧道35公里,英吉利海峡大隧道,也都施测了GPS控制网.因此现在一般都采用GPS控制网。
4.4隧道洞内控制网的布设
隧道洞内狭长形状的空间使洞内控制网的设计没有选择的余地，只能采用支导线的形式。
为了进行检核,一般布设两个等级的导线。
在掘进的同时首先布设施工导线,为掘进指明方向,为其他施工提供依据；当隧道掘进至1～2km时，布设边长较长的,具有较高精度的主导线，用于检核及修正施工导线。
隧道在曲线部分时,可以跳站观测，构成跳点,最后在新点处交会,它不但能使测量数据有足够的可靠性,还可以提高导线的精度。
5隧道GPS控制网
5.1GPS定位作业模式
GPS定位作业模式可按照基准点的不同分为绝对定位模式和相对定位模式。
绝对定位是相对于GPS坐标系统（如WGS-84系）而言的，其观测值结果为三维坐标X,Y,Z；而相对定位是测站相对于某一点的定位，其观测值结果为GPS坐标系下的基线向量（三维坐标差）；又可根据定位观测过程中天线所处状态（运动或静止）划分为动态定位或静态定位。
动态定位时观测天线处于运动中，定位结果实时计算输出或显示，但定位精度较静态低；静态定位在观测过程中，GPS接收机天线位置是不动的，其观测数据离线后处理，后获取定位结果。
5.2GPS测量特点
1GPS测量定位是借助于后方距离空间交会原理定位。
进行精密控制测量至少需要使用3台或以上GPS接收机进行同步观测4颗或以上卫星，通过实时或后处理观测数据获取定位结果。
2具有实时绝对定位和实时相对定位特点。
用于隧道控制因为其相对精度高和可靠性高的要求，故予采用GPS静态相对定位方法实施。
3控制点间无需通视。
可直接把隧道两洞口投点联系起来，从而大大减少地面控制点的数量。
4GPS定位相对精度高，尤其采用较长长度（≥1000m）测量基线边构成的控制网。
5全天候作业。
自动化程度高，作业简便。
速度快。
6控制网的图形结果简单，相应地观测工作量较常规测量手段大为减少。
7因5、6特点，可大幅度缩短测量生产工期，提高经济效益。
5.3GPS网形分类
GPS网的图形设计主要取决于用户的要求、经费、时间、人力和仪器等条件。
根据用途的不同，GPS网的图形可设计为点连式，边连式、网连式和边点混连四种。
1点连式
点连式是指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。
这种方式布点所构成的图形几何强度很弱，没有或极少有非同步图形闭合条件，一般不单独使用，多是和边连式一起使用。
2边连式
边连式是指同步图形之间由一条公共基线连接。
这种布网方案，网的几何强度较高有较多的复测边和非同步图形闭合条件。
在相同的仪器台数条件下，观测时段数将比点连式大大增加。
这种布网方式在网点数较少，对于精度要求较高的情况下，如水库施工测量，高等级的城区控制网测量等，都可以采用这种布网方式。
3网连式
网连式是指相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连接，这种方法需要4台以上的接收机。
这种布图方法的几何强度和可靠性指标相当高，但花费的经费和时间较多，一般仅用于高精度的控制测量，在一般的测量工作中不建议采用。
4边点混连式
边点混连是指把点连式和边连式有机的结合起来，组成GPS网，既能保证网的几何强度，提高网的可靠指标，又能减少外业工作量，降低成本，是一种较为理想的布网方法。
5.4GPS的基准设计
GPS测量的直接观测量不是测点间的边长和角度，且其直接观测成果是属于WGS-84系下的，施工实用的坐标系统一般为地方坐标系的坐标值，因此，GPS网平差后需要把GPS网成果转化为地方坐标系中的坐标成果。
GPS网应明确其所用位置基准（起算点坐标）、方位基准（已知边方位角）和尺度基准（已知边距离及统一的距离度量单位），且同测区实际相符。
5.5隧道控制测量坐标系统
可以是国家高斯平面坐标系统（如北京54，西安80等）或任意经度的中央子午线高斯平面坐标系统，但一般仍较多采用独立坐标系统。
通常规测量网一样为了施工方便，常以隧道主轴线进口至出口方向为X轴正向，隧道的某一线路中线里程为X坐标系统起算值，右旋90°确立Y坐标轴，坐标原点处。
坐标值可以为正常数，也可以为0。
取隧道设计路面的平均高程为坐标系统投影面。
5.6GPS控制网的精度设计
隧道测量最终的要求是保证相向开挖的隧道正确贯通,因此，GPS网的设计也必须满足这一要求。
5.6.1坑口控制点的精度
按隧道规范规定:
当隧道长L≤4km,其横向贯通误差的限差应≤10cm,即中误差mσ≤±5cm;当隧道长4～8km时,其横向限差应≤15cm,mσ≤±7.5cm;当L>8km时,限差还可放宽一些。
显然,贯通误差是由洞外控制测量误差与洞内导线测量误差所引起。
因此,其横向贯通中误差mσ的计算式为
（1）
（1）式中:
为洞内导线的测量误差,为坑口控制点误差。
技术参数如表5
表5技术参数
边长
/km
卫星高度角/（°）
GDOP
观测时段数
时段长度
/min
采样间隔/s
有效卫星数
＞1
≤1
≥15
≥15
≤8
≤8
≥2
≥2
120
60
15
15
≥5
≥5
5.6.2GPS控制网的精度
无论GPS网取什么形状，最终都应达到隧道贯通对坑口控制点的精度要求，为此目的，可将坑口控制点的坐标精度m2，用GPS的观测精度用m0表示之：
式中，m0——GPS接收机的测量误差，由仪器的性能所决定；
Q——设计的GPS网的图形强度，由网的几何形状所决定，或由GPS网矢量的协方差矩阵求得。
因此，m0用GPS接收机的标称精度表示，即
为了实现隧道网的布设和精度设计，可以根据隧道总长度和测区地形及各坑口的初步位置，以不同边长模拟几种GPS测量网的方案，根据图形和他的GPS矢量的协方差矩阵解求Q值，并求出坑口控制点的精度，选择既满足精度又具有高效率的网作为优化方案。
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6规定。
表6PS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）
≤6
同步观测接收机台数
≥3
6隧道导线控制网
导线测量布设简单，每点仅需与前后两点通视，选点方便，特别是在隐蔽地区和建筑物多而通视困难的地区，应用起来方便灵活。
因此导线网是目前工测控制网较常用的一种布设形式，它包括单一导线和具有一个或多个结点的导线网。
网中的观测值是角度（或方向）和边长。
独立导线网的起算数据是：
一个起算点的坐标和一个方向的方位角。
但是，导线测量因其选点、观测、记录、录入、平差等各个环节对导线精度均有影响。
所以在导线测量的准备阶段就要把精度控制放在首位，所以测量过程中工作量比较大，工期比较长。
在隧道洞内狭长形状的空间使洞内控制网的设计没有选择的余地，只能采用支导线的形式。
为了检核，一般布设两个等级的导线。
在掘进的同时首先布设施工导线，为掘进指明方向，为其他施工提供依据；当隧道掘进至大约1～2km时，布设边长较长的，具有较高精度的主导线，用于检核及修正施工导线。
6.1选点注意事项
（1）导线点选在土质坚硬、稳定的地方，以便于保存点的标志和安置仪器。
（2）导线点选在地势较高，视野开阔的地方，以刞于进行碎部测量或加密以及施工放样。
（3）导线各边的长度应按规范规定尽是接近平均边长，且不同导线各边长不应相差过大。
导线点的数量要足够，以便控制整修测区。
（4）相邻导线间要通视。
（5）所选的导线间必须满足超越（或远离）障碍物1.3米以上。
（6）路线平面控制点的位置应沿路线布设，距路中心的位置大于50M且小于300M，同时应便于测角、测距、及地形测量和定线放样。
（7）在桥梁和隧道处，应考虑桥隧布设控制网的要求，在大型构造物的两侧应分别布设一对平面控制点。
（8）充分利用旧有控制点。
6.2导线网的布设应符合下列规定：
（1）导线网用作测区的首级控制时，应布设成环形网，且宜联测2个已知方向。
（2）加密网可采用单一附合导线或结点导线网形式。
（3）结点间或结点与已知点间的导线段宜布设成直伸形状，相邻边长不宜相差过大，网内不同环节上的点也不宜相距过近。
7GPS控制网与常规导线网比较
7.1简介长梁山隧道及控制网布设
本文通过长梁山隧道来比较GPS控制网和常规导线网在隧道控制中的应用。
长梁山隧道是一长约13km的直线隧道位于山西省朔黄铁路线上，是目前我国较长的铁路隧道之一，在隧道进出口间布设有四个斜井，以提高施工进度和质量.在定测的基础上于实地标定进出口及各斜井进洞控制点位,然后布设隧道洞外控制网。
在满足工程需要的前提下为开展GPS与常规测量的比较研究，长梁山隧道洞外平面控制采用了GPS和常规精密导线网同时进行。
常规导线首先布设了二条并行主导线，角度按二等导线的精度观测12测回，测角中误差为1″，由于要顾及到斜井插网观测的方便并受地形的限制，导线边长较短，平均边长在1km左右，边长观测的精度为3mm+2ppm，主导线共有28个点。
斜井各控制点均连到主导线上，构成插网，插网边长比主导线短，角度观测9个测回，测角中误差为1.5″，边长精度为3mm+2ppm，除利用主导线个别点外，斜井控制点另外有10个，整个导线网共有38个点，如图1所示。
图1导线网略图
GPS测量由于无需通视，因此只需布设个洞口直接服务于进洞测量的点位，每个洞口有三到四个点，形成了由23个点组成的隧道GPS网，如图2所示。
图2GPS网点位分布图
GPS网中各洞口点间的相互基线均有相互独立的观测值，相邻洞口的独立基线不少于4条，进口与出口也进行了直接联测，以分析GPS在长隧道控制测量中的应用能力。
观测时采用4台Leica200GPS接收机，选择良好的观测窗口，对于相邻洞口及同一洞口内的基线观测一个时段，每时段1.5小时，对于进出口见得长基线，观测两个时段，每时段2小时。
7.2导线网及GPS网外业成果的检核
以进出口地平均高程为投影面，进口位于中线的控制点1为坐标原点，进口1到出口26主轴线方向为x轴正向，顺时针转90°为y轴正向建立隧道施工工程坐标系，投影面的大地高程为1407m，不同高度的边长加入高程改正后改化到椭球面，以过原点的子午线为中央子午线。
方向观测值直接做为高斯面上的方向。
导线网构成15个独立闭合环，其相对闭合差最低达到20万分之一，可见其精度较高。
GPS网选用相互独立的基线构成36个独立闭合环，由不同洞口点构成的闭合环其环的长度相对于由相同洞口点组成的环的长度要长，此类闭合环的结果统计如表7由各洞口内部点间构成的闭合环统计如表8从两类闭合环统计结果可以看出GPS网外业观测结果是可靠的。
表7不同洞口点构成闭合环结果统计
相对闭合差
0～1ppm
1～2ppm
2～3ppm
>3ppm
闭合环个数
3
12
7
0
表8内部点构成闭合环统计结果
闭合差
0～1cm
1～1.5cm
>1.5cm
环个数
8
5
0
7.3导线网与GPS网观测成果的比较分析
7.3.1进洞方位值的比较
进洞方位值直接影响到贯通的精度，表九是上述两种方法的进洞方位值之差值。
从表9见：
两者的差值较小，若按直线隧道对进洞方位精度的要求，将两者之差取2√2为极限误差，则所有的方位差值均能满足铁路测量规则的要求
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