長(zhǎng)大隧道洞外平面控制網(wǎng)測(cè)量方法研究及應(yīng)用

1、長(zhǎng)大隧道 洞外平 面控制 網(wǎng)測(cè)量方法研究及應(yīng)用 ： 陳以軍 文章編號(hào) ： 1 6 7 2— 7 4 7 9 ( 2 0 1 4 ) 0 2 — 0 0 1 1 — 0 4長(zhǎng)大 隧道 洞 外 平面 控 制 網(wǎng)測(cè) 量 方 法 研 究 及 應(yīng) 用 陳以軍 ( 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集 團(tuán)有 限公 司 ， 北京 1 o o o 5 5 )Re s e a r c ha n dAp p l i c a t i o no fM e a s u r i n

2、 gM e t h o do fHo r i z o n t a lCo n t r o lNe t wo r ki nPo r t a lo fLo n ga n dHu g eT u n n e lC H E NY i ~ u n摘 要 介紹長(zhǎng)大隧道洞外平 面控制網(wǎng)測(cè)量的建 網(wǎng)方法， 重點(diǎn)對(duì) G P S 控制網(wǎng)設(shè)計(jì)和一點(diǎn)一方向平 差方法進(jìn)行 了分析和研究， 結(jié)合工程實(shí)例 ， 總結(jié)長(zhǎng)大隧道洞外施工平面控制測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵詞長(zhǎng)大隧道

3、 施工控制網(wǎng)G P S 洞外控制測(cè)量 一點(diǎn)一方向 貫通 中圖分類號(hào)： T B 2 2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ： A隧道貫通誤差可分橫 向、 縱 向和豎 向三個(gè) 方向的貫通誤差 ， 從 目前的測(cè)量技術(shù)水平和工程要求 兩方面 考慮 ， 橫向誤差最難達(dá)到限差要求 ， 隧道控制測(cè)量 的關(guān) 鍵就在于解決橫 向貫通誤差問題。而要減小橫向貫通 誤差 ， 首先要保證洞外平面控制測(cè)量 的精度。同時(shí)， 隧 道工程只是鐵路工程的一部分 ， 其平面控制基 準(zhǔn)必須 與周邊工

4、程 的平面基準(zhǔn)一致或發(fā)生轉(zhuǎn)換關(guān)系。因此 ，長(zhǎng)大隧道在施工前必須建立統(tǒng)一的洞外平面控制測(cè)量 基準(zhǔn) ， 既要保證隧道的準(zhǔn)確貫通 ， 又要考慮隧道控制測(cè) 量與其兩端線路控制測(cè)量之間的準(zhǔn)確連接。以往隧道洞外平 面控制測(cè)量主要采用三角測(cè)量 、導(dǎo)線測(cè)量等常規(guī)地面測(cè)量方法進(jìn)行 ， 要求相鄰測(cè)站 間通視且需逐站放置儀器進(jìn)行 觀測(cè)。長(zhǎng)大 隧道多在 山區(qū)， 地形復(fù)雜 ， 常規(guī)方法測(cè)量不僅難度大 、 時(shí)間長(zhǎng)、 效率 低 ， 而且成果精度也不高。利用 G P

5、S進(jìn)行長(zhǎng)大 隧道 平面控制測(cè)量能夠減少 控制測(cè)量時(shí)間和成本 ， 具有 良好 的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí) 際生 產(chǎn) 中， 長(zhǎng)大隧道洞外平面控制測(cè)量應(yīng)優(yōu)先采用 G P S 進(jìn) 行觀測(cè) ， 其他常規(guī)測(cè)量方法只是作為補(bǔ)充 。1長(zhǎng)大隧道洞外 GP S控 制網(wǎng)設(shè)計(jì) 1 ． 1 控制 點(diǎn)布設(shè) 收稿 日期 ： 2 0 1 4 一 叭 一 1 4作者簡(jiǎn) 介 ： 陳 以軍 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 2 0 0 4年畢業(yè) 于武 漢大 學(xué)測(cè) 繪工 程專 業(yè)

6、 ， 工程師。每個(gè)隧道 口( 包括斜井和個(gè)別淺埋段 ) 至少布設(shè) 3 個(gè)平面控制點(diǎn) ， 其 中一個(gè)作為洞 口投點(diǎn) ， 應(yīng)便于引測(cè) 進(jìn)洞 ， 另兩個(gè)作為方向點(diǎn) 。投 點(diǎn)和方 向點(diǎn)之間必須通 視 ， 并且距離在 3 0 0m 以上。有條件 的話可以布設(shè)兩 個(gè)投點(diǎn)， 各個(gè)控制點(diǎn)間盡量相互通視 ， 高差盡量小。控制點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在視野開 闊、 通視 良好 、 便 于使用 、不易被施工破壞 的地方?？刂泣c(diǎn)布設(shè)的位置要考慮后 期施工不會(huì)被破壞和遮擋 。山

7、區(qū)衛(wèi)星通視條件差 ， 對(duì)于視場(chǎng)偏小的控制點(diǎn)位 ，應(yīng)根據(jù) 當(dāng)?shù)匦l(wèi)星星歷預(yù)報(bào) ， 制定周密 的觀測(cè)計(jì)劃 ， 必要 時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間。1 ． 2控 制 網(wǎng)圖形分析 控制網(wǎng)布設(shè)應(yīng)結(jié)合 隧道形狀與長(zhǎng)度 、 開挖面數(shù)量 以及施工方法綜合考慮 ， 先在地形 圖上進(jìn)行 網(wǎng)形設(shè)計(jì) 后 ， 再進(jìn)行實(shí)地點(diǎn)位埋設(shè)。依據(jù)控制點(diǎn)周邊環(huán)境 ， 制定 有效的質(zhì)量保障措施 ， 確?？刂凭W(wǎng)整體質(zhì)量?？刂凭W(wǎng)可分解成兩部分 ， 一是洞 口子網(wǎng) ， 二是子網(wǎng) 間的聯(lián)系網(wǎng)。隧道

8、各洞 口子網(wǎng)至少含 1 個(gè)投點(diǎn)和 2個(gè)方向點(diǎn) ，投點(diǎn)和方向點(diǎn)間必須有基線連接。多個(gè)投點(diǎn)和多個(gè)方 向點(diǎn)時(shí)， 子網(wǎng)由三角形 、 大地 四邊形 、 中點(diǎn) 多邊形等強(qiáng) 度較高的網(wǎng)形構(gòu)成 ， 網(wǎng)中避免出現(xiàn)短邊。洞 口子網(wǎng)的 圖形樣式可參考圖 1 。各洞 口間的子網(wǎng)聯(lián)系網(wǎng)由三角形或大地四邊形構(gòu) 成 ， 控制 網(wǎng)采用邊聯(lián)接的方式構(gòu)成一個(gè)整體 ， 同時(shí)聯(lián)測(cè) 長(zhǎng)大隧道洞外平 面控制 網(wǎng)測(cè)量方法研究及應(yīng)用 ： 陳 以軍 1 3標(biāo) 系 ：①獨(dú)立坐標(biāo)系的 、

9、 y坐標(biāo)軸方 向與原控制 網(wǎng)一 致 ， 采用隧道中部的經(jīng)度作為中央子午線經(jīng)度 ， 坐標(biāo)投 影面高度采用隧道線路 中線 的平均高程面。約束進(jìn) 口投點(diǎn)在原坐標(biāo)系 中的平面坐標(biāo) ， 固定進(jìn) 口投點(diǎn)一出 口投點(diǎn)方 向， 采 用 一 點(diǎn) 一 方 向的方 法 對(duì) G P S網(wǎng) 進(jìn)行 平差 。②同樣采用 隧道 中部 的經(jīng)度作 為 中央子午線 經(jīng) 度 ， 坐標(biāo)投影面高度采用隧道線路 中線的平均高程面。坐標(biāo)軸方向與該隧道原坐標(biāo) 系中長(zhǎng)直線 方向一致 ，里

10、程增長(zhǎng)方向?yàn)檎?軸方 向， y軸方向與 軸構(gòu)成左 手系。G P S網(wǎng)平差計(jì)算時(shí)約束進(jìn) 口投點(diǎn)在原坐標(biāo)系 中得到的坐標(biāo) ， 為 了和里程掛鉤 ， 其 坐標(biāo) 采用與里程 掛鉤的坐標(biāo) ； Y坐標(biāo)為進(jìn) 口投點(diǎn)距長(zhǎng)直線 的距離 。固定進(jìn) 口 投點(diǎn)一 出口投點(diǎn)在獨(dú)立坐標(biāo) 系中的方向( 也即 進(jìn) 口投點(diǎn)一出 口 投點(diǎn)與長(zhǎng)直線方 向在原坐標(biāo)系中的差 值 ) ， 采用一點(diǎn)一方 向的方法對(duì) G P S網(wǎng)進(jìn)行平差 。兩種方法建立 的獨(dú)立坐標(biāo)系可按下述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

11、公 式進(jìn)行轉(zhuǎn)換 。X2= A X +Xl× C O SA + Y 1× s i nAl ， 2 =A Y—X 1×s i nA +Y 1×C O SA式 中、 y ， ——第 1種方 法 建立 獨(dú)立 坐標(biāo) 系下 的坐標(biāo) ；、 ， ， 2 ——第 2種方 法 建 立獨(dú) 立 坐 標(biāo) 系下 的坐標(biāo) ；△—— 方向的平移量 ；△ y _ y 方 向的平移量 ；A — —旋 轉(zhuǎn)角 度 。方法 1 直接采用原

12、坐標(biāo)系下點(diǎn)做起算 ， 掛靠在原 坐標(biāo)系統(tǒng)下 ， 可以保證 隧道進(jìn) 口一端獨(dú)立控制網(wǎng)與原 控制 網(wǎng)的無(wú)縫銜接， 但在隧道 出口端 隧道獨(dú)立控制 網(wǎng)與原控制網(wǎng)會(huì)有較大坐標(biāo)偏差 ， 需要進(jìn)行線路調(diào)整并 設(shè)置斷鏈 ， 斷鏈前后要采用不 同控制 網(wǎng)進(jìn)行施工。方 法 2 采用 了里程 、 支距 的坐標(biāo)格式 ， 方便隧道施工使 用 ， 并且不會(huì)與原坐標(biāo)系混 淆。兩種方法所建獨(dú)立 坐 標(biāo)系各有優(yōu)缺點(diǎn) ， 方法 1 能與原坐標(biāo)系無(wú)縫銜接 ， 但在 出口端

13、要注意與控制 網(wǎng)成果區(qū)別開來(lái) ； 方法 2能直 觀 表達(dá)出線路里程關(guān)系 ， 符合施工使用習(xí)慣 ， 但使用前需 要轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)坐標(biāo)。4工 程 應(yīng) 用 西鐵車二號(hào)隧道位于山東省沂源縣境 內(nèi)， 是山西 中南部鐵路通道 的重要組成部分 ， 隧道全長(zhǎng)78 8 8m，布設(shè)有 1 個(gè)斜井 ， 隧道 內(nèi)鋪設(shè)無(wú)砟軌道。為指導(dǎo)隧道 工程施工 ， 保證隧道的準(zhǔn)確貫通 ， 需專 門建立高精度的 洞外平面控制網(wǎng)。4 ． 1洞外平面控 制 網(wǎng)網(wǎng)型設(shè) 計(jì) 洞外平面控制

14、網(wǎng)總共布設(shè) 了 1 2個(gè) G P S點(diǎn) ， 在 隧 道進(jìn) 口、 斜井 和出 口各布設(shè) 了 4個(gè)平 面控制點(diǎn) ， 如 圖3 所示 。圖中 G P S 9 2 0 1 、 G P S 9 2 0 5 、 G P S 9 2 0 9為洞 口投 點(diǎn) ， 與隧道洞 口相 近方便進(jìn)洞聯(lián) 系測(cè)量。控制 網(wǎng)采用 邊聯(lián)接 的方式構(gòu) 網(wǎng)， 形成 多個(gè)大地 四邊形或空間三角形 ， 將各洞 口的子網(wǎng)聯(lián)系成一個(gè)統(tǒng)一的整體 網(wǎng)。圖 3西鐵車 二號(hào)隧道控 制網(wǎng)聯(lián) 測(cè)

15、示意 4 ． 2 數(shù)據(jù) 采集與控 制 網(wǎng)平差處理 西鐵車二號(hào)隧道長(zhǎng)度超過(guò) 6k m， 在洞外施工平面 控制網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí) ， 考慮到貫通誤差及后續(xù)無(wú)砟軌道鋪設(shè) 的精度要求 ， 采用 G P S衛(wèi)星定位測(cè)量方法 ， 按一等 網(wǎng)精度要求進(jìn)行測(cè)量?；€解算合格后進(jìn)行三維無(wú)約束平差 ， 各指標(biāo)經(jīng) 檢驗(yàn) 都 合 格 。分 別 用 隧 道 進(jìn) 口及 出 口兩 個(gè) 投 點(diǎn) G P S 9 2 0 1 、 G P S 9 2 0 9 作為已知點(diǎn) ， 建立獨(dú)立

16、坐標(biāo) 系并進(jìn) 行一點(diǎn)一方 向平差 。P 5 9 2 l 1GP S 9 2 1 2獨(dú)立坐標(biāo)系的、 l ， 坐標(biāo)軸方 向與定測(cè)控制 網(wǎng)一 致 ， 采 用 隧道 中部 的經(jīng)度 ( 經(jīng)計(jì) 算 為 1 1 7 。 5 62 ． 6 9 10 5) 作為中央子午線經(jīng)度 ， 坐標(biāo)投影面高度采用隧道 線路中線 的平均高程面 ， 經(jīng)計(jì)算其正常高 3 3 2 ． 1 5 1m，大地高 3 3 1 ． 0 4m 。約束進(jìn) 口投點(diǎn) G P S 9 2 0 1

17、 在定測(cè) 坐 標(biāo) 系 中 得 到 的 平 面 坐 標(biāo) ( 40 0 88 4 7 ． 7 3 37 ，4 6 80 6 8 ． 2 9 90 ) ， 固定 進(jìn) 口投 點(diǎn)一 出 口投 點(diǎn)方 向， 即 G P S 9 2 0 1～ G P S 9 2 0 9 在 定 測(cè) 坐 標(biāo) 系 中 的 方 向( 1 2 1 。 3 24 8 ． 5 8 47 4 ” ) ， 采用一點(diǎn)一方 向的方法對(duì) G P S網(wǎng)進(jìn)行平差 ， 得到各 G P S 點(diǎn)在獨(dú)