坐標轉換法在高速鐵路隧道控測中的應用

郝立濤

隨著我國經濟的發展，高速鐵路建設高潮的到來，對測量的精度要求越來越高，隧道在高速鐵路干線的線路設計中占的比重越來越大，根據《高速鐵路工程測量規范》，當隧道洞口兩端的線路控制網(CPⅠ，CPⅡ)不在一個投影帶內時，需建立獨立的隧道施工控制網。傳統做法是在隧道控測時需要人為的重新布設交切點(即直線控制樁)，這就引起了增加工作量及影響測量精度等很多的問題;結合實際工作經驗，我們探索出一種新的隧道控測的方法，不需要提前進行直線控制樁的布設，此工作方法簡化了控測的流程，減少了工作量，提高了效率并且滿足隧道施工測量需要，有一定的實際應用價值。

1 隧道控制測量現狀

目前，根據《高速鐵路工程測量規范》，新建高速鐵路在設計階段不再布設直線控制樁，也就是不再進行線路控制樁的放樣(交切測量)，但是根據規范要求，在長大隧道控測時仍然需要直線控制樁對隧道線路進行控制，這就導致了在長大隧道施工控制網布設時需要先進行直線控制樁的布設。由于測區往往植被茂密，山勢陡峭，所以一般均采用RTK交切技術進行直線控制樁的放樣布設，然后再將新布設的直線控制樁納入到新建隧道控制網之中，隨后計算得到獨立控制網下各交點間的距離及角度，在保證原隧道線路設計資料曲線要素中緩和曲線和半徑不變的前提下，得到新的隧道線路設計成果。

但是我們在實際的工作中發現此方法有以下缺點:1)RTK進行直線控制樁布設精度不夠。2)RTK布設直線控制樁增加了控制網的工作量。

2 坐標轉換法介紹

坐標轉換法是通過在不同坐標系統下進行坐標轉換，將線路控制網下的隧道線路起點、交點、線路終點坐標系統轉換到獨立控制網坐標系統下，并保持隧道線路曲線要素中的緩和曲線長、曲線半徑不變，從而生成獨立坐標系下的隧道線路資料，并以此為依據進行施工測量。具體流程如下:

1)控制網的布設和觀測。首先根據《新建鐵路隧道測量規范》，在隧道進出口、輔助坑道處布設相應控制點，待控制樁沉降穩定后采用靜態測量模式進行觀測，并和隧道進出口的線路控制網(CPⅠ)進行聯測，然后進行無約束平差，生成WGS84橢球下的無約束空間直角坐標;采用平差軟件將得到的各點的空間直角坐標轉換成抵償坐標系下的平面坐標。2)生成新的隧道坐標資料。以隧道進出口的線路控制網(CPⅠ)為基準，在隧道進出口前直線邊上各選取一個整里程(或整百米)點，將這兩個里程點及中間所有的線路交點的線路坐標轉換到抵償坐標系下;保持線路曲線資料中的緩和曲線長和曲線半徑不變，以新的線路控制坐標為依據，計算出新的隧道線路坐標資料。3)獨立坐標系的建立。在新的隧道線路長洞身直線上選取兩整公里里程點坐標，N方向賦值為其對應線路里程，E方向賦值為一整數值(如50 000.000)，以此生成獨立坐標系統下隧道線路資料及各控制點坐標成果。

3 工程應用實例分析

西成鐵路某長隧道，全長8 925 m，線路跨越秦嶺山脈，途經秦嶺自然保護區，測區內植被茂密，山高谷深，交通極為不便。由于隧道進出口分別位于不同的投影帶，按照《高速鐵路工程測量規范》，需要進行隧道洞外控制測量。

3.1 選點埋樁

在線路控測階段，隧道進出口分別已經布設了兩組線路控制網(CPⅠ)，點號分別為 CPⅠ 059，CPⅠ060，CPⅠ 061，CPⅠ 062。隧道控測過程中，分別在隧道進出口及輔助坑道處各選埋了3個～4個控制點，具體布設情況如圖1所示。

3.2 外業數據觀測及處理

依據《鐵路工程衛星定位測量規范》，高速客專隧道控制網按照二等精度來施測。外業數據采集使用了13臺套標稱精度為±(5 mm+1×10-6×D)的 Leica1230型雙頻接收機同步靜態測量模式觀測，將圖1中所有控制點納入到隧道洞外控制網中。觀測前對觀測條件困難的點繪制了環視圖，根據環視圖做了詳細的星歷預報，制定科學的觀測計劃，保證觀測精度達到二等要求。

數據處理階段，首先進行同步環和重復基線的分析處理，符合精度要求以后再挑選不同時段的基線構成獨立基線網，在網內各質量因子滿足要求后進行無約束平差計算，生成WGS84橢球下的無約束平差空間直角坐標成果，然后通過平差軟件將空間直角坐標轉換成提前設計好的抵償坐標系下的平面坐標。

3.3 線路坐標系統轉換抵償坐標系統

根據已知的國家2000系統下的隧道線路資料，能夠得到以下坐標:

隧道進口里程為DK196+930，位于直線上，所以選取隧道進口前就近一個整百里程DK196+900里程點坐標，保證隧道與線路路基的銜接無誤;隧道出口里程為DK205+855，仍然位于曲線上，所以取該曲線緩直點外任一點 DK206+200里程點坐標;JD26，JD27兩個曲線交點坐標。

在外業數據采集時已經得到了CPⅠ059，CPⅠ060，CPⅠ061，CPⅠ062四個線路控制點的抵償坐標系坐標，再利用上述四點的線路控制坐標，求解七個轉換參數，得到抵償坐標系下隧道進出口及JD26，JD27四個點的坐標。

利用新得到的交點坐標，保持原隧道線路曲線的緩和曲線長和半徑不變，生成WGS84橢球抵償坐標系下的隧道線路，分析后發現新的線路資料與國家2000系統下線路資料相比幾乎無變化，這是因為WGS84橢球和國家2000橢球的長半軸相同，扁率變化不大，所以在小范圍內不同高斯平面之間轉換的差值相對很小。

由上可知此轉換所引起的長度和角度變形非常小，所以在新的獨立坐標系統下，隧道進口、出口里程、輔助坑道里程、長度及偏角均可保持不變。

3.4 抵償坐標系統至獨立坐標系統的轉換

按照《鐵路工程衛星定位測量規范》，需要將隧道長洞身的方位假定為0°00′00″，所以選取抵償坐標系統下長隧道洞身兩個整里程點DK203+000和DK201+000，N方向賦值為其對應的線路里程，E方向賦值為50 000.000，利用這兩個點進行抵償坐標系統至獨立坐標系統的轉換，轉換關系見表1。

表1 抵償坐標系統和獨立坐標系統之間的轉換

4 結語

在高速鐵路隧道控制測量過程中，不需要進行洞口投點，可采用坐標轉換法，即減少了工作量，提高了生產效率，并且提高了測量的精度，保證了設計資料的準確性。在實際應用中應注意隧道進出口子網間應該存在高等級的控制網點，以保證隧道控制網的整體性。

[1] TB 10601-2009，高速鐵路工程測量規范[S].

[2] TB 10054-2009，鐵路工程衛星定位測量規范[S].

[3] 陳澤遠.GPS交切技術在隧道地區測設中的應用[J].鐵道勘察，2003(2):55-56.

[4] 金海仙.GPS在長隧道的洞外測量[J].山西建筑，2008，34(7):359-360.