隧道貫通測量及精度評定技術研究

　　摘 要：長大隧道控制網，一般都受地形和開挖口布局的限制，難以按最優化進行設計。控制網均成帶狀，長、寬之比多大于1/10，網的結構很不理想，而且常常位于極其困難的崇山峻嶺中，高差常達幾百米至千米。這就給控制網的布測帶來極大的困難。本文以GPS應用于長大隧道控制網布測為研究對象，分析探討了在類似工程中，GPS控制網的布設原則，重點研究了貫通誤差的計算方法和貫通精度的估算，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。
　　關鍵詞：GPS 長大隧道 控制網 貫通誤差
　　中圖分類號：TB22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791(2011)10(c)-0000-00
　　
　　長大隧道控制網，一般都受地形和開挖口布局的限制，難以按最優化進行設計。控制網均成帶狀，長、寬之比多大于1/10，網的結構很不理想，而且常常位于極其困難的崇山峻嶺中，高差常達幾百米至千米。這就給控制網的布測帶來極大的困難。
　　某隧道全長4.6km，采用GPS控制網，對其兩端的16個控制點進行測量，在短短8天的工作中得到各基線的數據，在內業工作中編成了相應的工程處理軟件，對各點進行平差，求出了各點的方差陣、高斯坐標、獨立坐標、方位角及其中誤差。以在此基礎上對兩個隧道進行橫向貫通精度的比較分析，得出了GPS隧道控制點的選點方案，布網的原則。通過此次GPS測量技術的探討，進一步說明GPS在工程控制測量中的優勢，在將來的工程領域中，利用其特點將發揮其事半功倍的效果。
　　1 GPS控制網的布設原則
　　1）為便于計算施工放樣數據，一般采用獨立坐標系。2）控制網的基線面為某一高程的重力水準面，而非橢球面，因為網的范圍較小，實際工作又將控制網的基線面視為平面。3）水平角和距離測量均是以垂線為準，而不是以橢球的法線為準。GPS控制點布設的原則：
　　a.為了使GPS控制點的坐標與隧道設計坐標取得統一，便于計算施工放樣數據，直線隧道的中心線上或曲線隧道的每個切線上，均應布設兩個GPS控制點；b.每一進洞處至少應布設兩個相互通視的GPS控制點，為安全起見，最好布設三個控制點，各洞的控ogb47U0rK14Qf4b+cPvzTQ==制點不要求通視；為消除或減弱垂線偏差對測設方向的影響，每一進洞處的三個控制點最好位于同一高程面上，在可能的情況下，各洞口控制點之間的高差盡量小一些；d.布設的GPS控制點滿足良好的接收衛星信號的要求；e.各洞口投點宜設在便于施工進洞處，并且要盡可能便于GPS觀測，各洞口點間高差不宜太大，距離以在300m左右為宜，嚴禁出現長度不足10Om的短邊。
　　f.對于直線隧道，在隧道中心線上應布設兩個GPS控制點，以利于建立施工坐標系；對于曲線隧道，在每一切線上應布設兩個GPS控制點，以便準確求得轉折角，計算施工放樣數據。
　　2隧道橫向貫通精度的計算
　　2.1通用計算公式
　　由隧道坐標系的各種情況可以看出，直線隧道貫通面與x軸垂直，曲線隧道貫通面與X軸不垂直，因此在推導橫向貫通誤差計算公式時應顧及到貫通面與x軸不垂直的情況。
　　
　　如圖1所示，A、D為進洞控制點并位于中線上，B、E為進洞方位點，P為貫通面，隧道工程坐標為xAY，該坐標系時針旋轉中角與貫通面相垂直的坐標系xAy，則由A、D分別推算P點的坐標為:
　　
　　
　　在實際工作中進行嚴密估算可能會有一些困難，因而在實際工程中用近似方法較為簡易。A、D為洞口點，B、E為進洞定向點。設GPS測得AB、DE的方位誤差為maAB和maDE且相互獨立，A、D邊長相對誤差為，則由此引起的貫通面上的橫向中誤差的計算公式為:
　　
　　
　　式中，為點A到貫通面P的距離；為點D到貫通面P的距離；為AD在P上的投影。
　　從上兩式可以看出，若AD與P垂直，則邊長誤差Ms引起的橫向誤差為零，貫通誤差均由方位誤差來引起，稱此類隧道為第一類隧道；若AD不垂直P，則貫通誤差由邊長和方位誤差共同引起，稱為第二類隧道。略去邊長誤差的影響，并假設貫通位于中間，近似估算公式可簡化為:
　　
　　其中s是隧道的長度，K是隧道的精度提高系數，經過大量的實驗證明K的變化與隧道的長度有明顯的相關性，隧道越短，由多次觀測引起的定向邊方位精度的提高越明顯，K值越小；反之K越大。
　　
　　2.3貫通精度的分析
　　
　　
　　從示意圖中我們以隧道中AI點和D4點作為進洞和出洞的控制點進行分析，見圖3、表1從表中我們可以看出(1)的貫通精度最低，就此問題分析如下:
　　A1-N77的邊長為270.0159m，D4-D6邊長為258.4415m。兩條定向邊長都小于300m，這一結果的精度為29.92mm。與上次測的貫通精度27.3mm(估)相差很小。從表1比較來的結果，進洞定向邊A1-N76、出洞定向邊D4-D8的精度表現的最高(即(l2))。在此基礎上可得出這樣一個結論:洞口應布設3個以上相互通視的控制點，由于地形條件的限制，定向的長度不應小于300m，方可提高貫通的精度。有了這個結論我們選進洞處最長且能通視的A1-D8(L566.1313rn)做進洞定向。
　　同樣的方法到出口，D4-D8雖長，不能通視只好放棄，假設地面上長邊為D5-D6或D4-D7，D7點在施工中已經破壞，D5-D6因施工視線受阻，只能取DS-D4(注:D4-3503是在原控制網中加測的兩個控制點)，由這樣的結果我們計算出其精度為1l.56mm(即13*)，從而進一步證明了先前的結論: 同是一條邊(Al-D4)取不同的后視點，其貫通的精度是不一樣的。
　　從1與13的比較中我們知道它們的貫通值前者為29.92mm，后者為11.56mm，同樣的情況2與14的貫通值前者為26.97mm，后者為11.50mm，從這兩組數據我們不難推論出:在觀測時有一個點在中線上作為后視，其精度可以大大的提高。在獨立坐標系中可以看出A1-N79與中線的夾角小于A1-N77與中線的夾角，在相同的條件下，用Al-N79做進洞邊，比A1-N77做定向邊的精度都要高同理，從圖上可見Al-N76與中線的夾角小于Al-N77與中線的夾角，在相同的觀測條件下Al-N77的精度上又遜色些了，Al-N76表現出高的精度。從這個實例中我們不難推出選點時一個點在中線上為測點，后視點方向上盡量的靠擾中線，與中線呈較小的夾角。
　　3 結論
　　本文通過闡述GPS在工程測量中的優勢，淺述了GPS控制網布設原則，用具體的數據證明不同布網的貫通精度，進一步論述了GPS在隧道控制側量中的可行性。
　　
　　參考文獻
　　[1] 路伯祥，許提多，黃丁發等，張項鐸.GPS在鐵路隧道平面控制測量中的應用鐵道學報，1995.17(2)
　　[2] 姚連璧，劉大杰，周全基，李文泉.隧道GPS網對向貫通誤差的影響.測繪學報.1997年8月