隧道洞內CPⅡ導線測量旁折光的影響與對策探討

陳光金 徐 濤 湯憲海 付宏平

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043； 2.新疆鐵道勘察設計院有限公司 新疆烏魯木齊 830011；3.中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西西安 710021)

隧道洞內CPⅡ導線測量旁折光的影響與對策探討

陳光金1徐 濤2湯憲海3付宏平1

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043； 2.新疆鐵道勘察設計院有限公司 新疆烏魯木齊 830011；3.中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西西安 710021)

以某座已經竣工通車的隧道洞內CPⅡ導線實測數據為基礎，就如何減弱旁折光的影響進行研究，從點位設計、外業觀測方法、內業數據處理的網形結構等方面，提出減弱旁折光影響的措施與對策。

鐵路測量 CPⅡ 旁折光 對策

長大隧道鐵路貫通后，施工時的洞內導線控制點在后續的軌道鋪設中無法保存，一般先建立洞內精密控制網CPⅡ，作為鋪設無砟軌道CPⅢ控制網的基準。設置隧道內CPⅡ導線點時，點位埋設在洞內電纜槽隔墻頂部或安全穩固、不受干擾、便于保存的地方，要求視線離開洞內設施0.2 m以上，點間距離在300～500 m之間。平面CPⅡ控制網一般利用測量機器人采用方向觀測法，在前、后視方向的4個導線點上設置棱鏡觀測，測站點對面的控制點(一般在10 m左右≈隧道寬度)不觀測，以邊角聯接方式構成導線網(見圖1)。隧道掘進施工時的洞內控制導線測量現在 一般也采用此種形式布網，點位設在距電纜槽壁0.3 m左右的地方。

建立隧道洞內CPⅡ導線時，隧道洞內場地狹窄，點位設置受到限制，特別是曲線隧道，可能導致視線距離隧道側壁較近，水平角會受到旁折光影響。本文以2座隧道洞內CPⅡ導線實測數據為基礎，主要研究分析了隧道內旁折光對水平角的影響。從點位位置設計、外業觀測方法、內業數據處理的網型結構等方面，提供減弱旁折光影響的措施與對策，提出每站觀測5個方向，對CPⅡ點對的超短邊進行測量的要求，避免多次重測返工，影響工期，造成人力、財力的浪費。此方式也適用于隧道掘進施工期間洞內控制導線測量，可供將來規范制定或修訂時參考。

1 某隧道洞內CPⅡ平面控制網基本概況

某鐵路隧道全長5 km左右，線路呈西北方向45度角走向，進口在直線上，出口在偏角15°46′10.66″，R=4 000 m，l=400 m的曲線上，曲線地段長度占全長的1/3。

隧道洞內CPⅡ平面控制網采用導線網形式布設，按三等導線精度要求測量。共布設CPⅡ控制點20個(10對)，建立進、出口的附合導線網，形成由多個四邊形或多邊形組成的帶狀網，隧道走向與控制網網形見圖1。隧道內CPⅡ控制點的位置特征、視線距旁向結構物(隧道側壁)的橫向距離見表1。

表1 測點位置與觀測視線距旁向結構物距離

2 旁折光對隧道洞內導線的影響分析

2.1 對角度閉合差的影響分析

在進行數據處理時，對單站觀測數據進行檢查，其水平角觀測的半測回歸零差、一測回內2C互差、同一方向值各測回互差；距離一測回讀數較差、測回間較差限值均符合要求；而對附合路線閉合差進行檢查時，12個測站，附合路線的角度閉合差：-43.99″， 限差：12.47″；導線相對閉合差：1/10 963，限差：1/55 000，導線不閉合，超限嚴重。

分析附合導線角度閉合差超限原因，首先排除了起算基準不可靠因素。本隧道進、出口洞外起算控制點采用GPS技術以整體網方式加密，聯測4個CPI/CPⅡ已知點，采用兩點約束進行已知點穩定性檢驗。其余2點的坐標比較表明：坐標較差FX=0.4 mm，FY=0.07 mm，控制點兼容性良好，起算基準正確可靠。判斷應該是導線測量問題引起，進行四邊形環角度閉合差((限差7.2″)檢查，出現大面積超限現象(CPⅡ閉合環18個，合格僅6個，占1/3)，結合測點位置與觀測視線距旁向結構物距離表(見表1)，超限原因主要是旁折光的影響引起。閉合誤差檢查詳細情況見表2。

表2 四邊形環角度閉合差檢驗統計

從表2中可看出，隧道內旁折光的影響導致導線角度閉合差嚴重超限，使角度閉合誤差呈系統性變化，隧道內旁折光的影響有如下現象：

(1)與測點地理位置有關，本隧道由南向北，基本沿45°角的西北走向，在DK1755+400(CPⅡ11、CPⅡ12)以前(隧道南半部)全為負值，在DK1755+400以后(隧道北半部)均為正值。

(2)本隧道縱斷面設計為進口低、出口高的單面坡，最大高差達100 m左右，閉合差呈區域性變化，與測點高程分布有關，海拔1 100 m以下為負，海拔1 100 m以上為正。

(3)直線、曲線地段，旁折光影響的符號相反，直線地段為負、曲線地段為正。

(4)旁折光影響大小與視線離結構物的遠近有關，視線越貼近結構物(曲線地段)，角度閉合差越大，四邊形的角度閉合差最大值高達45″，影響非常嚴重。

2.2 旁折光對水平角的影響分析

為驗證旁折光對水平角角度觀測值的影響，對上面四邊形角度閉合差檢驗超限的測站在不同的時間段進行重測，部分測站的重復測量達4次，水平角觀測值變化劇烈，各角較差變化詳細情況見表3。

表3 不同觀測時間旁折光對水平角的影響分析

從表3中可以看出：

①洞外角度符合性良好(測站1752P21)。

②距進口端洞門650 m左右的洞內、洞外連接的直線段測站CPⅡ03符合性不佳，主要是后視方向為側壁邊(CPⅡ03-CPⅡ05)引起；而距出口段洞門35～43 m左右的曲線段控制點CPⅡ21、CPⅡ22測站受折光影響小，角度符合性良好。

③后視方向為側壁邊(編號兩點均為單號)的測站角度均超限，而設在隧道兩線中間位置的CPⅠ09點，四次角度觀測值符合性良好，與其相連的相關測站的角度觀測值符合性也良好，隧道內控制點位置的合理設置非常重要。

④觀測視線距隧道側壁的橫向距離不同，影響大小不同，越靠近側壁的邊影響越大。CPⅡ15測站的最近邊CPⅡ15～CPⅡ17的方向值最大較差達到82″，影響特別嚴重。

⑤隨觀測時間、大氣溫度、濕度不同，旁折光對水平角影響的大小、方向不同，各次水平角觀測出現分群(測站CPⅡ11、CPⅡ15第1、3次接近，其余2次相差很大)、角度較差符號正好相反(測站CPⅡ13CPⅡ15CPⅡ17)的現象，旁折光對水平角影響無規律，變化非常復雜。

⑥直線地段視線橫距隧道側壁的距離基本在1.3 m以上，各站角度較差仍有影響，在CPⅡ05測站角度影響最為明顯，角度較差最大達20″，而直線地段四邊形角度閉合差超限個數也較多。因此，規范規定的視線距洞內設施0.2 m以上，并不能完全保證測量精度。

2.3 隧道控制點邊長與旁折光影響的關系分析

采用交叉導線方式進行計算，2條附合路線的角度閉合差：-2.99″、-0.1″，導線相對閉合差：1/175 465，1/404 534，精度符合要求。表2中的角度閉合差主要是將隧道兩側的貼壁邊聯入控制網，受旁折光影響，致使角度閉合差超限。

在曲線段，視線距隧道側壁近，旁折光影響嚴重；但對直線段(CPⅡ07～CPⅡ11)而言，盡管視線距側壁遠(1.3 m左右)，而四邊形角度閉合差仍然超限較多，核測后，角度變化不大(見表2)，表明直線段角度閉合差大量超限主要是點位不合適引起。由于直線段邊長較長(基本在550～660 m)，旁折光影響明顯；對CPⅡ03～CPⅡ11的點重新設置，變短測量邊長(330～400 m)后，附合導線路線角度閉合差、四變形角度閉合差均符合要求，表明旁折光對水平角的影響大小與邊長長短有關。

根據其他線四座長度在7.13～13.187 km隧道的實測合格CPⅡ導線統計，其CPⅡ邊長均在280～400 m左右。因此，隧道洞內CPⅡ的邊長以300～400 m為宜，能夠減弱旁折光的影響，對測角精度起到保障作用。

3 減弱旁折光影響的方法研究

為研究減弱隧道洞內CPⅡ導線旁折光影響的方法，以某一已經竣工通車隧道的CPⅡ實測資料為基礎，主要從改善CPⅡ控制網的網型方面考慮。

該隧道全長7.375 km，隧道內CPⅡ控制點共44個，采用測量機器人按全面導線網觀測(點對短邊進行測量，每站觀測5個方向)，導線各項精度指標符合要求。利用旁折光對觀測邊長影響甚微的特點，剔除易受旁折光影響的方向值，用實際工程數據對CPⅡ控制網的構網方案進行研究，主要研究方案如下(計算比較統計結果見表4)。

表4 減弱旁折光構網方案與CPⅡ常規網坐標成果比較

(1)全面網：CPⅡ常規網+短邊(10 m左右≈隧道寬度)的方向、邊長觀測值。

(2)常規網增強型：CPⅡ常規網+短邊(10 m左右≈隧道寬度)的邊長觀測值，剔除短邊精度不高的方向值。

(3)交叉導線：按左、右側交叉布點，視線不與隧道壁平行，不受旁折光影響，為單純的雙導線，中間無結點。

(4)交叉導線增強型：交叉導線+短邊(10 m左右≈隧道寬度)的邊長觀測值，不受旁折光影響。

(5)不受旁折光影響型：交叉導線+兩側貼壁邊長觀測值(剔除易受旁折光影響的兩側貼壁邊的方向值)。

(6)不受旁折光影響增強型：交叉導線+兩側貼壁邊長觀測值(剔除易受旁折光影響的兩側貼壁邊的方向值)+ 短邊(10 m左右≈隧道寬度)的邊長觀測值，構成不受旁折光影響的非完全邊角網。

從表4中的分析可以得出如下結論：

①全面網、常規網增強型與常規網成果一致，坐標較差在1.5 mm以內；邊長較差最大在1.26 mm，而且在長邊上，控制點間的相對關系一致；從精度上比較：常規網精度明顯高于全面網精度，因此，現行常規網的網形是適宜的，在CPⅡ網中加測超短邊方案可行。

②交叉導線、不受折光影響型與常規網成果有差異，坐標最大較差在19.9 mm；最關鍵的是邊長最大較差可達24.63 mm，而且在短邊(測站對面點S=9.88 m)上，控制點間的相對關系與實地位置無法保持一致，不能滿足軌道鋪設要求，因此，這兩種網型是不合適的。

③交叉導線增強型、不受折光影響增強型與常規網成果的差異不明顯，坐標較差在14.1 mm以內，小于CPⅡ復測的坐標限差15 mm要求；邊長較差在2.74 mm，控制點間的相對關系準確，能夠滿足軌道鋪設要求，因此，這兩種網型是適宜的，以不受折光影響增強型為最佳。

4 CPⅡ測量對策與建議

(1)觀測視線要遠離隧道側壁，隧道控制點布設時，從曲線隧道開始設計控制點位置，不僅考慮測站距側壁的距離，曲線隧道更應該注意使同側的兩點(側壁切線方向)間的視線應遠離側壁在1.5 m以上，這需要根據線路設計中線、隧道襯砌建筑限界及內輪廓設計圖+儀器覘標的視線最低高度，確定控制點位置。必要時，將控制點設在隧道中間的排水溝頂。

(2)隧道洞內CPⅡ的邊長不要太長，以300～400 m為宜，以減弱旁折光的影響，保障測角精度，在規范中，對邊長的適宜性應予以明示。

(3)洞門附近內、外兩個測站控制點位置設計與觀測時機應給予足夠的重視，在控制網設計時，洞門附近控制點的設置位置宜設在洞內30 m左右，減弱觀測時洞內、外光線的對比度，提高角度測量精度。

(4)鐵路測量規范規定的視線距洞內設施0.2 m以上，并不能完全保證符合測量精度要求。建議隧道內視線距洞內設施應在1.0 m以上，橫向小于1.0 m時， 應選擇有利時間和受旁折光影響小的控制點作為后視方向，合理分配時段，在不同時段內進行觀測。

(5)每站觀測5個方向，觀測時增加一個棱鏡組，對CPⅡ點對的超短邊進行測量。數據處理發現角度閉合差不能滿足要求時，可以采用不受折光影響增強型網型計算控制網成果，避免多次重測、返工，影響工期。同時，可以利用不受折光影響增強型導線的成果與常規網成果比較，檢驗分析常規網是否存在旁折光影響產生的系統性誤差，提高控制網成果的可靠性。

5 結束語

經過對某隧道洞內導線實測數據統計分析比較，隧道內旁折光對水平角的影響嚴重，角度最大較差達到82″，四邊形閉合環的角度閉合差達到45″， 致使控制測量成果不合格，造成返工重測，影響工期。鑒于旁折光影響的復雜性，有隨地形、地類、地貌、時間、大氣密度、溫度、濕度、氣壓變化的隨機性，具有不可預測性和不可計算性的特點，實際工作中進行隧道洞內施工控制導線、鋪軌前的CPⅡ控制導線時，在點位布設、觀測方法、數據處理等方面應注意采取一定措施，削弱旁折光影響。在成果計算時，利用不受折光影響增強型導線的平差結果，檢驗常規網是否存在受旁折光影響產生的系統性誤差，提高控制測量成果的可靠性。

[1] 張正祿，鄧勇，羅長林，等.大氣折光對水平角測量影響及對策研究[J].武漢測繪科技大學學報，2006(6)

[2] TB10601—2009 高速鐵路工程測量規范[S]

[3] 孔祥元，郭際明，劉宗全.大地測量學基礎[M].武漢：武漢大學出版社，2005

[4] 賀國宏.橋隧控制測量[M].北京：人民交通出版社，1999

[5] 張項鐸，張正祿.隧道工程測量[M].北京：測繪出版社，1998

[6] 華錫生，趙剛.自動全站儀檢測系統的大氣折光改正研究.[J].工程勘測，2001(5)

[7] 付曉村.大氣折光對低標三角高程的影響[J].鐵路航測，1983(1)

[8] 張春艷，王解先，劉紅新.全站儀三維平差及大氣折光分析[J].鐵道勘察，2004(2)

DiscussiononInfluenceandCountermeasuresOoHorizontalRefractionErrorFORCPⅡMeasurementinRailwayTunnel

CHEN Guang-jin XU Tao TANG Xian-hai FU Hong-ping

2014-01-21

陳光金(1963—)，男，1984年畢業于昆明工學院工程測量專業，工學學士，高級工程師。

1672-7479(2014)02-0004-05

TB22

： A