長大隧道獨立控制網的建立方法

童鵬程（中鐵四局集團建筑公司有限公司，安徽　合肥　230022）

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長大隧道獨立控制網的建立方法

童鵬程
（中鐵四局集團建筑公司有限公司，安徽合肥230022）

摘要：以張唐鐵路桃花山隧道為例，采用改變投影面和使用一點一方向平差的方法，建立了隧道獨立坐標系，通過對隧道獨立平面控制網測量成果的分析，指出采用該方法建立的獨立坐標系，可提高控制網精度，滿足隧道施工要求。

關鍵詞：長大隧道，獨立坐標系，一點一方向法，平面控制網

在鐵路隧道工程建設過程中，為保證長大隧道的順利貫通，對洞外控制網的精度要滿足相應規范要求，特別是對平面控制網的精度要嚴格按照相應規范要求進行測設。在平面控制測量過程中，往往存在平面控制點的計算邊長與實測邊長不相符，洞口投點計算角度與實測角度不相符，產生較大差值，這會對隧道貫通測量及后續無砟軌道施工造成較大的影響。《高速鐵路工程測量規范》要求，隧道施工獨立控制網的邊長投影變形值要小于10 mm/km，才能滿足隧道施工要求，否則就要建立滿足上述投影變形要求的獨立坐標系。對于長度超過6 km的隧道等大型構筑物，設計單位均要求施工方建立獨立平面坐標系。

1　工程概況

張唐鐵路桃花山隧道穿越燕山山脈東段，進口里程DK395 + 981，出口里程為DK402 +377，斜井里程DK398 + 360。隧道全長6 396 m，隧道最大埋深約199 m，最小埋深約20 m，隧道中段位于半徑R =3 000的曲線段上，其余位于直線段上，為雙線隧道。列車設計時速120 km/h，軌道類型為重型，整體道床。桃花山隧道地面高程為109 m，相對高差56 m。地表植被發達，樹木繁茂，通視條件較差，隧道進、出口有鄉村道路，交通條件相對方便。

2　隧道獨立控制網建立方法

在隧道施工過程中，因進、出口的平面控制網的角度精度直接影響隧道的橫向貫通效果；斜井或平硐大多都垂直于隧道線路，其邊長精度影響隧道橫向貫通，同時也影響隧道實際里程長度，影響后續無砟軌道施工，故長大隧道施工必須要有高精度的平面控制網。但此隧道設計單位本身所交勘測平面控制網精度不高，若用此控制網中的點作為起算點來約束隧道加密控制網，將嚴重影響隧道貫通精度。因此本隧道應建立獨立平面坐標系，并應采用一點一方向法解算加密網。

2.1建立獨立平面坐標系

為了減少投影變形對本隧道施工的影響，隧道施工中應建立獨立平面坐標系統，具體分以下三種情況：

1）通過改變Hm從而選擇合適的高程參考面，將抵償分帶投影變形，這種方法稱為抵償投影面的高斯正形投影，即采用抵償高程面而中央子午線不變的方法。2）通過改變ym，從而對中央子午線作適當移動，來抵償由高程面的邊長歸算到參考橢球面上的投影變形，這種通常稱為任意帶高斯正形投影，即變換中央子午線而投影面不變的方法。3）通過既改變Hm（選擇高程參考面），又改變ym（移動中央子午線），來共同抵償兩項歸算改正變形，這種通常稱為具有高程抵償面的任意帶高斯正形投影，即改變投影面又改變投影帶的方法。

2.2隧道洞口加密點埋設

隧道各洞口加密控制點位置的選取和埋設既要考慮到GPS觀測時的要求，也要考慮到全站儀測角測邊時的要求，特別是洞口投點T既要在地質穩定、不易被破壞的地方，又要能夠和隧道洞口兩側的后視點通視，同時還能夠看到隧道洞口深處，從而確保洞內外聯系測量時對洞內導線邊長度的要求。隧道洞口應埋設最少3個GPS加密點，且盡量布設成相互距離不小于350 m邊長，困難地段邊長不能小于300 m。

2.3抵償投影長度變形的方法

此隧道中心位置距離勘測網中的中央子午線（其經度為118° 12'）約有18 km，隧道線路平均高程面約80 m，投影面大地高100 m。由于實測邊長歸算到參考橢球面上變形與參考橢球面上的邊長歸算到高斯面上的變形有部分相互抵償，即：

其中，Δs為邊長投影變形值；Hm為歸算邊高出抵償高程面的平均高程；Rm為地球平均曲率半徑；ym為歸算邊兩端點橫坐標平均值；R為歸算邊方向參考橢球法截弧的曲率半徑；S為實際測量的水平距離。

現將ym=18 km和Hm=100 m代入式（3）中，為了計算方便Rm= R =6 370 km，可計算出1 km邊的長度變形值為-1.2 cm，這超出了規范要求變形值不超過1.0 cm/km的要求。此時我們可令Δs =0，則由式（3）可求得：

將上述數值代入式（2）中，可求得高差ΔH = 25 m。此時，將地面實測距離歸算到100 -25 =75 m高程面上，兩項長度改正得到完全補償。通過對式（1），式（2）的計算可知，隧道偏離中央子午線對變形影響的偏差較小，投影面的選擇對變形的影響較大，故本次隧道獨立平面坐標系選擇采用抵償高程面而中央子午線不變的方法。

2.4一點一方向法

此隧道設計單位提供的控制點為四等導線點和四等GPS點，作為隧道首級控制網顯然精度較低，若用此控制網來加密隧道施工控制網，將導致誤差會全部集中在隧道內部，從而影響隧道的貫通精度。因此本隧道采用一點一方向法建立獨立平面坐標系，從而將控制網的各項誤差全部推到隧道外部路基上，保證隧道的貫通精度。此時隧道獨立平面坐標系是在原勘測坐標系橢球下，以勘測網中2 423點作為約束起算點，以2 423 -2 430方向作為約束方向（見圖1），中央子午線L0=118°12'不變，投影面高程H抵= 100 m變為75 m。通過武漢大學COSAGPS軟件解算，隧道出口2 430的坐標與原勘測網坐標對比見表1。

圖1　隧道獨立控制網圖

表1　2 430點獨立坐標與原勘測網坐標對比　m

3　隧道獨立平面控制網的成果對比

為了檢驗獨立平面控制網的精確性，現選取隧道進口、出口、斜井位置各洞口投點與兩側后視點之間的夾角和距離，并與隧道獨立坐標系計算的夾角和距離進行對比，詳見表2，表3。其中水平角觀測9個測回，距離往返觀測4個測回。

通過上述數據對比可以發現各洞口投點夾角實測值與計算值相差最大為2.45″，邊長實測值與計算值最大相差-2.7 mm，邊長相對誤差最大值為1∶133 084，對比結果表明用此方法建立的隧道獨立坐標系成果完全能夠滿足本隧道的施工精度要求。

表2　各洞口投點夾角對比表

表3　各洞口投點后視邊長對比表

4　結語

在長大隧道施工過程中，通過對建立獨立平面坐標系的研究分析可知，在何種情況下采用改變抵償高程面，何種情況下采用改變中央子午線，何種情況下兩者都改變的方法來提高隧道獨立平面控制網的精度。另外，通過一點一方向的方法，可以進一步將獨立平面控制網中的誤差全部推到隧道洞外，從而實現提高隧道貫通精度的效果。

參考文獻：

［1］TB 10601—2009，高速鐵路工程測量規范［S］.

［2］孔祥元，梅是義.控制測量學［M］.武漢：武漢大學出版社，2002.

The establishment method of long tunnel independent control network

Tong Pengcheng
（China Railway 4th Bureau Group Construction Company Limited Company，Hefei 230022，China）

Abstract：Taking the Zhangtang railway Taohuashan tunnel as an example，this paper used the projection plane change and one point one direction adjustment method，established the tunnel independent coordinate system，through the analysis on tunnel independent plane control network measurement results，pointed out that adopted the method to establish the independent coordinate system，could improve the control precision，satisfied the requirement of tunnel construction.

Key words：long tunnel，independent coordinate system，one point one direction，plane control network

中圖分類號：U452.1

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0181-02

收稿日期：2015-12-15

作者簡介：童鵬程（1984-），男，工程師