雁門關隧道控制網的建立及精度分析

翟寶珍

(中鐵十七局一公司，山西 太原 030032)

徠卡測量新技術應用專欄

雁門關隧道控制網的建立及精度分析

翟寶珍

(中鐵十七局一公司，山西 太原 030032)

論述了長大隧道洞外獨立控制網建立方法，將WGS-84坐標系統無約束平差基線精度作為洞外獨立GPS控制網的精度指標，并以WGS-84坐標系統無約束平差結果作為工程獨立控制網的計算基準來獲取二維工程平面坐標。

WGS-84坐標；工程獨立控制網建立；精度預計分析

北同蒲新建鐵路取直工程雁門關隧道是繼秦嶺隧道、烏鞘嶺隧道等特長隧道之后又一長大隧道，位于山西省代縣北部山陰縣南部雁門關山脈，全長14 085 m，隧道設斜井3座。

本文通過對雁門關隧道GPS數據的統計分析，對隧道獨立GPS控制網的建立和數據處理進行了全面了解，通過建立獨立控制網來滿足高精度施工放樣的需求；對長大隧道不同開挖面間貫通誤差進行預測，以確保隧道貫通精度滿足規范要求。

1 雁門關隧道工程獨立坐標系的建立

1.1 采用的參考橢球

控制網采用1954北京坐標系參考橢球，其橢球參數為：長半軸a=6 378 245 m，扁率f=298.3，UTF為1.0。

1.2 工程獨立坐標系的建立

雁門關隧道采用工程獨立坐標系，首先基于施工控制網使用全站儀放樣隧道進口線路上一點YM2，在隧道出口適當里程位置放樣一點YM22。以YM2為坐標起算原點，YM2到YM22方向為X軸的正方向，順時針旋轉90°為Y軸，建立雁門關隧道工程獨立坐標系。

1.3 貫通精度要求

根據貫通誤差要求進行隧道平面和高程控制測量設計，隧道洞外、洞內平面和高程控制測量誤差對貫通面上的貫通誤差影響應符合表1要求。

表1

2 隧道洞外平面控制網設計

隧道平面控制網設計根據隧道進出口連線方向布設，共組成5個子網，分別為：隧道進口控制網、隧道出口控制網、南寺斜井子控制網、后腰鋪斜井控制網和城上斜井控制網，每個子控制網控制點不少于4個，布設時考慮進洞方便且選擇較長邊。

3 GPS獨立控制網的轉換

首先在WGS-84坐標系下對觀測成果進行三維無約束平差計算，求取YM2—YM22的基線向量，得到WGS-84三維自由網坐標。

自由網平差采用的橢球為WGS-84橢球參數,而不是獨立坐標系下的1954北京參考橢球，必須將WGS-84下的橢球轉換到地方橢球面上。采用雁門關隧道洞內軌頂平均高程面作為投影面，投影面大地高程為H=1 174.44 m，根據設計院交樁資料采用1954北京橢球進行轉換，將高斯投影的中央子午線選擇在隧道中央，以避免測區基線邊變形較大，保證工程獨立控制網高斯投影邊長與實測邊長一致。獨立控制網起算點YM2為原點，坐標選擇以其所在中線里程為DK111+579.5253建立坐標原點(111 579.525 3,1 000.000 0)，按照基線YM2—YM22作為起始方位，建立獨立坐標系。采用徠卡GPS后處理軟件LGO坐標轉換功能進行二維約束平差轉換，得到每一個子控制網的二維平差坐標。

4 洞外平面控制網精度分析

根據規范要求，洞外控制網檢測實施過程中，平面控制網檢測按《全球定位系統(GPS)鐵路測量規程》中B級GPS網的精度標準執行。洞外平面控制網檢測使用的儀器為4臺徠卡GS15 GNSS天線。

在整體隧道獨立控制網平差后，控制點的最大中誤差為1.7 mm(為YM17點)，平均中誤差為1 mm，最弱邊的相對精度為1/392 157(為YN13—YM14邊)，基線邊方位角中誤差最大為±0.51 mm，為YM15—YM16方向，滿足規范規定的B級GPS控制網的要求。

5 采用全站儀測量基線邊及角度比較

采用徠卡TS60全站儀對隧道進口和出口子控制網的平面點進行檢核，以檢核控制網的可靠性。在隧道進口和出口各選擇了一個三角形(△YM1—YM3—YM4和△YM19—YN21—YM24)進行了角度和距離檢核，并進行了比較和分析。角度觀測6個測回數，距離往返觀測各6個測回數，觀測距離投影到施工獨立控制網的投影面上，進行距離歸化改正。比較結果見表2—表3。

表2 全站儀與GPS角度比較

將全站儀實測角值與GPS成果計算值進行比較：最大較差2.90″，最小較差0.65″，較差算術平均值0.24″；全站儀實測角度平差值與GPS成果計算進行比較：最大較差2.53″，最小較差0.55″；實測邊長與GPS成果計算進行比較：最大較差2.4 mm，最小較差0.2 mm，較差算術平均值0.8 mm。對比結果表明，GPS平面控制測量精度滿足施工要求。

6 洞外控制測量對隧道橫向中誤差影響值的計算

洞外控制對隧道橫向貫通中誤差影響值是隧道洞外平面控制網的一項重要指標，采用武漢大學科傻GPS數據處理軟件進行分析計算。通過控制網的平差計算獲得各點的坐標的方差-協方差陣，根據現場確定使用的進洞定向邊計算兩開挖洞口間的隧道洞外控制對橫向貫通中誤差的影響值。

根據兩相鄰開挖洞口子網中進洞定向邊和相應貫通面位置組成計算文件，共組成4個文件，計算洞外控制影響值90個；表4中列出了計算的各貫通面洞外控制對橫向中誤差最大影響值及限差。

表4 洞外控制測量對隧道橫向中誤差影響值

7 結 語

采用高精度徠卡TS60全站儀及GS15 GNSS天線對雁門關隧道進行控制測量，通過GPS數據的統計分析，隧道獨立GPS控制網建立和數據處理精度可靠，尤其對于高原地區長大隧道獨立控制網，滿足高精度施工放樣的需要及長大隧道高精度貫通要求。對長大隧道不同的開挖面間進行貫通誤差的預計，可確保隧道觀測精度，來提高隧道貫通精度。