隧道洞內線路平面控制網CPII建立方法探討

馬 嵩

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢430063）

在高速鐵路建設過程中，橋梁和隧道在整條線路中占有非常大的比重。由于隧道工程的特殊性，與路基橋梁段相比，隧道內的精測網建網具有其獨特性。CPII控制網是高速鐵路建設中一級重要的平面控制網，稱為線路平面控制網。該控制網的精確測量，能夠為CPIII控制網提供高精度的起算數據，從而為高速鐵路的高平順性提供必要的條件。對于隧道外的CPII控制網，可以利用GPS方法進行高精度的測量，一般都能夠得到所需的精度。然而，對于隧道洞內的CPII控制網，無法利用GPS方法進行測量，故傳統的做法是采用導線網的形式（導線環網或交叉導線網）利用全站儀進行測量［1］。隨著測量技術的不斷更新與進步，自由測站的方法已經被運用到高速鐵路隧道洞內CPII控制網的建網測量之中。

研究表明，附合單導線網、導線環網和交叉導線網等幾種傳統的導線測量方式中，交叉導線網在網型強度以及控制導線網橫線擺動等方面是最優的。以具有代表性的交叉導線網為例，對利用交叉導線網法和自由測站的方法建立洞內CPII控制網進行了定性分析，并利用這兩種方法分別對建立隧道洞內CPII控制網進行了實驗數據模擬計算，從定量的角度對交叉導線網法和自由測站方法進行分析。

1 交叉導線網建立隧道CPII控制網

1.1 控制點埋設及構網原理

交叉導線網的控制點均成對布設在靠近隧道雙側壁附近的仰拱上，其采用如圖1所示的網型進行外業測量。沿隧道洞內每隔300～400m布設一對CPII控制點，各個控制點均需要架設全站儀和棱鏡進行交錯長邊聯測，因此每一條導線邊都有往返測觀測值。

圖1 交叉導線網構網示意圖

1.2 外業觀測及精度要求

依據文獻［2］，交叉導線網應采用全圓方向距離觀測法進行外業觀測。一般采用智能型全站儀（測角精度±0.5"或±1.0"，測距精度±1 mm +1 ppm）進行外業測量，外業方向距離觀測技術指標應該滿足表1中的規定。洞內CPII導線網測量的主要技術指標應該滿足表2中的規定。

表1 測站方向距離外業觀測技術指標[2]

表2 洞內CPII導線測量主要技術指標[2]

2 基于自由測站的CPII控制網建立方法

2.1 洞內CPII控制點埋設

使用自由測站邊角交會法對高鐵隧道洞內CPII控制網進行測量時，需要將洞內CPII控制點按點對布設。根據隧道的線性特征以及隧道內的通視情況，沿隧道洞口向內每隔240～360 m左右布設一對控制點。洞內CPII控制點埋設在隧道內左、右兩側的電纜槽頂面以上30～50 cm的邊墻內襯上，使用的控制點標志為洞內CPIII控制點強制對中標志。

2.2 洞內CPII控制網構網及測量

隧道內的強制對中標志布設好以后，在每一個自由測站前后各兩對CPII控制點的強制對中標志上安裝好檢定合格的棱鏡，便可以進行CPII控制網的測量。CPII控制點的坐標即為棱鏡中心的坐標，自由測站邊角交會網測量采用如圖2所示的測量網型。按300 m左右的測站間距，將全站儀架設在線路中線附近進行自由測站觀測，每一站觀測儀器前后各2對CPII控制點［3］，在隧道兩端進出口處，將洞內CPII控制網附合至隧道洞外高等級控制點上，對洞內CPII控制網進行平差計算。

圖2 洞內CPII自由測站邊角交會網觀測方法示意圖

自由測站邊角交會方法測量洞內CPII控制網每一測站應進行3測回的全圓方向距離外業觀測。其外業方向距離觀測技術指標應該滿足表3中的規定。自由測站邊角交會方法測量CPII網的主要技術指標也應該滿足表1中的規定。

表3 自由測站邊角交會方法測量CPII網外業觀測技術指標[2]

與使用交叉導線網進行建網測量相比，利用自由測站邊角交會網對洞內CPII控制網建網具有以下優點：

1）自由測站邊角交會網采用自由測站的方法進行觀測，因此全站儀只需整平不需要對中，從而消除了儀器的對中誤差。觀測點均采用強制對中觀測，故也沒有對中誤差［4］。而使用交叉導線進行測量時需要在每個控制點上架設全站儀和棱鏡，從而產生儀器和棱鏡的對中誤差，對中誤差的不斷累積會降低整個控制網的精度。

2）自由測站邊角交會網網形對稱，具有比交叉導線網更多的觀測值，整個控制網的點位精度比較均勻［5］。

3）自由測站邊角交會網控制點布設在隧道雙側壁邊墻內襯上，點位穩定而且不易受到施工的影響或遭到破壞。

4）交叉導線網在外業測量時，需要將儀器和棱鏡架設在控制點上進行觀測。因此，測量員需要攜帶多個腳架、基座。由于隧道內施測環境惡劣，視線經常會受到二襯臺車等其他大件施工設備的遮擋［6］，影響測量的效率。而自由測站的方法只需攜帶一個腳架，不用攜帶基座，而且受施工影響較小。

5）該CPII控制點采用和CPIII控制點相同的強制對中標志，在后續的CPIII控制網測量中可以將CPII控制點用作CPIII控制點，實現一點多用。相比交叉導線網，節約了更多的資源，避免了不必要的浪費［7］。

通過上述分析可以看出，相比交叉導線網，自由測站的方法建立洞內CPII控制網具有比較明顯的優勢和特點，能夠顯著提高工作效率并且節約人力物力資源。

3 模擬試驗計算分析

在模擬試驗計算中，按照高鐵隧道二等的精度要求，將隧道長度設定為10 km，其洞內CPII控制點按每350 m布設一對點，在距離隧道進出口1 km處各布設一對高等級GPS控制點。使用交叉導線網方法對洞內CPII控制點進行觀測時，在每個CPII控制點上均需架設全站儀和棱鏡進行觀測，因此交叉導線網方法的模擬試驗計算中應加入觀測誤差以及全站儀和棱鏡的對中誤差。在使用自由測站邊角交會網對洞內CPII控制點進行觀測時，使用的測量標志為強制對中觀測標志，因此在該方法的模擬試驗計算中只需要加入觀測誤差。其中，對中誤差按0.5 mm、方向觀測誤差按中誤差0.92"、測距誤差按2 mm+2 ppm計算。

自由測站邊角交會網不能直接按傳統導線網的方法計算表2中的方位角閉合差和導線全長閉合差兩項精度指標。如圖2所示，在該洞內CPII自由測站邊角交會網中，先用進洞口的兩個控制點（GPS01、GPS02）約束整個控制網，則可以得到出洞口控制點GPS03、GPS04在GPS01、GPS02約束之下的坐標。此時控制點GPS03、GPS04具有兩套不同的坐標值，分別可以計算出兩個不同的方位角，兩個方位角之差即為該控制網的方位角閉合差。如前所述，洞口兩個控制點各有兩個不同的坐標值，任選其中的一個坐標，按下式即可計算得到該控制網的全長閉合差。

式中，fs為全長坐標閉合差；s為本次測量的CPII控制網全長（約等于隧道的平面里程）；ΔX為同一個點的兩套X坐標較差，ΔY為同一個點的兩套Y坐標較差。

根據模擬試驗要求，對交叉導線網和自由測站邊角交會網各進行了10次獨立模擬試驗計算，其精度統計結果如表4所示。從模擬試驗計算結果可以看出，按交叉導線網方法進行測設時，精度指標中導線全長相對閉合差有4次沒有達到隧道二等1/100 000的精度要求；按自由測站邊角交會網方法進行測設時，控制網的各項精度指標均滿足高鐵隧道二等的精度要求，且各項精度均比使用交叉導線網方法測設時要高。

表4 兩種CPII控制網建網方法模擬計算精度統計表

4 結 語

在隧道洞內CPII控制網建網測量時，自由測站邊角交會網相比交叉導線網具有獨特的優勢。不僅具有比交叉導線網更高的精度，而且節省了人力物力，提高了測量效率。從仿真結果看出，在建立洞內CPII控制網（大于7 km）時，自由測站邊角交會網確實比交叉導線網具有更高的精度，均不存在相應指標超限的情況。因此，自由測站邊角交會網值得在隧道洞內CPII控制網的建網測量中應用。

[1] 劉三枝,高俊強． 地鐵隧道地下控制導線測量布設方案對比分析[J]．南京工業大學學報,2006,28(2):56-58

[2] TB10601-2009 高速鐵路工程測量規范[S]．

[3] 夏艷萍,劉成龍．何永平．基于自由測站的大跨度連續梁上CPII平面網測量方法研究[J]．鐵道勘察,2011(6):6-8

[4] 劉成龍,金國清,楊雪峰,等．自由測站邊角交會網在隧道內平面控制中的應用研究[J]．西南交通大學學報,2014,49(1):1-7

[5] 彭海峰,鄒浜,楊玉堂．高速鐵路隧道洞內CPII平面網建網測量新方法研究[J]．測繪工程,2015,24(2):65-68

[6] 周凌焱,劉成龍,高洪濤,等．高鐵隧道洞內控制網測量新方法的應用[J]．測繪科學技術學報,2014,31(6):570-575

[7] 趙夢杰．洞內自由測站邊角交會法代替交叉導線測量CPII控制網的精度分析[J]．鐵道勘察,2016,42(5):19-23