特長隧道獨立控制網的建立及貫通誤差預計

母清中

（中鐵隧道局集團有限公司工程測量試驗分公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著國民經濟的發(fā)展和鐵路建設的大規(guī)模推進，國內出現(xiàn)很多長度超過20 km的特長隧道，例如已完工的石太客專太行山隧道（全長27.839 km）、蘭渝鐵路西秦嶺隧道（全長28.236 km）等。鐵路隧道因行車界限和貫通誤差要求，測量精度和施工質量要求都非常高，而特長鐵路隧道長度大，穿越地質情況復雜，受環(huán)境和施工條件影響，測量精度在很多情況下難以控制，特長隧道的控制測量面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。該文以長度28.4 km的平安隧道為例，對特長隧道獨立控制網的建立及貫通誤差的估算方法進行了討論，對如何提高特長隧道貫通精度提出自己的建議，以供參考。

1 工程概況

某鐵路平安隧道位于四川省阿壩州茂縣石大關鄉(xiāng)境內，隧道全長28.4 km。整個隧道跨越3個投影帶，設計院既有平面控制點6個，分別在隧道進口和出口各設置了2個CPI控制點，與相鄰標段銜接段處設置1個CP0和1個CPI。

2 獨立控制網設計

2.1 坐標系統(tǒng)

平安隧道平面坐標系采用WGS-84參考橢球，（長半軸a＝6378137 m，扁率f=1/ 298.257223563）為滿足投影變形小于10 mm/km，平面坐標系采用高斯投影，第九坐標系，中央子午線104°，投影面大地高H1。

2.2 控制網精度等級

隧道平面控制測量按照《高速鐵路工程測量規(guī)范》（TB 10601-2009）一等GPS網精度建網。平面控制網主要技術指標固定誤差不大于5 mm，比例誤差系數(shù)不大于1 mm/km，基線方位角中誤差不大于0.9″，約束點間的邊長相對中誤差小于1/500000，約束平差后最弱邊邊長相對中誤差小于1/250000。外業(yè)測量技術要求采用雙頻GPS接收機，衛(wèi)星截止高度角≥15°，同時觀測有效衛(wèi)星數(shù)≥4顆，觀測有效時段長度≥120 min，觀測時段數(shù)≥2個時段，數(shù)據(jù)采樣間隔15 s，PDOP（或GDOP）值不大于6[1]。

2.3 控制網網形

洞外平面控制網沿隧道進出口連線方向布設成大地四邊形，構成必要的檢核條件，GPS控制網是由洞口子網和子網之間的聯(lián)系主網構成的，以點對作為聯(lián)結邊，采用邊聯(lián)式構網。隧道進出口及斜井原線路平面控制網的CPI點納入獨立控制網進行聯(lián)測，每個施工區(qū)布設3～4個平面控制點，如圖1所示。

圖1 平安隧道GPS網形圖

2.4 投影參數(shù)選擇

根據(jù)隧道平面位置和縱斷面圖中線線路內軌面設計標高，結合平安隧道所對應的投影帶，平安隧道獨立施工控制網采用H1為投影基準面，以104°為中央子午線，即與第九坐標系相關投影參數(shù)一致，以隧道進口和出口線路坐標系控制點CPI106-1和CPI117為坐標約束點，建立平安隧道獨立控制網。

2.5 數(shù)據(jù)處理

先將GPS原始觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉換為標準的Rinex格式，然后再采用LGO 7.0軟件統(tǒng)一進行基線解算，基線解算合格后輸出形成基線向量文件提供平差計算。GPS網平差計算采用某鐵路工程精密控制測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理。

2.5.1 基線解算

平安隧道獨立控制網基線解算采用廣播星歷按靜態(tài)相對定位模式進行，使用軟件為LGO7.0和鐵四院GPS軟件進行基線解算，并進行基線數(shù)據(jù)質量的分析和檢核統(tǒng)計。同一時段觀測值的數(shù)據(jù)剔除率小于6%，解算完成后導出合格的asc基線向量文件[2]。

2.5.2 三維無約束平差

GPS網平差時將asc基線向量文件導入后處理軟件，以CP0-03的空間直角坐標作為起算數(shù)據(jù)，檢查所有獨立環(huán)閉合差和重復基線較差確保其符合規(guī)范要求，對獨立控制網進行三維無約束平差，確保所有基線分量的改正數(shù)絕對值符合規(guī)范要求。

2.5.3 二維約束平差

考慮坐標系適用里程范圍、最大投影變形值≤10mm/km以及隧道投影采用抵償面（進行兩化改正）等因素，從隧道洞外控制網與線路控制網的聯(lián)結角度出發(fā)，宜采用線路控制網的“第九坐標系”作為平安隧道獨立施工控制網平面坐標系。以CPI106-1、CPI117第九坐標系中的平面成果為約束點，對平安隧道進行二維約束平差，約束平差后m0=1.373，最弱點為CPI114的點位誤差為mX=0.45 cm，mY=0.43 cm，mP=0.62 cm，最弱邊DPA3-4～DPA3-3的基線邊方位角中誤差MA為0.63″，邊長相對中誤差為1/267 572。滿足規(guī)范中約束平差后最弱邊相對精度1/250 000和基線邊方方向≤0.9″的要求。

2.6 全站儀實測數(shù)據(jù)與控制網成果比較

為了檢驗獨立控制網的可靠性，在平安隧道斜井子網中檢查角度和距離，并進行了比較和分析，水平角觀測4個測回，距離往返觀測各2個測回，觀測成果見表1。為驗證獨立控制網精度，采用高精度全站儀對洞外GPS反算邊長進行比對、檢核，結果見表2。

表1 全站儀實測角度與GPS反算角度比較表

表2 全站儀實測邊長與GPS反算邊長比較表

全站儀實測角度值與GPS成果計算值比較：最大較差1.58＂，全站儀實測邊長與GPS成果反算邊長比較：最大較差為-5 mm。全站儀檢測角度值與GPS數(shù)據(jù)吻合度好，該獨立控制網精度滿足要求[2]。

3 隧道貫通誤差預計

隧道貫通誤差包括橫向、縱向和高程貫通誤差。縱向貫通誤差僅對隧道里程方向產生影響，規(guī)范中并沒有單獨的縱向貫通要求。高程貫通誤差影響隧道的縱坡，一般采用精密水準儀按照國家二等水準要求測定，精度較容易控制。橫向貫通誤差至關重要，對隧道質量有直接影響，需要重點控制，如果橫向貫通誤差過大，不僅會造成嚴重的質量安全事故，還將因為返工造成工期滯后，增加施工成本給企業(yè)造成巨大的經濟損失，也將嚴重影響企業(yè)形象和信譽評價。

3.1 隧道貫通誤差依據(jù)標準

一般取2倍中誤差作為各項貫通誤差的限差，平安隧道貫通誤差限差見表3。

表3 隧道貫通誤差規(guī)定

3.2 隧道橫向貫通測量中誤差估算

洞外GPS控制測量誤差引起的隧道橫向貫通中誤差可按下列方法估算。

控制測量前，估算測量設計的驗前橫向貫通中誤差，如公式（1）所示。

式中：M為驗前橫向貫通中誤差；mJ、mC為隧道進、出口GPS控制點的Y坐標誤差；LJ、LC為隧道進、出口GPS控制點至貫通點的長度；mαJ、mαC為隧道進、出口GPS聯(lián)系邊的方向中誤差；θ、φ為隧道進、出口控制點至貫通點連線與貫通點線路切線的夾角[3]。

控制測量后，估算控制測量的驗后橫向貫通中誤差，如公式（2）所示。

式中：M為驗后橫向貫通中誤差；σΔx、σΔy、σΔxΔy為由進、出口推算至貫通點的x、y坐標差的方差和協(xié)方差；αF為貫通面方位角[3]。

3.3 平安隧道橫向貫通誤差計算

平安隧道由2個標段共同完成施工任務，其中9標段內左線長19.1 km、右線長19.2 km。根據(jù)相鄰開挖洞口子網中進洞定向邊和相對應貫通面位置，洞外定向邊和洞內導線測量對橫向貫通誤差的影響值，見表4。從以表4中可以看出洞外GPS控制測量對各貫通面的誤差影響最大的為10.1 mm，小于規(guī)范限差值40 mm。洞內導線的邊長應考慮隧道的長度并根據(jù)實際通視情況來綜合衡量，宜大于300 m，應在視線良好、施工干擾小、無遮擋、穩(wěn)定可靠的地方布設導線點，遇到空壓機等大型設備時須關閉并等待區(qū)段內溫度均衡后方可進行控制測量工作，進洞觀測宜在陰天或晚上進行施測，須關閉風機等設備。洞內導線按照隧道二等進行施測，貫通誤差預計見表5。從表5中可以看出，獨立控制網平面控制點精度均能滿足貫通要求。

表4 洞外控制測量對隧道橫向貫通誤差影響值表

表5 洞內導線測量橫向貫通誤差估算值和總橫向貫通誤差估算值表

3.4 隧道高程貫通誤差預計

高程貫通誤差預計按公式（3）進行計算。

式中：mΔ為洞外每公里水準測量高差中數(shù)的偶然中誤差，mm；L為洞外水準線路長度，km[3]。

采用公式（3）對平安隧道進行高程貫通誤差分析，結果見表6。

從表6可以看出，各段高程貫通誤差均小于±25 mm，滿足貫通要求。

表6 平安隧道高程貫通誤差預計

4 提高特長隧道貫通精度的措施

由于特長隧道多位于地質情況復雜的山區(qū)，為保證隧道的控制測量質量和貫通精度，須采用以下措施。1）定期檢校儀器，嚴格按照設計及規(guī)范要求施測。2）考慮到長大隧道線路一致性和銜接段能有效貫通，特長隧道獨立控制網銜接段控制點成果須與相鄰標段簽訂共用樁協(xié)議，以確保雙方在銜接段采用相同的起算值。3）使用起算點坐標時應先查看坐標所處的投影帶，首先應明確投影帶與平面曲線要素的對應關系，同時應檢查相鄰點間的邊角關系，確定正確后方可進行施工放樣。4）洞內導線應從洞外聯(lián)系邊引入，進洞導線點的后視方向不得少于2個。對于導線環(huán)或交叉導線，宜采用雙線路向洞內引測。5）洞外聯(lián)系邊引入前，應用全站儀同精度檢測洞口子網控制點間的角度和邊長。全站儀檢測GPS控制網的角度和邊長較差須符合規(guī)范要求。6）導線要盡量布設成似等邊直伸型，洞內導線應采用閉合環(huán)，每個導線環(huán)一般不大于6條邊[4]。特長隧道宜按交叉雙導線環(huán)布置閉合環(huán)，交叉雙導線的點位宜前、后錯位布設。7）洞內導線點的埋設應選擇在施工干擾小、視線好、利于設站及穩(wěn)定可靠的地方。8）平行雙洞隧道宜在2個隧道間橫通道處布設導線點進行聯(lián)測，構成導線網。9）隧道獨頭掘進每掘進5 km左右宜采用不低于5″級的高精度陀螺儀加測定向邊，以確保有效貫通，當陀螺邊方位角與洞內導線邊坐標方位角較差大于15″時，應進行綜合分析檢查。10）所有控制點應妥善保管，如果破壞應以同精度恢復。

5 結論

隧道控制測量是隧道工程質量控制過程中的關鍵環(huán)節(jié)之一，平安隧道采用的是獨立控制網設計、測量、數(shù)據(jù)處理方法，能夠有效地保證控制網的精度和可靠性。通過對貫通誤差預計分析，說明建立的獨立控制網可行，能達到預期的貫通精度。

通過對特長大隧道建立獨立控制網并進行貫通誤差分析。對隧道控制測量及施工測量技術進行的改進與優(yōu)化，能夠有效提高特長隧道測量精度，減小特長隧道貫通誤差。隨著測量精度的提高，避免了因貫通誤差較大造成的質量安全事故，保證了隧道線路的平順性，提高了工作效率，成功地減少了超欠挖量等因測量誤差造成的后續(xù)返工處理，進而降低施工成本，提升了經濟效益，同時隨著用料的量化控制，產生了良好的環(huán)保和社會效益。