隧道测量中控制网布设与数据处理方法研究摘要:传统隧道施工控制网的方法有三角测量方法和精密导线法,其中三角测量方法是最为传统的隧道施工控制网方法,而精密导线法近几年应用较多。

本文基于笔者多年从事控制测量的相关经验,以GPS应用于某隧道控制网布测为研究背景,分析探讨了洞内外平面控制测量的方法与流程。

关键词:GPS 特长隧道控制网贯通误差
1 基于GPS控制网布设的优点
传统隧道施工控制网的方法有三角测量方法和精密导线法,其中三角测量方法是最为传统的隧道施工控制网方法,而精密导线法近几年应用较多。

常规测量办法在隧道测量中难度都较大,因为其一般都在地形复杂的山区。

而如果选择采用GPS来建立隧道控制网,由于通视条件对GPS观测影响较小,而GPS控制网网形也较常规控制网更为随意,故GPS测量一种有效的控制测量隧道的方法。

GPS如下几个优点在在测量中的应用中较为实用:(1)观测站之间可以相互不通视。

点位选择比传统方法更为灵活,也极大地减少了因为选点的苛刻增加的经费和时间。

(2)有较高的定位精度。

如基线<50km时,可以实现1PPm～2PPm的相对精度,定位精度会随着基线
的加长而提高。

一般测量手段很难达到这样的精度级别。

(3)极大地缩短了观测时间。

以完成一条基线的相对定位所需要的观测时间为例,采用经典的静态定位方法,一般为lh～3h(具体时间依精度不同而不同)。

(4)三维坐标能与观测成果一同提供,这是因为,测站点的大地高程可以被GPS精确测定,所以在精确提供测站点的平面位置的同时,能同时得到大地高程。

这开辟了一条新的途径,即可以研究大地水准面的形状和地面点的高程。

(5)GPS用用简便的操作,较轻的重量,小的体积等特点。

(6)GPS能在所有气候条件下作业。

跟传统的测量方法不同,GPS观测不受地点、时间限制,也不受天气条件影响,可以实现连续观测。

2 工程简介
全长4126m的隧道位于某山脉中段,属于目前我国建成的最长隧道之一。

隧道进口处于直线地段,出口在曲线上,曲线半径为598m,缓和曲线长122m,偏角为31°04′30″。

进口处高程2241m,出口处高程为2836多米,越岭地段牛背梁的高程为3900米,整个测区相对高差近1300多米,山势相对陡峻,地形极其复杂,有着极差的通视条件。

如不选择GPS方法方法建网,不管是平面控制网还是高程控制网,都将面临测量工作量大,周期长,测量精度很难达到等问题,因此项目组决定采用GPS建网,为了使该特长隧道实现高精度贯通,准备在洞外使用GPS全球定位技术和Ⅰ等水准,而在洞内使用Ⅰ等导线环网和Ⅱ等水准建立
隧道施工控制网。

3 洞外平面控制测量
3.1 控制测量的精度
3.2 点位设置
为满足施工引测进洞需要,在隧道进出口各布设6个GPS平面控制点,如图1所示,图中J1、J2、QL02、QL03、QL04为隧道进口GPS 控制点,C1、HY、PD2、QL05、QL06、QL07为隧道出口GPS控制点。

所有控制点均用异步环相联,并组成空间三角形和空间大地四边形以加强GPS网的几何强度。

3.3 观测方法与作业要求
采用GPS静态相对定位进行测量,观测前对接收机进行全面检测,仪器精度必须达到标称精度的规定。

GPS观测选择最佳时段,长边和观测条件欠佳的点位增加观测时间。

观测要求及采用主要参数为。

(1)周边观测时段数≥2。

(2)时段长度:当1km＜S≤20km时,为1.5h～2h;当S＜1km时,为0.5h～1h。

(3)卫星高度角≥150。

(4)PDOP≤6。

(5)卫星个数≥5。

(6)采样率≥15S。

(7)每颗卫星连续跟踪时间大于15min。

3.4 数据处理
GPS观测数据采用仪器WILD200的随机软件SKI版处理,基线解算时采用下列参数:采用Hopfield作为对流层模型;采用标准模型作为电离层模;采用广播星历作为星历,采用码和相位数据;采用L1+L2频率,使用＜20km作为解模糊盾的边长限制,先验中误差控制为±10mm。

利用计算机程序软件计算GPS基线网平差、坐标转换、平面网平差等数据。

采用观测数据资料整理、平差计算均采用两组对算、复核、审核等方式来确保数据无误。

3.5 测量精度
表1列出了平差后各控制点的点位平面坐标误差。

为了进一步验证GPS测量的可靠性,采用全站仪测导线方法,检测
了出口GPS点群所组成的局部小网,两成果相比,X坐标相差为1.5mm,Y坐标相差为1.7mm,水平角相差1.53″,说明数据可靠。

4 洞内平面控制测量
4.1 施测等级的确定
依据《铁路测量技术规则》的规定,17km～20km范围的隧道,其洞内外贯通中误差总和不超过250mm,按照这一规定,洞内可以依据通视情况设点,平均边长设置为500m,洞内外贯通误差按照250mm计算,精度即可满足要求和精度指标进行施测基于二等导线的要求。

另外,项目组经过综合论证,决定洞内导线布设成导线闭合环网,并按一等导线的要求和精度指标进行施测,这一方法确保了横向贯通误差＜100mm。

4.2 控制桩点设置
如上所述,等边闭合导线环网作为洞内外平面控制导线。

设置500m作为导线平均边长,一个闭合导线由10条边组成,而设置4个闭合环在出口段。

一条导线设在离洞壁1m～2m的位置,另外一条导线沿隧道中线方向,这样的设置方法,使得沿隧道中线方向的导线可用来放样,且不会破坏导线点。

4.3 贯通误差预计
由式m2洞内＝(mβ×Ｌ/ρ)2×(n+3)/12其中mβ＝0.7″,L＝19km,ρ＝206265″,n＝38,代入上式,得m洞内＝±119mm。

根据洞外GPS控制测量成果计算得m外＝±45mm,则由:
m2总＝m2内＋m2外
将m内和m外代入上式,得
m总＝±95mm
小于横向贯通中误差值100mm的要求,并远小于《铁路测量技术规则》规定的全隧道横向贯通中误差值250mm的要求。

4.4 数据处理
(1)测站平差,在水平角每测站测完后进行。

(2)检查闭合差粗差,即计算每个闭合环的角度闭合差,检查其中是否存在粗差。

(3)通过加、乘常数改正,气象改正,投影改正,使所有测量边长值归算到隧道统一高程面(976m)。

(4)在计算机上用导线网平差程序完成计算,包括对整个闭合环网进行严密平差计算,从而可计算出每个控制点的坐标值,并进行精度评定。

计算结果表明,洞内导线的测角精度为m＝±0.63″。

5 结语
(1)从精度分析来看,可以采用GPSB级网进行隧道平面控制测量,其结果是可靠的,能达到隧道贯通的优点,节约了费用,缩短了测量周期,达到了京都要求。

(2)根据隧道贯通精度要求设计导线测量精度,同时利用等边闭合导线环网来布设隧道内控制测量网。

而且在施测时的控制精度指标不低于设计精度要求,才能达到京都贯穿。

(3)洞内高程控制测量采用的是Ⅱ等标准,结果表明能达到很高的贯通精度,以后长大隧道施工进行洞内高程控制测量可以借鉴该方法。