郝立濤

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速鐵路建設(shè)高潮的到來(lái)，對(duì)測(cè)量的精度要求越來(lái)越高，隧道在高速鐵路干線的線路設(shè)計(jì)中占的比重越來(lái)越大，根據(jù)《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》，當(dāng)隧道洞口兩端的線路控制網(wǎng)(CPⅠ，CPⅡ)不在一個(gè)投影帶內(nèi)時(shí)，需建立獨(dú)立的隧道施工控制網(wǎng)。傳統(tǒng)做法是在隧道控測(cè)時(shí)需要人為的重新布設(shè)交切點(diǎn)(即直線控制樁)，這就引起了增加工作量及影響測(cè)量精度等很多的問(wèn)題;結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，我們探索出一種新的隧道控測(cè)的方法，不需要提前進(jìn)行直線控制樁的布設(shè)，此工作方法簡(jiǎn)化了控測(cè)的流程，減少了工作量，提高了效率并且滿足隧道施工測(cè)量需要，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 隧道控制測(cè)量現(xiàn)狀

目前，根據(jù)《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》，新建高速鐵路在設(shè)計(jì)階段不再布設(shè)直線控制樁，也就是不再進(jìn)行線路控制樁的放樣(交切測(cè)量)，但是根據(jù)規(guī)范要求，在長(zhǎng)大隧道控測(cè)時(shí)仍然需要直線控制樁對(duì)隧道線路進(jìn)行控制，這就導(dǎo)致了在長(zhǎng)大隧道施工控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)需要先進(jìn)行直線控制樁的布設(shè)。由于測(cè)區(qū)往往植被茂密，山勢(shì)陡峭，所以一般均采用RTK交切技術(shù)進(jìn)行直線控制樁的放樣布設(shè)，然后再將新布設(shè)的直線控制樁納入到新建隧道控制網(wǎng)之中，隨后計(jì)算得到獨(dú)立控制網(wǎng)下各交點(diǎn)間的距離及角度，在保證原隧道線路設(shè)計(jì)資料曲線要素中緩和曲線和半徑不變的前提下，得到新的隧道線路設(shè)計(jì)成果。

但是我們?cè)趯?shí)際的工作中發(fā)現(xiàn)此方法有以下缺點(diǎn):1)RTK進(jìn)行直線控制樁布設(shè)精度不夠。2)RTK布設(shè)直線控制樁增加了控制網(wǎng)的工作量。

2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法介紹

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法是通過(guò)在不同坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將線路控制網(wǎng)下的隧道線路起點(diǎn)、交點(diǎn)、線路終點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到獨(dú)立控制網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)下，并保持隧道線路曲線要素中的緩和曲線長(zhǎng)、曲線半徑不變，從而生成獨(dú)立坐標(biāo)系下的隧道線路資料，并以此為依據(jù)進(jìn)行施工測(cè)量。具體流程如下:

1)控制網(wǎng)的布設(shè)和觀測(cè)。首先根據(jù)《新建鐵路隧道測(cè)量規(guī)范》，在隧道進(jìn)出口、輔助坑道處布設(shè)相應(yīng)控制點(diǎn)，待控制樁沉降穩(wěn)定后采用靜態(tài)測(cè)量模式進(jìn)行觀測(cè)，并和隧道進(jìn)出口的線路控制網(wǎng)(CPⅠ)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，然后進(jìn)行無(wú)約束平差，生成WGS84橢球下的無(wú)約束空間直角坐標(biāo);采用平差軟件將得到的各點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成抵償坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)。2)生成新的隧道坐標(biāo)資料。以隧道進(jìn)出口的線路控制網(wǎng)(CPⅠ)為基準(zhǔn)，在隧道進(jìn)出口前直線邊上各選取一個(gè)整里程(或整百米)點(diǎn)，將這兩個(gè)里程點(diǎn)及中間所有的線路交點(diǎn)的線路坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到抵償坐標(biāo)系下;保持線路曲線資料中的緩和曲線長(zhǎng)和曲線半徑不變，以新的線路控制坐標(biāo)為依據(jù)，計(jì)算出新的隧道線路坐標(biāo)資料。3)獨(dú)立坐標(biāo)系的建立。在新的隧道線路長(zhǎng)洞身直線上選取兩整公里里程點(diǎn)坐標(biāo)，N方向賦值為其對(duì)應(yīng)線路里程，E方向賦值為一整數(shù)值(如50 000.000)，以此生成獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)下隧道線路資料及各控制點(diǎn)坐標(biāo)成果。

3 工程應(yīng)用實(shí)例分析

西成鐵路某長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)8 925 m，線路跨越秦嶺山脈，途經(jīng)秦嶺自然保護(hù)區(qū)，測(cè)區(qū)內(nèi)植被茂密，山高谷深，交通極為不便。由于隧道進(jìn)出口分別位于不同的投影帶，按照《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》，需要進(jìn)行隧道洞外控制測(cè)量。

3.1 選點(diǎn)埋樁

在線路控測(cè)階段，隧道進(jìn)出口分別已經(jīng)布設(shè)了兩組線路控制網(wǎng)(CPⅠ)，點(diǎn)號(hào)分別為 CPⅠ 059，CPⅠ060，CPⅠ 061，CPⅠ 062。隧道控測(cè)過(guò)程中，分別在隧道進(jìn)出口及輔助坑道處各選埋了3個(gè)～4個(gè)控制點(diǎn)，具體布設(shè)情況如圖1所示。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)觀測(cè)及處理

依據(jù)《鐵路工程衛(wèi)星定位測(cè)量規(guī)范》，高速客專隧道控制網(wǎng)按照二等精度來(lái)施測(cè)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用了13臺(tái)套標(biāo)稱精度為±(5 mm+1×10-6×D)的 Leica1230型雙頻接收機(jī)同步靜態(tài)測(cè)量模式觀測(cè)，將圖1中所有控制點(diǎn)納入到隧道洞外控制網(wǎng)中。觀測(cè)前對(duì)觀測(cè)條件困難的點(diǎn)繪制了環(huán)視圖，根據(jù)環(huán)視圖做了詳細(xì)的星歷預(yù)報(bào)，制定科學(xué)的觀測(cè)計(jì)劃，保證觀測(cè)精度達(dá)到二等要求。

數(shù)據(jù)處理階段，首先進(jìn)行同步環(huán)和重復(fù)基線的分析處理，符合精度要求以后再挑選不同時(shí)段的基線構(gòu)成獨(dú)立基線網(wǎng)，在網(wǎng)內(nèi)各質(zhì)量因子滿足要求后進(jìn)行無(wú)約束平差計(jì)算，生成WGS84橢球下的無(wú)約束平差空間直角坐標(biāo)成果，然后通過(guò)平差軟件將空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成提前設(shè)計(jì)好的抵償坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)。

3.3 線路坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換抵償坐標(biāo)系統(tǒng)

根據(jù)已知的國(guó)家2000系統(tǒng)下的隧道線路資料，能夠得到以下坐標(biāo):

隧道進(jìn)口里程為DK196+930，位于直線上，所以選取隧道進(jìn)口前就近一個(gè)整百里程DK196+900里程點(diǎn)坐標(biāo)，保證隧道與線路路基的銜接無(wú)誤;隧道出口里程為DK205+855，仍然位于曲線上，所以取該曲線緩直點(diǎn)外任一點(diǎn) DK206+200里程點(diǎn)坐標(biāo);JD26，JD27兩個(gè)曲線交點(diǎn)坐標(biāo)。

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)已經(jīng)得到了CPⅠ059，CPⅠ060，CPⅠ061，CPⅠ062四個(gè)線路控制點(diǎn)的抵償坐標(biāo)系坐標(biāo)，再利用上述四點(diǎn)的線路控制坐標(biāo)，求解七個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，得到抵償坐標(biāo)系下隧道進(jìn)出口及JD26，JD27四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

利用新得到的交點(diǎn)坐標(biāo)，保持原隧道線路曲線的緩和曲線長(zhǎng)和半徑不變，生成WGS84橢球抵償坐標(biāo)系下的隧道線路，分析后發(fā)現(xiàn)新的線路資料與國(guó)家2000系統(tǒng)下線路資料相比幾乎無(wú)變化，這是因?yàn)閃GS84橢球和國(guó)家2000橢球的長(zhǎng)半軸相同，扁率變化不大，所以在小范圍內(nèi)不同高斯平面之間轉(zhuǎn)換的差值相對(duì)很小。

由上可知此轉(zhuǎn)換所引起的長(zhǎng)度和角度變形非常小，所以在新的獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)下，隧道進(jìn)口、出口里程、輔助坑道里程、長(zhǎng)度及偏角均可保持不變。

3.4 抵償坐標(biāo)系統(tǒng)至獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換

按照《鐵路工程衛(wèi)星定位測(cè)量規(guī)范》，需要將隧道長(zhǎng)洞身的方位假定為0°00′00″，所以選取抵償坐標(biāo)系統(tǒng)下長(zhǎng)隧道洞身兩個(gè)整里程點(diǎn)DK203+000和DK201+000，N方向賦值為其對(duì)應(yīng)的線路里程，E方向賦值為50 000.000，利用這兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行抵償坐標(biāo)系統(tǒng)至獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 抵償坐標(biāo)系統(tǒng)和獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換

4 結(jié)語(yǔ)

在高速鐵路隧道控制測(cè)量過(guò)程中，不需要進(jìn)行洞口投點(diǎn)，可采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法，即減少了工作量，提高了生產(chǎn)效率，并且提高了測(cè)量的精度，保證了設(shè)計(jì)資料的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意隧道進(jìn)出口子網(wǎng)間應(yīng)該存在高等級(jí)的控制網(wǎng)點(diǎn)，以保證隧道控制網(wǎng)的整體性。

[1] TB 10601-2009，高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范[S].

[2] TB 10054-2009，鐵路工程衛(wèi)星定位測(cè)量規(guī)范[S].

[3] 陳澤遠(yuǎn).GPS交切技術(shù)在隧道地區(qū)測(cè)設(shè)中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2003(2):55-56.

[4] 金海仙.GPS在長(zhǎng)隧道的洞外測(cè)量[J].山西建筑，2008，34(7):359-360.