母清中

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司工程測(cè)量試驗(yàn)分公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和鐵路建設(shè)的大規(guī)模推進(jìn)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)很多長(zhǎng)度超過(guò)20 km的特長(zhǎng)隧道，例如已完工的石太客專太行山隧道（全長(zhǎng)27.839 km）、蘭渝鐵路西秦嶺隧道（全長(zhǎng)28.236 km）等。鐵路隧道因行車(chē)界限和貫通誤差要求，測(cè)量精度和施工質(zhì)量要求都非常高，而特長(zhǎng)鐵路隧道長(zhǎng)度大，穿越地質(zhì)情況復(fù)雜，受環(huán)境和施工條件影響，測(cè)量精度在很多情況下難以控制，特長(zhǎng)隧道的控制測(cè)量面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。該文以長(zhǎng)度28.4 km的平安隧道為例，對(duì)特長(zhǎng)隧道獨(dú)立控制網(wǎng)的建立及貫通誤差的估算方法進(jìn)行了討論，對(duì)如何提高特長(zhǎng)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(guān)鄉(xiāng)境內(nèi)，隧道全長(zhǎng)28.4 km。整個(gè)隧道跨越3個(gè)投影帶，設(shè)計(jì)院既有平面控制點(diǎn)6個(gè)，分別在隧道進(jìn)口和出口各設(shè)置了2個(gè)CPI控制點(diǎn)，與相鄰標(biāo)段銜接段處設(shè)置1個(gè)CP0和1個(gè)CPI。

2 獨(dú)立控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)

平安隧道平面坐標(biāo)系采用WGS-84參考橢球，（長(zhǎng)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(biāo)系采用高斯投影，第九坐標(biāo)系，中央子午線104°，投影面大地高H1。

2.2 控制網(wǎng)精度等級(jí)

隧道平面控制測(cè)量按照《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》（TB 10601-2009）一等GPS網(wǎng)精度建網(wǎng)。平面控制網(wǎng)主要技術(shù)指標(biāo)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(diǎn)間的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差小于1/500000，約束平差后最弱邊邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差小于1/250000。外業(yè)測(cè)量技術(shù)要求采用雙頻GPS接收機(jī)，衛(wèi)星截止高度角≥15°，同時(shí)觀測(cè)有效衛(wèi)星數(shù)≥4顆，觀測(cè)有效時(shí)段長(zhǎng)度≥120 min，觀測(cè)時(shí)段數(shù)≥2個(gè)時(shí)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(wǎng)網(wǎng)形

洞外平面控制網(wǎng)沿隧道進(jìn)出口連線方向布設(shè)成大地四邊形，構(gòu)成必要的檢核條件，GPS控制網(wǎng)是由洞口子網(wǎng)和子網(wǎng)之間的聯(lián)系主網(wǎng)構(gòu)成的，以點(diǎn)對(duì)作為聯(lián)結(jié)邊，采用邊聯(lián)式構(gòu)網(wǎng)。隧道進(jìn)出口及斜井原線路平面控制網(wǎng)的CPI點(diǎn)納入獨(dú)立控制網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，每個(gè)施工區(qū)布設(shè)3～4個(gè)平面控制點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 平安隧道GPS網(wǎng)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(nèi)軌面設(shè)計(jì)標(biāo)高，結(jié)合平安隧道所對(duì)應(yīng)的投影帶，平安隧道獨(dú)立施工控制網(wǎng)采用H1為投影基準(zhǔn)面，以104°為中央子午線，即與第九坐標(biāo)系相關(guān)投影參數(shù)一致，以隧道進(jìn)口和出口線路坐標(biāo)系控制點(diǎn)CPI106-1和CPI117為坐標(biāo)約束點(diǎn)，建立平安隧道獨(dú)立控制網(wǎng)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

先將GPS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的Rinex格式，然后再采用LGO 7.0軟件統(tǒng)一進(jìn)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(jì)算。GPS網(wǎng)平差計(jì)算采用某鐵路工程精密控制測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

2.5.1 基線解算

平安隧道獨(dú)立控制網(wǎng)基線解算采用廣播星歷按靜態(tài)相對(duì)定位模式進(jìn)行，使用軟件為L(zhǎng)GO7.0和鐵四院GPS軟件進(jìn)行基線解算，并進(jìn)行基線數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析和檢核統(tǒng)計(jì)。同一時(shí)段觀測(cè)值的數(shù)據(jù)剔除率小于6%，解算完成后導(dǎo)出合格的asc基線向量文件[2]。

2.5.2 三維無(wú)約束平差

GPS網(wǎng)平差時(shí)將asc基線向量文件導(dǎo)入后處理軟件，以CP0-03的空間直角坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù)，檢查所有獨(dú)立環(huán)閉合差和重復(fù)基線較差確保其符合規(guī)范要求，對(duì)獨(dú)立控制網(wǎng)進(jìn)行三維無(wú)約束平差，確保所有基線分量的改正數(shù)絕對(duì)值符合規(guī)范要求。

2.5.3 二維約束平差

考慮坐標(biāo)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(jìn)行兩化改正）等因素，從隧道洞外控制網(wǎng)與線路控制網(wǎng)的聯(lián)結(jié)角度出發(fā)，宜采用線路控制網(wǎng)的“第九坐標(biāo)系”作為平安隧道獨(dú)立施工控制網(wǎng)平面坐標(biāo)系。以CPI106-1、CPI117第九坐標(biāo)系中的平面成果為約束點(diǎn)，對(duì)平安隧道進(jìn)行二維約束平差，約束平差后m0=1.373，最弱點(diǎn)為CPI114的點(diǎn)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(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/267 572。滿足規(guī)范中約束平差后最弱邊相對(duì)精度1/250 000和基線邊方方向≤0.9″的要求。

2.6 全站儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與控制網(wǎng)成果比較

為了檢驗(yàn)獨(dú)立控制網(wǎng)的可靠性，在平安隧道斜井子網(wǎng)中檢查角度和距離，并進(jìn)行了比較和分析，水平角觀測(cè)4個(gè)測(cè)回，距離往返觀測(cè)各2個(gè)測(cè)回，觀測(cè)成果見(jiàn)表1。為驗(yàn)證獨(dú)立控制網(wǎng)精度，采用高精度全站儀對(duì)洞外GPS反算邊長(zhǎng)進(jìn)行比對(duì)、檢核，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 全站儀實(shí)測(cè)角度與GPS反算角度比較表

表2 全站儀實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)與GPS反算邊長(zhǎng)比較表

全站儀實(shí)測(cè)角度值與GPS成果計(jì)算值比較：最大較差1.58＂，全站儀實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)與GPS成果反算邊長(zhǎng)比較：最大較差為-5 mm。全站儀檢測(cè)角度值與GPS數(shù)據(jù)吻合度好，該獨(dú)立控制網(wǎng)精度滿足要求[2]。

3 隧道貫通誤差預(yù)計(jì)

隧道貫通誤差包括橫向、縱向和高程貫通誤差?？v向貫通誤差僅對(duì)隧道里程方向產(chǎn)生影響，規(guī)范中并沒(méi)有單獨(dú)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(zhǔn)儀按照國(guó)家二等水準(zhǔn)要求測(cè)定，精度較容易控制。橫向貫通誤差至關(guān)重要，對(duì)隧道質(zhì)量有直接影響，需要重點(diǎn)控制，如果橫向貫通誤差過(guò)大，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的質(zhì)量安全事故，還將因?yàn)榉倒ぴ斐晒て跍?，增加施工成本給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也將嚴(yán)重影響企業(yè)形象和信譽(yù)評(píng)價(jià)。

3.1 隧道貫通誤差依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

一般取2倍中誤差作為各項(xiàng)貫通誤差的限差，平安隧道貫通誤差限差見(jiàn)表3。

表3 隧道貫通誤差規(guī)定

3.2 隧道橫向貫通測(cè)量中誤差估算

洞外GPS控制測(cè)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(cè)量前，估算測(cè)量設(shè)計(jì)的驗(yàn)前橫向貫通中誤差，如公式（1）所示。

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

控制測(cè)量后，估算控制測(cè)量的驗(yàn)后橫向貫通中誤差，如公式（2）所示。

式中：M為驗(yàn)后橫向貫通中誤差；σΔx、σΔy、σΔxΔy為由進(jìn)、出口推算至貫通點(diǎn)的x、y坐標(biāo)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(jì)算

平安隧道由2個(gè)標(biāo)段共同完成施工任務(wù)，其中9標(biāo)段內(nèi)左線長(zhǎng)19.1 km、右線長(zhǎng)19.2 km。根據(jù)相鄰開(kāi)挖洞口子網(wǎng)中進(jìn)洞定向邊和相對(duì)應(yīng)貫通面位置，洞外定向邊和洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量對(duì)橫向貫通誤差的影響值，見(jiàn)表4。從以表4中可以看出洞外GPS控制測(cè)量對(duì)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(nèi)導(dǎo)線的邊長(zhǎng)應(yīng)考慮隧道的長(zhǎng)度并根據(jù)實(shí)際通視情況來(lái)綜合衡量，宜大于300 m，應(yīng)在視線良好、施工干擾小、無(wú)遮擋、穩(wěn)定可靠的地方布設(shè)導(dǎo)線點(diǎn)，遇到空壓機(jī)等大型設(shè)備時(shí)須關(guān)閉并等待區(qū)段內(nèi)溫度均衡后方可進(jìn)行控制測(cè)量工作，進(jìn)洞觀測(cè)宜在陰天或晚上進(jìn)行施測(cè)，須關(guān)閉風(fēng)機(jī)等設(shè)備。洞內(nèi)導(dǎo)線按照隧道二等進(jìn)行施測(cè)，貫通誤差預(yù)計(jì)見(jiàn)表5。從表5中可以看出，獨(dú)立控制網(wǎng)平面控制點(diǎn)精度均能滿足貫通要求。

表4 洞外控制測(cè)量對(duì)隧道橫向貫通誤差影響值表

表5 洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)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(yù)計(jì)

高程貫通誤差預(yù)計(jì)按公式（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中：mΔ為洞外每公里水準(zhǔn)測(cè)量高差中數(shù)的偶然中誤差，mm；L為洞外水準(zhǔn)線路長(zhǎng)度，km[3]。

采用公式（3）對(duì)平安隧道進(jìn)行高程貫通誤差分析，結(jié)果見(jiàn)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(yù)計(jì)

4 提高特長(zhǎng)隧道貫通精度的措施

由于特長(zhǎng)隧道多位于地質(zhì)情況復(fù)雜的山區(qū)，為保證隧道的控制測(cè)量質(zhì)量和貫通精度，須采用以下措施。1）定期檢校儀器，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求施測(cè)。2）考慮到長(zhǎng)大隧道線路一致性和銜接段能有效貫通，特長(zhǎng)隧道獨(dú)立控制網(wǎng)銜接段控制點(diǎn)成果須與相鄰標(biāo)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(diǎn)坐標(biāo)時(shí)應(yīng)先查看坐標(biāo)所處的投影帶，首先應(yīng)明確投影帶與平面曲線要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)應(yīng)檢查相鄰點(diǎn)間的邊角關(guān)系，確定正確后方可進(jìn)行施工放樣。4）洞內(nèi)導(dǎo)線應(yīng)從洞外聯(lián)系邊引入，進(jìn)洞導(dǎo)線點(diǎn)的后視方向不得少于2個(gè)。對(duì)于導(dǎo)線環(huán)或交叉導(dǎo)線，宜采用雙線路向洞內(nèi)引測(cè)。5）洞外聯(lián)系邊引入前，應(yīng)用全站儀同精度檢測(cè)洞口子網(wǎng)控制點(diǎn)間的角度和邊長(zhǎng)。全站儀檢測(cè)GPS控制網(wǎng)的角度和邊長(zhǎng)較差須符合規(guī)范要求。6）導(dǎo)線要盡量布設(shè)成似等邊直伸型，洞內(nèi)導(dǎo)線應(yīng)采用閉合環(huán)，每個(gè)導(dǎo)線環(huán)一般不大于6條邊[4]。特長(zhǎng)隧道宜按交叉雙導(dǎo)線環(huán)布置閉合環(huán)，交叉雙導(dǎo)線的點(diǎn)位宜前、后錯(cuò)位布設(shè)。7）洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)的埋設(shè)應(yīng)選擇在施工干擾小、視線好、利于設(shè)站及穩(wěn)定可靠的地方。8）平行雙洞隧道宜在2個(gè)隧道間橫通道處布設(shè)導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，構(gòu)成導(dǎo)線網(wǎng)。9）隧道獨(dú)頭掘進(jìn)每掘進(jìn)5 km左右宜采用不低于5″級(jí)的高精度陀螺儀加測(cè)定向邊，以確保有效貫通，當(dāng)陀螺邊方位角與洞內(nèi)導(dǎo)線邊坐標(biāo)方位角較差大于15″時(shí)，應(yīng)進(jìn)行綜合分析檢查。10）所有控制點(diǎn)應(yīng)妥善保管，如果破壞應(yīng)以同精度恢復(fù)。

5 結(jié)論

隧道控制測(cè)量是隧道工程質(zhì)量控制過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，平安隧道采用的是獨(dú)立控制網(wǎng)設(shè)計(jì)、測(cè)量、數(shù)據(jù)處理方法，能夠有效地保證控制網(wǎng)的精度和可靠性。通過(guò)對(duì)貫通誤差預(yù)計(jì)分析，說(shuō)明建立的獨(dú)立控制網(wǎng)可行，能達(dá)到預(yù)期的貫通精度。

通過(guò)對(duì)特長(zhǎng)大隧道建立獨(dú)立控制網(wǎng)并進(jìn)行貫通誤差分析。對(duì)隧道控制測(cè)量及施工測(cè)量技術(shù)進(jìn)行的改進(jìn)與優(yōu)化，能夠有效提高特長(zhǎng)隧道測(cè)量精度，減小特長(zhǎng)隧道貫通誤差。隨著測(cè)量精度的提高，避免了因貫通誤差較大造成的質(zhì)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(cè)量誤差造成的后續(xù)返工處理，進(jìn)而降低施工成本，提升了經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)隨著用料的量化控制，產(chǎn)生了良好的環(huán)保和社會(huì)效益。