浅谈铁路隧道施工独立控制网测量技术

摘要：简要阐述了铁路隧道施工独立控制网的建立，铁路隧道对测量的精度要求较高，隧道的贯通误差直接影响着整个工程的质量。本文通过就兰合铁路隧道控制测量实施，对长大隧道的独立控制网的布网、埋点、施测方法等一一进行阐述。

关键词：铁路隧道；控制测量；GPS测量；高程测量

中图分类号：P228 文献标识码： A

铁路是典型的线状工程，由于在坐标投影的过程中，长度发生了很大变形，采用国家坐标系很难满足高速铁路测量10mm/km的精度要求， 导致隧道相向开挖存在贯通误差，直接影响隧道的准确贯通。为了保证隧道与线路线位的一致性，保证隧道施工测量精度，就必须建立适合工程需要的独立坐标系，以满足工程的精度要求，以兰合铁路隧道独立控制网建立为例， 通过建立隧道独立施工平面坐标系、高程系的方法进行数据处理，获得隧道独立控制网平面、高程控制点的成果。通过建立隧道施工独立控制网来指导特长隧道快速、准确开挖，同时控制特长隧道贯通误差，保证隧道准确贯通，保障隧道施工建设质量。

1 工程概况

2 测量人员组织及仪器保障

2.1 测量人员

组织具有多年隧道测量经验的测量工程师负责测量工作，一般测量工作由具有测量资质的技术人员完成；建立和完善测量工作规章制度和复核流程，测量技术人员对测量资料进行整理归档。

2.2 测量仪器

根据测量要求，配置一定数量、精度高、技术性能稳定的仪器。仪器在进场前必须检定合格方可使用；在测量过程中如发现仪器出现异常情况，须经检定后可再次投入使用；测量仪器指定专人管理，定期进行检定校核。

测量仪器配置表2.1

3洞外控制网测量方案

3.1测点埋设及要求

洞外独立控制网，根据铁路测量规范，按GPS二等加密点埋设，如下图所示：

标石断面图

4洞外控制网测量

4.1洞外平面控制测量

平面控制网测量采用GPS静态测量模式，GPS接收机的标称精度指标符合±（5mm+1ppm×D）。隧道洞外GPS平面控制测量等级应符合表4.1.1的要求。

平面控制测量设计要求表4.1.1

4.1.1 GPS洞外控制网布设

洞外平面控制网原则上沿隧道进出口连线方向布设，控制线路中线左右200米范围布设，平面控制网由洞口子控制网和洞口子网间的联系网组成，同时考虑GPS观测对控制点的要求。

根据现场实际踏勘，隧道进出口GPS点由两个大地四边形网形构成，若隧道超长，中间有斜井，应在斜井口布设不少两个控制点；网形图如下图所示：

控制点考虑满足GPS观测的要求，又要考虑适合隧道控制测量对控制点的要求。应在隧道山脊处埋设一个JM005， ☻用于往洞内投点。每个加密点两两之间相互通视，且距离大于500米作为方向线。

每个隧道共布设8个GPS点，保证每个洞口有两个洞口投点，每个洞口投点有两个后视方向，联测精测网CPI和CPII点4个。

4.1.3 GPS平面控制网施测

隧道GPS平面控制网与CP✄I进行联测，采用边联结方式构网，形成由三角形或大地四边形组成的带状网，并与CPI联测构成附合网。

（2）全部仪器、光学对中基座生产作业前都必须按要求进行检校合格且应在有效检定期内才能投入使用。所有仪器在观测前统一进行设置：数据采样间隔15秒，设置高度角为15度。

（3）观测前，应做好星历预报，避开不利于观测的时间段。

（4） 观测时，天线整平对中误差不得大于1mm，每时段观测前后各量取天线高一次，两次互差小于3mm，并取其平均值作为最后结果。双时段观测时第二时段必须重新整置对中仪器，重新量取天线高度。

（5）观测过程中按规定填写观测手簿。对观测点名、仪器高、仪器号、时间、日期以及观测者均应详细记录。

观测应按设计控制网网形进行，洞口子网和联系网可统一观测，每条基线应观测2个时段，时段长度应大于90分钟。GPS观测应选择卫星数目多、卫星升降少、GDOP值较小且稳定的观测窗口施测，观测符合表4.1.3要求。

表4.1.3 GPS测量作业技术要求表

4.1.4数据处理

以同步观测区为单位进行独立基线解算和质量检核。以无约束平差确定有效观测量为基础，进行三维无约束平差和二维约束平差。

基线解算采用徕卡公司的“ Leica Geo Office Combined”软件进行解算，解算结果应满足软件规定的指标要求，基线观测值均应按规范的要求进行重复基线检核和异步环闭合差检核。

GPS外业观测后应对观测数据进行计算；检核观测成果的质量，应用基线处理软件进行基线解算，基线向量的质量应满足下列规定。

（1）由独立基线构成的异步环各坐标分量及全长闭合差应满足以下各式的要求：

式中： 、 、――坐标分量闭合差；

――环的全长闭合差； n――闭合环的边数；

――标准差，=，其中取5mm，取1ppm，d按环平均边长计算。

当闭合环中长、短边的长度相差较大时，宜按边长和等级规定的精度计算每条边的，并按误差传播定律计算环闭合差的限差。

（2）重复观测的基线较差（）应满足下式要求：

式中：――标准差，d按基线长度计算。

根据隧道洞ญ口子网和子网间联系网的不同特点，洞口子网基线构成的异步环三维闭合差限差应小于20mm；子网间的联系网基线构成的异步环相对闭合差应符合表4.1.4要求：

表4.1.4异步环相对闭合差限差 限差单位：ppm

（3）采用武汉大学科傻CosaGPS V5.21软件进行平差计算。

无约束平差中基线向量各分量的改正数绝对值应满足下面要求；

VΔX≤3σ VΔY≤3σ VΔZ≤3σ

整网约束平差基线向量改正数与无约束平差的同名基线向量改正数较差应符合下列规定：

d vΔx≤2

d vΔy≤2

d✔ vΔz≤2

约束平差后平面控制网的主要技术指标应符合表4.1.6的规定。

表4.1.6 二等GPS控制网测量的主要技术要求

注：当基线长度短于500m时，边长中误差应小于5mm。

根据约束平差后的控制点成果估计洞外控制测量和洞内导线测量对各开挖洞口间横向贯通误差的影响值进行估算，分别分析精测网施工坐标系和隧道工程独立坐标系成果对隧道贯通误差的影响，以决定最终成果的使用，并根据客观情况对洞内测量要求提出建议。

4.2 洞外高程控制测量

4.2.1洞外高程控制网布设

4.2.2选点和埋石

每个洞口设置3个水准点，选择在洞口附近土质坚实、通视良好、施测便利、高程适宜和便于保存之处；三个洞口水准点中的两个设置在洞口附近，两点之间距离按安置一次仪器能进行观测为原则，另一个设置在更为安全的区域，便于复核联测，联测隧道范围内所有的二等水准控制点。洞口水准点标石埋设规格同平面点相同。

4.2.3水准测量观测

4.2.3.1 仪器的选用

4.2.3.2 观测技术要求

1、 基本要求

（1）水准测量采用往返观测，同一路线的往返测，采用同一类型的仪器和尺垫，沿同一道路进行。

（2）同一测段往返观测应分别在上午和下午进行，在日间气温变化不大的阴天和观测条件较好时，若干里程的往返测可同在上午或下午进行，但这种里程的总站数不应超过该区段总站数的30%。

（3）水准测量应在标尺分划线成像清晰而稳定时进行，在日出后与日落前30分钟内、标尺分划线的影像跳动而难于照准时、气温突变时等不应进行观测。

（4）每一测段的往测与返测，其测站数均应为偶数。由往测转向返测时，两支标尺须互换位置，并应重新整置仪器；

（5）在连续各测站上安置水准仪的三脚架时，应使其中两脚与水准路线的方向平行，而第三脚轮换置于路线方向的左侧与右侧；

（6）观测间歇时，最好在水准点上结束。否则应设置2个固定点，作为间歇点。间歇后，应对间歇点进行检测，符合限差要求即可由此起测。

2、 观测方法

观测时往返奇数站按后-前-前-后，偶数站按前-后-后-前的顺序进行，每一测段结束应为偶数站。

3、观测限差

水准观测的主要技术要求 表4.2.1

水准测量观测的主要技术要求 表4.2.2

表中：R为测段长度，L为附合线路长度，F为环线长度。

4.2.4外业数据整理与成果计算

4.2.4.1 外业记录整理

a.外业计算取位按下列要求执行：

外业计算取位表

b. 外业记录原始数据及时存档并用外接存贮设备进行备份。

c. 外业记录数据要及时处理，并对观测数据进行检查确认。

d. 每测段水准测量结束，应进行往返测高差不符值计算，往返测高差较差应≤4（K为测段长度，以公里计）。以往返测高差平均值作为高差观测成果。

4.2.4.2 外业记录整理

水准数据处理采用电子水准仪自带软件将原始数据处理为高差距离文件，水准网平差采用武汉大学的“科傻地面控制网测量数据处理系统”（COSAWIN）进行严密平差。

a.外业手簿的计算；

b.外业高差和概略高程表的编算；

c.每公里水准测⌚量偶然中误差M△的计算：

水准测量结束后，用各段高差往返测较差计算出每公里水准测量高差中数的偶然中误差M△，M△的值应小于±1mm，M△按下式计算：

Δ―― 测段往返测高差较差，mm

R ―― 测段长度，km

5 上交资料

（1） GPS控制网原始观测数据及工程项目；

（2） 水准观测原始数据和水准成果计算表；

（3） GPS 控制点、高程控制点的成果表

（4）控埋点提交点之记和环境照片。

（5） GPS控制网独立环、重复基线检验报告以及控制网平差报告；

（6） 高程控制网平差报告；

（7） 项目技术总结；

（8） 仪器鉴定证书及测绘单位资质证书；

（9） 上述文件内容的磁盘文件。