隧道洞内CPII导线测量网形研究

 隧道洞内CPII导线测量网形研究

梁王彤

中铁六局集团太原铁路建设有限公司  山西省 太原市 030013

摘要：近年来随着我国经济水平的不断提高，偏远地区的铁路也得到了快速发展，与此同时一些长大干线隧道不断涌现，特别是在我国西南地区崇山峻岭、地势险要，桥隧比高达80%以上是常态。因为地形等相关因素的影响，在现阶段隧道内部设计和布置CPII平面控制网络的时候有效实施导线测量法。CPII网为线下工程施工及CPIII网提供了起闭基准，CPIII网为轨道的施工及运营提供了基础，提高CPII控制网络本身的精准度成为了关键性问题。目前，洞外CPII网的精度通过GPS静态完全可以满足精度的要求，而洞内受各种因素的影响，虽然采用了高精度全站仪，但隧洞内部所呈现出的平面控制网络，在精度方面往往不能满足限差的基本要求，测量精度无法得到切实提升。针对此类情况而言，怎样才能在最大程度上确保隧道洞内CPII测量过程中具备应有的精度，这是需要着重关注的焦点问题。本文通过对玉磨铁路和乐隧道的实践，提出了一种新的多边形导线网CPII测量，重点分析CPII控制网精度。

关键词：长大隧道   控制测量   多边形导线网   精度分析

引言

随着我国西南地区铁路的迅速发展，因受地形的影响，隧道也越来越多，隧道工程也成为了重中之重，现有条件下隧道洞内的测量依然采用传统的导线测量，由于隧道洞内测量导线的过程中，其精度对于施工质量有着决定性的影响，目前隧道洞内所采用的导线网形式有单导线网、交叉双导线网、自由设站边角交会，通过多个工程实践表明，这些布网形式在隧道洞内测量过程中虽然能够保证隧道的顺利施工，但是由于网型的几何强度不够使得测量精度较低，对长大隧道的顺利贯通有一定的影响，为了更有效提升隧洞内部的导线网精度，保证隧道施工质量，本研究着重对于多边形导线网测量技术进行有效探究，这种导线网不仅图形几何强度好，而且多余观测值多，通过工程实践表明，通过该方法也能够有效提升隧洞内部相关导线的测量准确度。

1.隧道CPII控制点的布设

隧道CPII控制点的布设分为洞外布设和洞内布设。隧洞内有效布置香槟的导线，这样可以面对隧道的贯通误差及其有效控制与从事确保整体隧道可以在开发工作面有序进行，使隧道线路可以保持在持续稳定的运行状态，同时在贯通的具体部位使隧道得到有效贯彻。隧道贯通误差的相关影响因素主要包括三个方面分别是： 洞内部的测量精度等级、洞外部的精度等级和隧道的整体长度。为了更有效的做好放样防范可能出现的误差，使贯通更加顺利进行，在具体的操作过程中要在洞的内部对于具体部位进行有效测量，通过该工作的有序推进这样可以使洞内洞外的测量精准度得到显著提升，同时要确保各项工作同步进行。

1.1隧道洞外控制点的布设

隧道洞外控制网布设时，在针对相关控制点进行布设的过程中，要确保其事业保持在足够开阔的状态，同时要确保土质足够坚实，不容易被破坏，在洞外控制点的设计过程中要尽可能设计三个，进而为测量施工提供必要的保障。通视良好，洞外控制点最好布设3个，以便施工测量检核，其中一个点最好布设在隧道轴线上，作为洞内导线的起始边，如果受隧道进出口地形条件的影响，若向洞内引入边长较小，应该有效强制设计相对应的中装置。隧道口控制点的埋设如图1.1所示：

图1.1隧道口控制点的埋设

1.2隧道正洞及斜井内控制点的布设

洞内导线测量的过程中所涉及的测量方法主要包括单导线法、自由测站边角交会法、交叉双导线法、多边形导线法。

（1）单导线网型的构成

将导线点在施工干扰程度相对来说比较小，而且更为稳固的地方进行布设，导线点布设时应与施工队伍协调便于后期使用方便，一般导线点交叉布设在隧道两侧的位置，导线点间的距离不能小于200米一对，避开用电设备及影响通视的地方，单导线布网形式灵活、简单，工作量较小，但是由于缺乏检核条件，在观测或者计算的过程当中容易发生错误，当发生错误的时候是无法进行检核的，而且在计算过程中无法进行平差改正，测量精度较低。单导线网如下图1.2所示：

图1.2单导线网型

（2）自由测站边角交会隧道洞内CPⅡ控制网构网

洞内CPⅡ测站边角交会测量宜采用图1.3所示的构网形式。 有3个测站观测值，每个洞内CPⅡ控制点的方向和观测值有4个，洞内测量网型如图1.3所示：

图 1.3  隧道洞内CPⅡ自由测站边角交会测量构网图

隧道进口和出口的部位要设置与其平面控制点联侧部位两个，联测时可采用在洞外平面控制点置镜观测的方式，其观测图形如图1.4 所示：

图1.4  自由设站边角交会洞外网型

自由设站边角交会测量在观测的过程中增加了多余观测量，而且每站都有闭合环，图形强度更加稳定，通过平差结果对比可知，比单导线测量和多导线测量的精度要高很多，其唯一的不足是每一次设站的位置并不固定，导致每次测量的网形不一致。

（3）双导线导线网的构成

双导线网的布设主要是沿隧道前进方向在同一里程两侧各布设一个控制点，测量过程中将仪器架设在一侧的GPII点上，测量另一侧不在同一里程上的两个CPII点的角度和距离，虽然双导线测量保证了网型的一致和有了多余观测值，但是没有构成闭合的多边型网，图形强度不够高，双导线网型如图1.5所示：

图1.5双导线网型

（4）多边形导线网的布设形式

和乐隧道洞内CPⅡ控制点在衬砌及电缆沟槽完工以后开始进行布设并施测，隧道洞内及斜井CPⅡ导线点按250m一对布设，点间距在小半径的单线隧道等困难地段可适当缩短，间距应尽量均匀。严禁埋设在电缆槽底或电缆槽盖板下。隧道段CPⅡ标志采用带有“+”字的不锈钢标志，采用竖埋方式，埋设完成后，仅将顶部露出。每隔250m在隧道内两侧布设一对CPⅡ点，其中一个为主导点，另一个为副导点，主导点和副导点间相隔20米的距离，每两对CPII点左右交替埋设并进行编号，编号规则为：隧道名首字母”+CPⅡ+“阿拉伯数字”（主点）和“阿拉伯数字-1”（副点），例如和乐隧道CPⅡ编号：HLCPⅡ01、HLCPⅡ01-1、HLCPⅡ02、HLCPⅡ02-1、……（从小里程往大里程方向顺序编号）,如有斜井则编号规则为：HLXJCPⅡ01、HLXJCPⅡ01-1、……（从斜井进口向内依次编号）。并将编号标注在点位旁边，隧道洞内控制点的埋设如图1.6所示：

图1.6隧道洞内控制点的埋设

2.洞内CPII控制点测量

2.1隧道洞内导线测量的实施

（1）采用TS60全站仪，并且匹配与之相对应的马达系统，通过这种方法为其提供必要的动力支持，与此同时也可以在具体操作环节自动搜索目标点、自动照准、能够将采集的数据自动计算，其标称精度为: 方向误差能够维持在0.5″范围之内，测距误差维持在0.6mm+1ppm，具体观测环节可以防范或者减少人为导致的漏洞或者误差存在。

（2）测量前进行大气压、湿度等气象元素改正，要确保温度的数值能够得到有效明确，到0.2℃，气压数值也要得到明确，到0.5 hPa，在最大程度上有效防范或者降低外力因素可能影响的测量精度等情况。

（3）在对其进行测量之前，要针对棱镜常数和具体标准有没有保持一致进行有效测量，棱镜常数是否正确，棱镜质量的测量过程中也要对于基座进行有效控制，严格整平，同时也要将全站仪严格对中整平，在观测过程中保证视线清晰，保证观测精度。

（4）将测量的数据保存在仪器中，每天测完后通过数据线将数据导入到计算机中，减少在测量过程中人为记数出现错误的可能。

2.2多边形导线法测量的具体实施

洞内CPII点采用多边形边角交会的测量方法，再对其进行观测环节，要确保全站仪，在主导点和辅导点进行有效安置，并且着重做好主导点和副导点的边长角度的测量，以此形成相对应的闭环结构。其具体操作：将测量精度为0.5"的TS60全站仪架设在控制点上对中、整平后，按照全圆观测的方法盘左、盘右观测6个测回。隧道进、出口的边角交会测量有四个方向观测值和四个距离观测值，例如：在洞口点主点HLCPII01上架设全站仪，依次观测洞外控制点洞外控制点3、HLCPII001-1、HLCPII02-1、HLCPII02、洞外控制点3的角度和距离，如图2.1所示；

图2.1 隧道进、出口测量

在隧道洞内采用边角交会测量会产生五个角度观测值和五个距离观测值，例如：在主点CPII02架设仪器，依次观测HLCPII01、HLCPII01-1、HLCPII03、HLCPII03-1、HLCPII02-1的角度和距离，如图2.2所示。

图2.2 隧道洞内测量

当隧道洞内或者斜井附近施工控制点保存完好时，隧道洞内CPⅡ多边形边角交会导线网应与其联测。对于满足洞内CPⅡ多边形导线网约束点精度要求的隧道洞内部作为施工的控制部位，使其成为约束点参与洞内CPⅡ多边形导线网约束平差。

隧道洞内CPⅡ边角交会测量水平方向观测应满足表2-1的要求。距离测量，应满足表2-2的规定。

表2-1  隧道洞内CPⅡ边角交会测量水平方向观测技术要求

表2-2洞内CPⅡ自由测站边角交会网距离观测技术要求

3.数据处理及精度分析

3.1数据处理

外业工作完成之后，要在第一时间对数据进行相对应的检查和验算，对相关指标有没有符合相关要求进行严格检测，同时要充分做好超限位置的外业测量和补充。其平差用最小二乘法，其原理如下：

对某一测量值进行n次观测，每次观测就会对应一个观测真值,其可用下面的线性函数表达式描述 ：

(3.1)

如果每次观测没有误差存在，则根据第两次测量的、便可得到的值，从而得到其观测值的线性函数关系，事实上每次测量的值中总会存在一个误差，则与可以表述为：=-，则

+=                （3.2）

= - ，（i=1,2,3.....n） （3.3）

若令

A=，B=，X=，V=

则可以（3.3）式可以改写为： 

V=A*X-B                       （3.4）

最小二乘原理就是满足：

V=（A*X-B）=min                    （3.5）

可得：          V=0                           （3.6）

将（3.6）式带入（3.4）式，消去V后可得：

AX-b=0                      （3.7）

令     =A，    W=b                      （3.8）

（3.7）式可以简写为：

X-W=0                        （3.9）

当（3.9）式中系数阵为满秩，X有唯一解，上式称为最小二乘法的法方程，根据法方程联立（3.8）式可得法方程的解为：

X=b                    （3.10）

平差后的精度指标方差为 ：=（3.11）

下面通过对和乐隧道多边形导线网所测得的数据，采用平差软件Survey Adjust V3.05进行计算，并对平差结果进行精度分析。

3.2精度分析

本文选取典型数据作出平差计算，并对其精度进行分析，隧道洞内CPⅡ控制网导线测量主要技术要求如下表2-3规定。

表 2-3  洞内 CPⅡ导线测量主要技术要求

下表是对玉磨铁路和乐隧道工程施工现场采用多边形导线网实测的一组具有代表性的数据，通过采用中铁二院研制的高速铁路通用平差软件进行严密平差得到的平差结果，如表2-4所示：

表2-4 和乐隧道多边形导线网平差结果

(1)从表2-4中可看出导线方位角闭合差、全长相对闭合差以及导线网中各四边形的角度闭合差、全长相对闭合差均满足隧道二等导线网测量的技术要求。

(2)由表2-3和表 2-4可知：全长相对闭合差及方位角闭合差均满足隧道二等导线全长相对闭合差1/100000,方位角闭合差±2.6的限差要求。

(3)根据测角中误差公式：M0 = ± ，可以计算出本次测角中误差为0.52″，小于表2-3中测角中误差1.3″的规定。

和乐隧道单导线与多边形导线测量精度成果表如表2-5和表2-6所示：

表2-5单导线测量精度成果表

表2-6多边形导线测量精度成果表

通过对表2-5和表2-6的对比分析可知，多边形导线测量成果中纵向坐标中误差MX、横向坐标中误差MY、点位中误差MP以及在误差椭圆中点位误差极大值E、点位误差极小值F都远小于单导线测量中的各项指标，充分说明了多边形导线测量的精度高于单导线测量的精度。

4.结论

(1)实施多边形导线网按边角联接法，相对于双导线测量，可以构建多边形或四边形联合作用的带状网络体系，在这样的情况下，可以有效形成相对应的网络支撑作用，形成多个闭合环，具有图形强度好的特点。

(2)采用多边形导线网相对于单导线测量，具有多余观测条件多的特点。

(3)采用多边形导线网相对于自由设站边角交会测量，在观测过程中在主点以及附点分别设置与之相对应的全站仪，然后对于边角进行相对应的测量，由于架设仪器的位置每次都是固定在控制点上，所以每次测量同一条边和同一个角位置也是固定的，如果在测量过程中出现了问题，可以将本期测量原始数据和上期测量原始数据进行对比分析，能够及时发现问题出在哪一站，而自由设站边角交会则不具备这一特点。

综上所述：用多边形导线网测量，可以呈现出十分显著的优势，其观测条件可以进一步优化，同时可以有效制作出相对应的图形，每次测量网型一致的特点，使观测精度得到进一步的提高，导线的具体精度可以确保隧道的二等导线网络测量要求得到充分的满足，精度进一步提升，通过工程实践表明，采用多边形导线网应用于长大隧道洞内CPII测量是可行的。

5.参考文献

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