隧道施工控制网布设.

隧道施工控制网的布设一、隧道概述•简介隧道隧道是指修建在地层中的地下工程建筑物。它被广泛用于公路、铁路、矿山、水利、市政和国防等方面。在高等公路建设中，为了满足技术标准，克服地形和高程上的障碍，改善公路的平面线形、提高车速、减少对植被的破坏、保护生态环境，避免山区公路的各种病害(如落石、坍方、雪崩、泥石流等)，常常需修建隧道。修建隧道既能保证线路平顺，行车安全，提高舒适性和节省运费，又能增加隐蔽性，提高防护能力和不受气候影响。•隧道分类铁路隧道：500m以下为短隧道，500～3000m中隧道，3000～10000m长隧道，10000m特长隧道公路隧道：500m以下为短隧道，500～1000m为中隧道，1000～3000m为长隧道，3000m以上为特长隧道二、隧道施工控制网的布设•隧道工程施工的特点隧道工程施工，是一个复杂的系统工程，其特点是除洞口和洞门是在露天施工外，余各项工程都在地下进行施工作业。由于它空间有限，工作面狭小，光线暗，劳动条件差，施工难度较大。而长隧道的施工需要通过竖向或侧向的通道（竖井、斜井、平峒）增加工作面，加快施工进度。很多工作面同时施工时，测量人员应保证隧道最后正确贯通。•隧道施工测量的主要任务隧道施工测量的主要任务是保证对向开挖的隧道能按照规定的精度贯通并使各建筑物按照设计的位置修建放样过程中仪器所标出的方向距离都是依据控制网和图纸上设计的建筑物计算出来的，因而在施工放样之前需建立具有必要精度的施工控制网。•隧道地面控制网的布设隧道施工控制网的地面部分用以确定洞口点，竖井近井点和方向照准点之间的相对位置，作为洞内控制网的真实数据。网的图形向隧道轴线方向延伸，布网形式常采用以下几种形式：1狭长的三角网2边角混合网或环形导线网3GPS控制网等但由于当今，铁路、公路都在高速发展，而且线路长和直是其特点，因此大量建筑长隧道也在所难免，传统的隧道控制测量方法费事和速度慢，而用于需要大量进行洞口区域连测的GPS隧道测量却可以缩短工期获得很高的效益，同时能够保证隧道贯通的精度和建筑物的精度。•隧道洞内控制网的布设隧道洞内狭长形状的空间使洞内控制网的设计没有选择的余地，只能采用支导线的形式。为了进行检核,一般布设两个等级的导线。在掘进的同时首先布设施工导线,为掘进指明方向,为其他施工提供依据；当隧道掘进至1～2km时，布设边长较长的,具有较高精度的主导线，用于检核及修正施工导线。隧道在曲线部分时,可以跳站观测，构成跳点,最后在新点处交会,它不但能使测量数据有足够的可靠性,还可以提高导线的精度。例如在我国晋南的云台山隧道，全长8.1公里，施测了GPS控制网,同地面控制网的坐标比较,较差小于10mm:又如奥地利在一条6公里长的公路隧道上,为了与地面测量比较,又用了GPS重测了ROPPEN隧道网,结果与地面网比较坐标互差为16mm:此外,日本山梨大隧道35公里,英吉利海峡大隧道,也都施测了GPS控制网.因此现在一般都采用GPS控制网。GPS定位作业模式GPS定位作业模式可按照基准点的不同分为绝对定位模式和相对定位模式。绝对定位是相对于GPS坐标系统（如WGS-84系）而言的，其观测值结果为三维坐标X,Y,Z；而相对定位是测站相对于某一点的定位，其观测值结果为GPS坐标系下的基线向量（三维坐标差）；又可根据定位观测过程中天线所处状态（运动或静止）划分为动态定位或静态定位。动态定位时观测天线处于运动中，定位结果实时计算输出或显示，但定位精度较静态低；静态定位在观测过程中，GPS接收机天线位置是不动的，其观测数据离线后处理，后获取定位结果。GPS测量特点1GPS测量定位是借助后方距离空间交会原理定位。进行精密控制测量至少需要使用3台或以上GPS接收机进行同步观测4颗以上卫星，通过实时或后处理观测数据获取定位结果。2具有实时绝对定位和实时相对定位特点。用于隧道控制因为其相对精度高和可靠性高的要求，故予采用GPS静态相对定位方法实施。三、隧道GPS控制网3控制点间无需通视。可直接把隧道两洞口投点联系起来，从而大大减少地面控制点的数量。4GPS定位相对精度高，尤其采用较长长度（≥1000m）测量基线边构成的控制网。5全天候作业。自动化程度高，作业简便。速度快。6控制网的图形结果简单，相应地观测工作量较常规测量手段大为减少。7因5、6特点，可大幅度缩短测量生产工期，提高经济效益。•GPS网形分类GPS网的图形设计主要取决于用户的要求、经费、时间、人力和仪器等条件。根据用途的不同，GPS网的图形可设计为点连式，边连式、网连式和边点混连四种。1点连式点连式是指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。这种方式布点所构成的图形几何强度很弱，没有或极少有非同步图形闭合条件，一般不单独使用，多是和边连式一起使用。2边连式边连式是指同步图形之间由一条公共基线连接。这种布网方案，网的几何强度较高有较多的复测边和非同步图形闭合条件。在相同的仪器台数条件下，观测时段数将比点连式大大增加。这种布网方式在网点数较少，对于精度要求较高的情况下，如水库施工测量，高等级的城区控制网测量等，都可以采用这种布网方式。3网连式网连式是指相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连接，这种方法需要4台以上的接收机。这种布图方法的几何强度和可靠性指标相当高，但花费的经费和时间较多，一般仅用于高精度的控制测量，在一般的测量工作中不建议采用。4边点混连式边点混连是指把点连式和边连式有机的结合起来，组成GPS网，既能保证网的几何强度，提高网的可靠指标，又能减少外业工作量，降低成本，是一种较为理想的布网方法。GPS的基准设计GPS测量的直接观测量不是测点间的边长和角度，且其直接观测成果是属于WGS-84系下的，施工实用的坐标系统一般为地方坐标系的坐标值，因此，GPS网平差后需要把GPS网成果转化为地方坐标系中的坐标成果。GPS网应明确其所用位置基准（起算点坐标）、方位基准（已知边方位角）和尺度基准（已知边距离及统一的距离度量单位），且同测区实际相符。隧道控制测量坐标系统可以是国家高斯平面坐标系统（如北京54，西安80等）或任意经度的中央子午线高斯平面坐标系统，但一般仍较多采用独立坐标系统。通常规测量网一样为了施工方便，常以隧道主轴线进口至出口方向为X轴正向，隧道的某一线路中线里程为X坐标系统起算值，右旋90°确立Y坐标轴，坐标原点处。坐标值可以为正常数，也可以为0。取隧道设计路面的平均高程为坐标系统投影面。GPS控制网的精度设计隧道测量最终的要求是保证相向开挖的隧道正确贯通,因此，GPS网的设计也必须满足这一要求。坑口控制点的精度按隧道规范规定:当隧道长L≤4km,其横向贯通误差的限差应≤10cm,即中误差mσ≤±5cm;当隧道长4～8km时,其横向限差应≤15cm,mσ≤±7.5cm;当L8km时,限差还可放宽一些。显然,贯通误差是由洞外控制测量误差与洞内导线测量误差所引起。因此,其横向贯通中误差mσ的计算式为式中:为洞内导线的测量误差,为坑口控制点误差。技术参数如下表GPS控制网的精度无论GPS网取什么形状，最终都应达到隧道贯通对坑口控制点的精度要求，为此目的，可将坑口控制点的坐标精度m2，用GPS的观测精度用m0表示之：式中，m0——GPS接收机的测量误差，由仪器的性能所决定；Q——设计的GPS网的图形强度，由网的几何形状所决定，或由GPS网矢量的协方差矩阵求得。因此，m0用GPS接收机的标称精度表示，即为了实现隧道网的布设和精度设计，可以根据隧道总长度和测区地形及各坑口的初步位置，以不同边长模拟几种GPS测量网的方案，根据图形和他的GPS矢量的协方差矩阵解求Q值，并求出坑口控制点的精度，选择既满足精度又具有高效率的网作为优化方案。为保证观测值成果精度及质量可靠性，GPS工程网选点及布网需要遵循如下原则：①当利用城市已有控制点时，应检查该点的稳定性及完好性。②地面上的控制点应选在利于保存、施测方便的地方。③控制点上应视野开阔，并避开多路径效应的影响，在10～15高度角以上不能有成片的障碍物。④控制点应远离高压输电线和无线电发射装置，其间距分别不小于50ｍ和200ｍ。⑤控制点应埋设牢固并应绘制点之记。GPS控制网的布设应满足的要求①控制网由隧道各开挖口德控制点点群组成，每个开挖口至少应布测4个控制点。GPS定位点之间，一般不要求通视，但不设同一洞口控制点时，考虑到用常规测量方法检测，加密或恢复的需要，应当通视。②基线最长不宜超过30km，最短不宜短于300m。③每个控制点有3个或3个以上的边与其连接，极个别的点才允许由两个边连接。④点位上空视野开阔，保证至少能接受到4颗卫星的信号。⑤测站附近不应有对电磁波有强烈吸收或反射影响的金属及其它物体。⑥各开挖口德控制点及洞口投点高差不宜过大，尽量减小垂涎偏差的影响。⑦GPS控制网必须由非同步独立观测边构成闭合环或附合路线（按长边和短边分别连接），每个闭合环或附合路线中的边数应符合本规范表四、实例分析•简介长梁山隧道及控制网布设长梁山隧道是一长约13km的直线隧道位于山西省朔黄铁路线上，是目前我国较长的铁路隧道之一，在隧道进出口间布设有四个斜井，以提高施工进度和质量.在定测的基础上于实地标定进出口及各斜井进洞控制点位,然后布设隧道洞外控制网。GPS测量由于无需通视，因此只需布设个洞口直接服务于进洞测量的点位，每个洞口有三到四个点，形成了由23个点组成的隧道GPS网，如图GPS网中各洞口点间的相互基线均有相互独立的观测值，相邻洞口的独立基线不少于4条，进口与出口也进行了直接联测，以分析GPS在长隧道控制测量中的应用能力。观测时采用4台Leica200GPS接收机，选择良好的观测窗口，对于相邻洞口及同一洞口内的基线观测一个时段，每时段1.5小时，对于进出口见得长基线，观测两个时段，每时段2小时。GPS网选用相互独立的基线构成36个独立闭合环，由不同洞口点构成的闭合环其环的长度相对于由相同洞口点组成的环的长度要长，此类闭合环的结果统计如表7由各洞口内部点间构成的闭合环统计如表8从两类闭合环统计结果可以看出GPS网外业观测结果是可靠的。•GPS短边方位测定的精度分析进洞方位的精度直接影响到横向贯通，由于隧道进洞方位边均较短，因此对GPS短边方位测定的精度探讨是非常重要的。在长梁山隧道进行的试验中共有六个洞口，每个洞口均有3个控制点且边长均较短，一般在300~500m，在这些点上均有常规导线及GPS的观测成果，常规导线验后方向中误差为士0.8″，每个洞口短边按9个测回观测，则验后方向中误差为士1.0″，角度中误差为士1.4″，由GPS观测得到各条基线，不进行平差处理而直接由观测基线转化到高斯平面而得到由观测值算得的不同方向间的角度，各洞口导线及GPS观测的角度可算出两者之差的中误差：GPS短边方位观测的中误差为解算得到士0.68″，当然这里只计算了偶然误差的影响，方位测量的精度中有可能还会受到系统误差的影响，但可以看出GPS短边方位测量具有很高的精度，可以在隧道测量中大显身手。从长梁山铁路隧道GPS网和精密导线网的比较分析中可以看出，利用GPS布设隧道洞外平面控制网不仅能满足隧道施工的要求，与常规方法相比具有1点数少：整个导线网共有38个点,GPS网共23个点；2工期短，精度高等优点，可大大提高经济和社会效益，可以认为GPS是布设隧道洞外平面控制的理想方法；所以，可以认为GPS是布设隧道洞外平面的理想方法。