浅谈高速铁路长大隧道施工控制测量技术何虎.docx

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浅谈高速铁路长大隧道施工控制测量技术何虎

浅谈高速铁路长大隧道施工控制测量技术

南岳公路项目部：

何虎

【摘要】长大高铁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。

本文通过就长昆客专五标磨把公隧道控制测量经验，对长大隧道的洞内导线布网、埋点、施测方法等一一进行阐述。

【关键词】高铁隧道控制测量

高速铁路的速度均在250千米/时以上，对线性、地形的要求较高，因此隧道在山领地区的比例很大，且长大隧道较多。

为确保贯通精度，隧道内外施工测量控制网的建立是非常有必要的，测量控制网布设的好坏，精度的高低，直接影响到贯通精度能否满足设计要求。

对于高速铁路施工，隧道的贯通起着至关重要的作用，下面就对磨把公隧道的洞内外控制测量谈一点体会。

1、工程概况

磨把公隧道位于湖南省隆回县境内，线路于鸭田镇福合村西侧约500米处进入隧道，出口位于刘塘村东北方向。

隧道进口里程DK226+812，出口里程DK229+960，隧道全长3148m，为单洞双线隧道；隧道内最大埋深270m，最小埋深24m。

隧道进口至DK227+459.428199段位于半径为11000的左偏曲线上，DK227+459.428199~出口段位于直线上；隧道内纵坡为人字坡，进口至DK229+600段为19.95‰的上坡，DK229+600至出口段为3.6‰的下坡。

2、控制测量的基本情况

2.1工具（见表1）

表1

序号

名称

型号

备注

1

GPS接收机

2

全站仪

徕卡TCRP1201+

测角精度1″

3

水准仪

DINI03

0.3mm/km

4

温湿表

5

气压表

2.2控制测量项目（见表2）

表2

序号

监控量测项目

量测仪器

精度

备注

1

洞外独立控制网

GPS接收机

1mm

2

洞内平面控制网

全站仪

1mm

3

洞内高程控制网

水准仪

0.1mm

2.3测点埋设及要求

2.3.1洞外独立控制网，根据高速铁路测量规范，按GPS二等加密点埋设，如下图所示：

标石断面图

2.3.2洞内控制网，根据现场实际情况，将导线点埋设在仰拱填充面上，如下图所示：

洞内导线点断面图

3、洞外控制测量

3.1洞外平面控制测量

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3的要求。

表3平面控制测量设计要求

测量部位

测量方法

测量等级

适用长度（km）

洞口联系边方向中误差（″）

边长相对中误差

洞外

GPS

二

4~6

1.3

1/180000

3.1.1GPS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m线，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，磨把公隧道进出口GPS点由两个大地四边形网形构成，网形图如下图所示：

3.1.2选点和埋石

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。

在磨把公隧道左侧100米山脊处埋设一个GPSJM5009，用于往洞内投点。

再增设2个GPSJM5006、JM5007点与之通视，且距离大于500米作为方向线。

磨把公隧道出口GPS布点如下图所示：

JM5009洞内投点

方向边1

洞内投点方向

方向边2

JM5006

JM5009洞内投点

隧道控制点标心钉为金属标志制作材料，上部为不锈钢，下部采用普通钢筋焊接而成。

控制点采用现场灌注混凝土的方式埋设。

埋设深度大于1.2m。

如下图所示：

磨把公隧道共布设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点4个。

3.1.3观测数据采集

GPS控制网采用Trimble双频GPS接收机，静态作业模式作业，接收机标称精度应不低于±（5mm+1ppm×D），且检定合格。

作业前应按规范要求进行相关检测，作业过程中应保持接收设备工作状态良好。

观测前，应按设计的控制网网形、卫星可见预报表、GPS接收机数量、交通情况编制GPS观测计划；并根据确定的作业模式，配置预置作业任务参数；作业中应通过报话机和移动电话及时沟通信息。

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。

观测时，为减小对中及相位中心误差，应对GPS天线进行统一定向，第一时段指北定向，第二时段指南定向。

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要求。

表4GPS测量作业技术要求表

等级

截止高度角

有效卫星数

GDOP值

采样间隔

有效时段长度（min）

天线高丈量

天线高

较差

对中误差

二

≥15º

≥4

≤6

15秒

≥90

2次

≤2mm

≤1mm

3.1.4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Leica公司的“LeicaGeoOfficeCombined”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5要求：

表5异步环相对闭合差限差限差单位：

ppm

长边长度（km）

开挖洞口间距离（km）

1.5

2.0

2.5

3.0

4.0

5.0

6.0

4～8

7.5

6.1

5.2

4.6

3.9

3.4

3.2

（3）采用同济大学TGPPS6.02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≤3σVΔY≤3σVΔZ≤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：

dvΔx≤2

dvΔy≤2

dvΔz≤2

约束平差后平面控制网的主要技术指标应符合表6的规定。

表6二等GPS控制网测量的主要技术要求

等级

基线方位角

中误差（″）

约束点间的

边长相对中误差

约束平差后

最弱边边长相对中误差

二等

1.3

1/250000

1/180000

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。

七、3.2洞外高程控制测量

3.2.1洞外高程控制网布设

高程控制网布设应根据实地交通状况和1：

10000地形图按隧道进出口位置布设。

在布网过程中，应首先按地图交通路线进行实地踏勘，然后选择最优路线进行测量。

3.2.2选点和埋石

每个洞口设置3个洞口水准点，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。

磨把公隧道出口二等水准布置点如下图所示：

洞口二等水准点

JMB5004

洞口二等水准点

JMB5005

洞口二等水准点

JMB5006

洞口水准点标石埋设规格同平面点。

3.2.3水准观测

水准观测采用天宝Dini03电子水准仪统一按《国家一、二等水准测量规范》（GB/T12897-2006）二等标准施测。

水准仪的标称精度均为每公里高差偶然中误差±0.3mm。

采用单路线往返观测，同一条水准路线的往返观测应采用相同的人员、仪器、转点尺承，沿相同水准路线。

沿公路施测时应使用大于5公斤的铸铁尺垫，在山路地段施测应采用尺桩或突出岩石作为立尺转点；使用尺撑扶尺，水准尺气泡居中；使用干湿温度计测定气温。

水准观测要求：

视线长度≥3m、≤50m，前后视距差≤1.5m，前后视距累积差≤6.0m，视线高度≥0.55m、≤2.8m，测站限差：

两次读数差≤0.4mm，两次读数所测高差之差≤0.6mm，检测间歇点高差之差两次读数差≤1.0mm，观测时偶数站按后-前-前-后，奇数站按前-后-后-前的顺序进行，每一测段应为偶数站。

水准测量精度应满足表7规定。

表7水准测量观测的主要技术要求

每千米高差偶然中误差M△

检测已测段

高差之差

往返测

不符值

附合路线

闭合差

环闭合差

≤1.0mm

mm

mm

mm

mm

表中：

R为测段长度，L为附合线路长度，F为环线长度。

二等水准临时间歇点要求：

在间歇时要求设置2至3个间歇点并作为临时水准点处理，间歇点设置要求，第一个间歇点与第二个间歇点间距要求在400m以上，第二个和第三个间歇点间距在两站测量范围内，同时间歇点的规格要以ø30以上的螺纹钢筋，长度大于600mm，并保证不易被破坏位置；间歇后测量首先检测三个歇点间高差，在满足限差要求后方可进行余下水准路线测量，如果三个间歇点间有两个点间高差超出限差，必须进行重新测量。

3.2.4数据处理

原始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，水准网平差采用铁三院研发的TSDI_HRSADJ精密工程测量平差系统或武汉大学的“科傻地面控制网测量数据处理系统”（COSAWIN）进行严密平差，并采用清华山维数据处理系统进行数据计算对比。

每千米高差偶然中误差MΔ按下式计算：

MΔ=±

式中：

L—水准测量的路线长度（km）；

Δ—水准路线测段往返高差不符值（mm）；

n—往返测的水准路线的测段数。

水准点成果最后取位至0.1mm。

4、洞内控制测量

4.1洞内平面控制测量

4.1.1洞内观测方法

洞内平面控制测量采用莱卡1201全站仪进行观测。

观测方法为测回法，磨把公隧道洞内导线平面控制网为四等，根据项目部仪器精度情况观测4个测回即可，但是考虑到隧道观测环境较差，观测6个测回，保证隧道贯通精度满足设计要求。

导线测量满足表8规定。

表8四等导线测量主要技术要求

等级

测角中误差（″）

测距相对中误差

方位角闭合差（″）

导线全长相对闭合差

四等

2.5

1/80000

±

1/40000

4.1.2洞内导线点布设

洞内导线点从洞口GPS投点开始，按线路方向间距200米布设，在仰拱填充面左右侧各埋设一点，距电缆槽边约2米的位置。

导线点如下图所示：

洞口导线点

R00X

洞口导线点

L00X

导线点采取预埋或冲击钻钻眼埋设。

埋设高度低于仰拱填充面10cm左右，确保施工过程中不被破坏。

4.1.3观测数据采集

磨把公隧道洞内导线数据采集采用测回法观测，观测6个测回。

水平角观测宜采用方向观测法，并符合表9规定。

表9水平角方向观测法的技术要求

等级

仪器等级

半测回归零差（″）

一测回内2c

互差（″）

同一方向值各测回互差（″）

四等

1″级仪器

6

9

6

注：

当观测方向的垂直角超过±3°的范围时，该方向2C互差可按相邻测回同方向进行比较，其值应满足表中一测回内2C互差的限值。

边长测量应符合表10规定。

表10边长测量技术要求

等级

使用测距仪精度等级

每边测回数

一测回读数较差限值（mm）

测回间较差限值

（mm）

往返观测平距较差限值

往测

返测

四等

Ⅰ

2

2

2

3

2mD

注：

1、一测回是全站仪盘左、盘右各测量一次的过程

测距边的斜距应进行气象和仪器常数改正。

气压、气温读数取位应符合表11的规定。

。

表11气压、气温读数取位要求

测量等级

干湿温度表（℃）

气压表（hPa）

四等

0.5

1

4.1.4数据记录如下表所：

水平角观测手簿（测回法）

仪器:

TCRP1201点名：

R004观测者：

何虎记录者：

柴中原

日期：

2012年12月5日开始:

14时18分结束:

14时43分

测站

测回数

观测目标

水平度盘读数

2c=盘左读数-盘右（±180）

半测回方向

一测回平均方向

各测回平均方向

平距（米）

草图

盘左

盘右

°

´

"

°

´

"

″

°′″

°′″

°′″

盘左

盘右

平均

R004

第一测回

R005

0

0

0

179

59

59

1

178-16-21

178-16-21.5

178-16-20.6

214.7694

214.7694

214.7694

L003

178

16

21

358

16

21

0

178-16-22

205.1164

205.1163

205.1164

第二测回

R005

30

0

2

210

0

3

-1

178-16-20

178-16-20

214.7693

214.7692

214.7693

L003

208

16

22

28

16

23

-1

178-16-20

205.1164

205.1164

205.1164

第三测回

R005

60

0

1

240

0

3

-2

178-16-19

178-16-19

L003

238

16

20

88

16

22

-2

178-16-19

第四测回

R005

90

0

1

270

0

0

-1

178-16-20

178-16-21

L003

268

16

21

88

16

22

-1

178-16-22

第五测回

R005

120

0

0

300

0

1

-1

178-16-21

178-16-21

L003

298

16

21

118

16

22

-1

178-16-21

第六测回

R005

150

0

0

330

0

1

-1

178-16-20

178-16-21

L003

328

16

20

184

16

23

-3

178-16-22

4.1.5数据处理

观测数据经过处理计算，看有没有指标超限的，看是否要补测。

原始数据合格后，平面控制网采用手算平差，并采用清华山维数据处理系统进行数据计算对比。

现以磨把公隧道出口第五次洞内导线点加密为例。

各项指标均满足规范要求。

磨把公隧道出口洞内控制网（第五次）

点号

观测角（左角）

改正后的角度

坐标方位角

边长/m

坐标增量计算值/m

改正后坐标增量/m

坐标/m

备注

△x

△y

△x

△y

x

y

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

JM5006

3056686.3842

481587.4585

GPS点

JM5009

323°56′39.8″

323°56′40.1″

130°21′04.5″

3056318.5295

482020.4322

GPS点

274°17′44.6″

265.2041

19.8649

-264.4591

19.8653

-264.4589

R001

340°58′47.7″

340°58′48.0″

3056338.3948

481755.9733

洞导线点

75°16′32.6″

202.0208

51.3472

195.3865

51.3475

195.3866

L002

174°54′32.5″

174°54′32.8″

3056389.7423

481951.3598

导线点

70°11′05.4″

220.5800

74.7738

207.5197

74.7741

207.5198

R003

182°51′58.5″

182°51′58.8″

3056464.5164

482158.8796

导线点

73°03′04.2″

205.2849

59.8442

196.3684

59.8445

196.3685

L004

177°01′40.5″

177°01′40.8″

3056524.3609

482355.2482

导线点

70°04′45.0″

215.2273

73.3326

202.3490

73.3329

202.3491

R005

1°33′58.4″

1°33′58.7″

3056597.6938

482557.5973

导线点

251°38′43.7″

214.7686

-67.6298

-203.8425

-67.6294

-203.8424

R004

178°16′20.6″

178°16′20.8″

3056530.0644

482353.7549

导线点

249°55′04.5″

205.1186

-70.4308

-192.6477

-70.4305

-192.6476

L003

183°12′27.5″

183°12′27.7″

3056459.6339

482161.1073

导线点

253°07′32.2″

201.1208

-58.3803

-192.4612

-58.3799

-192.4611

R002

171°26′30.4″

171°26′30.6″

3056401.2540

481968.6462

导线点

244°34′02.8″

222.1056

-95.3829

-200.5816

-95.3826

-200.5815

L001

22°33′40.3″

22°33′40.5″

3056305.8714

481768.0646

导线点

87°07′43.3″

252.6847

12.6577

252.3675

12.6581

252.3676

JM5009

43°13′21.0″

43°13′21.2″

3056318.5295

482020.4322

GPS点

310°21′04.5″

568.1345

JM5006

1799°59′57.2″

0°00′02.8″

2,204.1154

-0.0035

-0.0011

0.0000

0.0000

3056686.3851

481587.4618

GPS点

说明：

磨把公隧道洞内控制网为四等导线，测角中误差：

2.5″；测距相对中误差：

1/80000；方位角闭合差：

5√n；导线全长相对闭合差：

1/40000。

∑B测=1799°59′57.2″，FB=∑B测-（n-2）*180°=2.8″＜（FB容=5√n=5*√11=16″），∑D=2204.1154，m=√（（1/N）*（FB2/n））=0.8″＜2.5″，K=√（（∑△x2+∑△y2））/∑D=1/600775＜1/40000。

计算：

何虎

复核：

朱立斌

日期：

2012.12.06

4.2洞内高程控制测量

高程控制测量按二等水准规范测定，点位与洞内平面控制网共点，观测方法、数据采集、平差与洞外高程控制网施测方法一致。

得出的高程成果再用全站仪进行复核

最终磨把公隧道的贯通误差：

平面控制网里程方向3.9cm，左右方向1.7cm；高程0.3cm。

满足规范要求（见表12）。

表12隧道贯通误差规定

项目

横向贯通误差

高程贯通误差

相向开挖隧道长度（km）

L＜4

4≤l＜7

洞外贯通中误差（mm）

30

40

18

洞内贯通中误差（mm）

40

50

17

洞内外综合贯通中误差（mm）

50

65

25

贯通限差（mm）

100

130

50

洞内贯通点-导线控制网

点号

观测角（左角）

改正后的角度

坐标方位角

边长/m

坐标增量计算值/m

改正后坐标增量/m

坐标/m

备注

△x

△y

△x

△y

x

y

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

R005

3057039.3247

483871.8383

导线点（出口方向）

R006

179°49′07.8″

179°49′06.1″

251°29′34.8″

235.0054

3056964.7292

483648.9862

导线点（出口方向）

251°18′40.9″

297.3178

-95.2681

-281.6414

-95.2446

-281.6636

贯通点

180°16′06.6″

180°16′04.9″

3056869.4846

483367.3226

贯通误差测点

251°34′45.8″

219.8939

-69.4844

-208.6271

-69.4670

-208.6435

R008

179°58′13.8″

179°58′12.1″

3056800.0176

483158.6792

导线点（进口方向）