基于GPS的秦岭特长隧道控制测量技术研究

1 工程简介

秦岭特长隧道全长1 8 4 5 6米, 是目前我国建成的最长隧道。该隧道采用Φ8.8 m掘进机 (T B M) 进行施工。隧道位于秦岭山脉中段, 进出口分别位于陕西省长安县和柞水县境内。隧道进口在直线地段, 出口在半径为5 0 0米, 缓和曲线长1 3 0米, 偏角为34°02′50″的曲线上。隧道进口高程8 7 1米, 出口高程1 0 2 5米, 越岭地段牛背梁的高程为2800米, 测区相对高差近2000米, 山势陡峻, 地形复杂, 森林茂密, 树木覆盖率高达9 0%以上, 通视条件极差。如果采用常规大地测量的方法建网, 测量工作量大, 周期长, 不管是平面控制网还是高程控制网, 测量精度很难达到, 因此洞外利用G P S全球定位技术和一等水准, 洞内采用一等导线环网和二等水准建立隧道施工控制网, 使秦岭特长隧道高精度贯通。

2 洞外控制测量

2.1 洞外平面控制

2.1.1 控制测量的精度

根据隧道长度和技术设计方案以及《全球定位系统 (G P S) 测量规范》, 尽可能提高G P S测量的精度, 因此洞外G P S平面控制网按B级精度施测, 即相邻点间定位精度 (标准差) 用计算, 式中a (固定误差) =5～10mm;b (比例误差) =1～2PPm;d (点间距) ≤20Km;要求使用仪器标释精度应优于10mm±2PPm。

2.1.2 点位设置

为满足施工引测进洞需要, 在隧道进出口各布设6个GPS平面控制点, 如图1所示, 图中J1、J2、QL02、QL03、QL04为隧道进口GPS控制点, C1、HY、PD2、QL05、QL06、QL07为隧道出口GPS控制点。所有控制点均用异步环相联, 并组成空间三角形和空间大地四边形以加强G P S网的几何强度。

2.1.3 观测方法与作业要求

采用G P S静态相对定位进行测量, 观测前对接收机进行全面检测, 仪器精度必须达到标称精度的规定。G P S观测选择最佳时段, 长边和观测条件欠佳的点位增加观测时间。观测要求及采用主要参数有以下几方面。

(1) 周边观测时段数≥2。

(2) 时段长度:当1Km

(3) 卫星高度角≥1 5°。

(4) PDOP≤6。

(5) 卫星个数≥5。

(6) 采样率≥15S。

(7) 每颗卫星连续跟踪时间大于1 5分钟。

2.1.4 数据处理

GPS观测数据采用仪器WILD200的随机软件S K I版处理, 基线解算时采用下列参数。

(1) 对流层模型:Hopfield。

(2) 电离层模型:标准模型。

(3) 星历:广播星历。

(4) 使用数据:码和相位。

(5) 使用频率:L1+L2。

(6) 解模糊盾的边长限制:小于2 0 k m;

(7) 先验中误差:±10mm。

G P S基线网平差、坐标转换、平面网平差利用计算机程序软件进行计算。为确保无误, 观测数据资料整理、平差计算均采用两组对算、复核、审核。

2.1.5 测量精度

表1、表2分别列出了平差后各控制点的点位平面坐标误差及坐标方位角、边长误差。

为了进一步验证G P S测量的可靠性, 采用全站仪测导线方法, 检测了出口G P S点群所组成的局部小网, 两成果相比, X坐标相差为1.5mm, Y坐标相差为1.7mm, 水平角相差1.5 3″, 说明数据可靠。

2.2 洞外高程控制测量

2.2.1 高程控制施测精度及点位的布设

由于该工程仅有一个贯通面, 对于高程贯通的精度要求很高, 因此需要一等水准进行高程控制测量, 以确保高程贯通的精度。

秦岭特长隧道一等水准路线由一条主干线和两条支线组成, 该公路的一等水准主干线起于一等点长安环1 3, 止于二等点广镇13, 全长约110km。主干线有38个测段组成, 其测段距离最长5.8km, 最短1.2km, 平均3 k m。为了联测进出口水准点群之内的高差, 由一等水准干线秦隧1和秦隧3 8分别引测进、出口两条水准支线 (如图2) , 进口支线长1 4.8 k m, 出口支线全长1 k m。

2.2.2 作业要求

(1) 在一等水准测量作业中, 采用的自动安平精密水准仪N i 0 0 2及其配套的因瓦水准标尺。为了进行观测高差的重力异常改正, 采用相对重力仪Lacoste进行重力测量。仪器使用前均进行检定、校核。

(2) 按《国家一、二等水准测量规范》进行作业。

2.2.3 数据处理

(1) 秦岭特长隧道一等水准路线水准点高程采用正常高系统, 按1 9 8 5年国家高程基准起算。

(2) 重力值的计算用WCZ-01程序在计算机上进行。对观测重力值施加固体潮校正值和零位校正值。

(3) 观测高差作水准标尺长度误差改正、正常水准面不平行的改正及重力异常改正三项改正。

(4) 路线、测段、经返测高差不符值见表3。

(5) 每公里偶然中误差的计算, 一等水准测量实测的每公里偶然中误差为M△=±=±0.36mm﹤±0.45mm, 式中R为点间距离 (K m) , △为各测段往返测高差不符值 (m m) , n为测段个数。说明施测水准成果达到一等水准测量的要求。

3.1 洞内平面控制测量

3.1.1 施测等级的确定

根据洞内通视情况, 按平均边长5 0 0 m设点。按《铁路测量技术规则》中规定17km～2 0 k m隧道洞内外贯通中误差总和2 5 0 m m计算, 按二等导线的要求和精度指标进行施测即可满足要求。为确保横向贯通中误差小于1 0 0 m m的要求, 经研究论证洞内导线布设成导线闭合环网, 并按一等导线的要求和精度指标进行施测。

3.1.2 控制桩点设置

洞内平面控制导线布设成等边闭合导线环网 (如图3) 。导线平均边长500m, 每10条边形成一个闭合导线, 出口段共设了4个闭合环。其中一条导线沿隧道中线方向向前延伸, 另一条导线设在离洞壁1 m～2 m处, 这样设置使得中间导线可用来放样, 且导线点不易破坏。

3.1.3 贯通误差预计

由式m2洞内= (mβ×L/ρ) 2 (n+3) /12

其中m=0.7″, L=19km, ρ=206265″, n=38, 代入上式, 得m洞内=±119mm。

由于洞内导线布设为等边导线闭合环网 (如图3所示) , 可按两条单导线计算贯通精度, 则根据误差传播理论双导线在贯通点的精度比单导线在贯通点的精度提高了倍, 即m内=m洞内/=±84mm。

根据洞外GPS控制测量成果计算得m外=±45mm, 则由:

m总2=m内2+m外2

将m内和m外代入上式, 得:

m总=±95mm

小于横向贯通中误差值1 0 0 m m的要求, 并远小于《铁路测量技术规则》规定的全隧道横向贯通中误差值2 5 0 m m的要求。

3.1.4 作业要求

(1) 采用仪器及检定周期。

采用G T S-7 0 0全站仪及与主机相配套的三角架、反光镜等设备。全站仪标称精度:测角1秒, 测距2+2PPM。仪器设备按国家规定由具有国家标准的检定单位进行检定, 每年进行一次。

(2) 观测方法

(1) 洞内外部联测选在阴天、气温稳定、无危害性风力的情况下, 使用GTS-700全站仪进行观测。水平角观测采用方向观测法观测两组, 每组1 8个测回;测距采用对向观测;竖直角四个测回, 测距六次。

(2) 洞内导线环网的观测在通风与照明充分、清晰度高的情况下进行。使用与洞外观测同等精度的仪器进行观测, 水平角观测采用方向观测法观测1 8个测回, 测距与洞外部分相同。

(3) 作业计划

(1) 洞内控制点按要求根据施工进度进行布设。

(2) 控制桩埋设5天以上才能进行测量, 施测时必须联测三个以上前面的控制点, 确保准确无误后方可向前进行新埋控制点的测量。

(3) 根据控制测量结果对施工中线进行调整。

3.1.5 数据处理

(1) 水平角每测站测完后进行测站平差。

(2) 每个闭合环进行角度闭合差计算, 检查是否存在粗差 (见表4) 。

(3) 对测量的边长进行加、乘常数改正, 气象改正, 投影改正, 使所有测量边长值归算到隧道统一高程面 (9 7 6 m) 。

(4) 对整个闭合环网进行严密平差计算, 整个平差计算在计算机上用导线网平差程序进行计算, 计算出每个控制点的坐标值, 并进行精度评定。计算结果, 洞内导线的测角精度为m=±0.6 3″。

3.2 洞内高程控制测量

3.2.1 施测等级

隧道贯通面上的贯通误差影响值, 由洞内、洞外两部分组成, 按铁路《铁路测量技术规则》规定, 高程贯通误差为2 5 m m, 其洞内分配值为1 7 m m。由于两开挖洞口间长度为18.5km, 19km计算, 则在洞内施测过程中, 每公里高差中数偶然中误差应满足下式:

M△=±17/=±3.90mm>3.0mm (三等水准限差)

可见, 洞内高程控制测量按三等水准要求即可满足高程贯通中误差影响值为1 7 m m的要求, 为保证高精度贯通, 洞内高程按二等水准要求施测, 即M△=±1 m m。

3.2.2 采用的仪器设备及检定周期

采用N i 0 0 5 A水准仪和铟钢水准尺, 仪器检定周期为一年。

3.2.3 作业要求

(1) 高程控制桩与中线导线桩同时埋设, 并达到规范规定。

(2) 按二等水准测量要求施测, 各项指标满足下列要求。

往返测高差不符值≤4mm (R以km计) 。

每公里高差中数的偶然中误差≤1.0mm。

视线高度 (下丝) ≥0.5 m。

基辅读数之差≤0.5 m m。

(3) 控制桩埋设至少5天才能进行测量。施测时联测三个以上前面的水准控制点, 其差值在规范规定限差以内时, 方可向前进行引测。

3.2.4 数据处理

(1) 计算两水准点间的往返高差, 并进行比较, 如超限则进行重测。

(2) 计算每公里高差中数的偶然中误差, 进行精度评定。

4 贯通测量

4.1 贯通误差的测定

4.1.1 平面贯通误差测定

在贯通面附近埋一固定桩, 由进出口各自从最近两个导线点测量该点的坐标, 所得的闭合差分别投影至贯通面及其垂直的方向上, 即得实际的横向和纵向贯通误差。由于秦岭特长隧道中线与坐标x轴重合, 则贯通点坐标差即为实际的横向和纵向贯通误差, 经测量计算其横向和纵向差值分别为1 2 m m和1 2 5 m m;置境于该固定桩点测方位角贯通误差为3.5″。

4.1.2 高程贯通误差的测定

水准路线由两端洞口各测至贯通面的固定桩上, 所测得的高程差值即为实际的高程贯通误差, 实测贯通误差为1 m m。

4.2 贯通误差的调整

4.2.1 平面贯通误差的调整

由于测得的贯通误差横向为1 2 m m, 纵向为1 2 5 m m, 在规范规定的允许限差范围之内, 故按下述方法调整贯通误差。

(1) 将实测的贯通导线方位角闭合差进行简易平差, 即将角度闭合差平均分配到整条导线的各导线角内。

(2) 按平差后的导线角, 计算全段贯通导线的各导线点坐标, 求出坐标闭合差。

(3) 根据全段贯通导线各边的边长按比例分配坐标闭合差, 得到各导线点调整后的坐标值, 并作为以后隧道施工放样的依据。

4.2.2 高程贯通误差的调整

由于实际高程贯通误差值为1 m m, 故贯通点水准点高程取进出口分别引测高程的平均值, 作为调整后的高程值, 洞内其它水准点不进行调整, 采用原值作为施工放样依据。

5 结语

(1) 从贯通误差的结果看, 采用全球定位系统B级网进行隧道平面控制测量是可行的, 也是可靠的, 是能够满足隧道贯通要求的, 并大大缩短了洞外控制测量的周期, 节省了费用。

(2) 采用等边闭合导线环网作为隧道洞内平面控制测量网是可行的, 但导线测量精度要根据隧道贯通精度要求进行设计。一般施测时的精度控制指标要高于设计精度要求, 以达到满意的贯通精度。

(3) 在隧道洞内高程控制测量中采用Ⅱ等水准进行洞内高程控制, 并取得了较高的贯通精度, 为以后长大隧道施工进行洞内高程控制测量提供了经验。

(4) 秦岭隧道洞内控制测量采用合理的平差计算方法处理观测数据, 使秦岭隧道整体贯通的结果达到:横向误差1 2 m m, 高程误差1mm, 纵向贯通误差125mm。

(5) 秦岭隧道控制测量技术已形成部级工法, 并在西安至南京铁路的东秦岭隧道、桃花铺隧道等多条长大隧道中加以运用。

(6) 今后随着国民经济的发展, 长大隧道工程将越来越多, 采用常规方法进行洞内外控制测量周期长、费时、费工, 采用G P S全球定位系统及闭合导线环网进行洞内外控制将使控制测量的周期大大缩短, 并使隧道贯通精度提高, 有效控制隧道的超欠挖, 减少了隧道衬砌的回填量, 从而大大提高经济效益。

摘要：本文介绍了秦岭特长隧道控制测量的施测等级、使用的仪器、施测方法及数据处理方法, 同时介绍了隧贯通测量的实施方法及该隧道高精度贯通结果, 此技术对长大隧道的控制测量有一定的借鉴作用。

关键词：秦岭特长隧道,控制测量,全球定位系统,贯通测量

参考文献

[1] 刘大杰, 施一民, 等.全球定位系统 (GPS) 的原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社, 1996.

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[3] 国家一、二等水准测量规范[S].中国标准出版社, 1992.

[4] 李青岳, 陈永奇.工程测量学[M].北京:测绘出版社, 1995.