铁路隧道平面控制测量技术
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铁 路 航 测 2003年第4期
铁路隧道平面控制测量技术
谢先武
(中铁十一局集团五公司, 重庆400037)
摘 要 比较全面地论述了铁路隧道平面控制测量方法:从布网、选点、野外观测到内业计算,
从测量方案设计到提高精度措施提出了一整套行之有效的办法, 对各等级各类隧道工程的平面控制测量具有一定的指导和借鉴作用。
关键词 隧道 平面控制测量
The T echnology of Horizontal Control Survey in Railway T unnel
Xie Xianwu
(The 5th Corporation of the 11th Bureau of China Railway)
Abstract This paper explains the methods of horizontal control survey in railway tunnel, which includes
surve y program designing, arranging network, points selecting, field survey and office computation, and the measures of improving accuracy. To a certain extent, the paper will be as a guide and helpful to all grades of horizontal con trol survey in tunnel construction.
Keywords Tunnel; Horizontal control survey
由于隧道工程施工的特殊性, 一旦横向贯通误差超限严重, 隧道侵入建筑限界, 就迫使炸毁大段衬砌, 造成返工损失, 并延误工期, 给施工企业的信誉、形象和经济效益带来巨大的损失。因此对隧道工程进行控制测量工作是非常重要的。
道进出口、横洞、竖井等位置、隧道长度、走向、植被情况) 。
测量仪器设备情况:包括仪器精度、性能状况。
1. 2 方案确定
隧道是一个狭窄而长的建筑物, 所以隧道控制网一般呈带条状。隧道控制网分洞外和洞内两部分, 由于测距仪、全站仪的广泛普及和GPS 的推广运用, 传统的三角网已很少使用。依据部颁 新建铁路工程测量规程 标准, 隧道平面测量设计要素可按表1选用。根据表1和测量方案确定的依据, 本着精确、可靠、经济的原则, 结合笔者多年的隧道控制测量实践经验, 洞外控制测量建议采用如下方法:隧道长度1km 以下, 一般采用常规仪器中线法控制; 隧道长度1~3km, 采用常规仪器、布设闭合导线环; 隧道长度3~6km, 可采用常规仪器、布设多边形闭合导线环, 也可采用GPS 全球定位技术进行; 隧道长度6km 以上, 采用双频GPS 接收机进行, 以附合导线检核精度和可靠, 1以
1 确定测量方案
1. 1 测量方案确定的依据
国家标准 工程测量规范 GB50026-93。 部颁标准 新建铁路工程测量规范 TB10101-99、 全球定位系统(GPS) 铁路测量规程 TB10054-97。
设计院提供的有关测设资料:平面控制桩表和水准基点表。
设计图纸:设计总平面图、洞口布置图(包括隧
收稿日期:20030507
作者简介:谢先武(1968 ) , 男, 1991年毕业于西安地质学院工程测量专业, 高级工程师。
铁路隧道平面控制测量技术:谢先武
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下的短隧道可采用支导线或中线法控制, 长大直线隧道可采用多期观测整体平差方法。
表1 隧道平面测量设计要素表
测量部位测量方法测量等级
测量精度/( ) 1. 01. 82. 54. 0 1. 0
适用长度/km 8~206~84~62~46
二
曲线3. 5~20直线3. 5~7
洞
导线测量
内
四
2. 5
三
1. 8
边长相对中误差1/200001/200001/200001/200001/20000 1/100001/100001/10000
卫星直方图和精度因子图, 选择有效卫星个数多, DOP 值较小的最佳观测时段。测量模式采用静态测量方式, 卫星高度截止角>15 , 有效观测卫星数 5个, 几何精度因子PDOP 值30min, 最大为1. 5h 。
在野外观测时, 仪器、天线安置严格整平、对中, 安置中误差小于1mm, 天线高在观测前后各量测一次, 互差小于1mm, 同步观测时确保接收机的开机和关机时间的同步, 并及时填写观测手簿。
(2) 平差后处理
同步环坐标分量及全长闭合差应满足(W x , W y , W z ) 1/5 n 1/2W s =(W x +W y +W z ) 复测基线较差应满足 s 2 21/2 式中: =(a +(bs ) )
2
21/2
2
2
21/2
二
洞外
GPS 测量导线测量
三四五B C
1/5 (3n )
1/2
曲线2. 5~3. 51/10000直线2. 5~3. 51/10000曲线
1/100001/10000
;
a 为相应等级的固定误差; b 为比例误差;
s 为环中基线的平均长度; n 为闭合差基线条数。
对不符合上述限差的闭合环或基线, 根据全网的具体情况分析, 检查哪一条基线含有粗差, 应及时剔除, 必要时进行重测, 以确保成果的整体质量。
平差及精度分析
在各项质量检查符合技术要求后, 进行WGS -84坐标系中的三维无约束平差。在无约束平差中, 应对观测值先验中误差, 单位权中误差, 观测值改正数进行统计分析, 确定异常观测值, 并对其进行检查和分析, 决定弃舍。
以无约束平差确定的有效观测量为基础, 进行二维约束平差。
约束平差基线向量改正数与无约束平差的同名基线改正数的较差, 符合下式的要求
(dv x , dv y ) 2
相应等级规定的精度(按基线长度计算) 。
五4. 0
曲线
2 洞外控制测量2. 1 选点、布网
选点应实地踏勘, 详细了解隧道走向、植被情况, 了解线路定测的控制桩点, 隧道进出口、横洞、斜井等位置, 并参考线路平面图, 布网、选点一般应遵守以下要求:
控制点应尽量沿两端洞口连线方向布设。 直线隧道两端洞口的线路定测控制桩, 曲线隧道切线方向控制点应纳入控制网中。
在每个洞口应布设不少于3个控制点, 以便于在施工中检测校核, 且洞口投点尽量纳入到控制网中。
控制点应选在观测条件好、土质坚实处, 便于安置仪器和长期保存, 并避免建标, 降低成本。 导线边长应根据地形条件、隧道长度和所使用的仪器测程选择, 尽量构成长等边直伸形状, 相邻边长之比不宜超过1 3。
导线边应避开烟囱、瓦窑、温泉、强磁场等不利测距地形和减少旁折光对测角的影响; GPS 点位应避开具有强反射的地面、强反射的环境和电磁波强辐射源区域。
2. 3 洞外导线控制测量
(1) 网形布置
附合导线:采用GPS 控制的隧道一般采用附合导线以资检核。
闭合导线环:组成导线环的个数一般不少于4个, 每个导线环的边数以4~6条为宜, 控制在8条以内。边长控制为:4km 以下的隧道, 导线边长不短于3002. 2 GPS 洞外平面控制测量
(1)GPS 定位测量
根据GPS 外业观测计划, 测区的近似经纬度, 作,
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道边长不短于1000m 。
(2) 导线测量
测回数的选定
应按测量设计的精度要求结合所用仪器的等级、性能确定, 可参照表2选用。
表2 测角、量距精度、仪器等级和测回数
测量等级
仪器等级
/( )
DJ 1DJ 2
三等
1. 8
DJ 1DJ 2
四等
2. 5
DJ 1DJ 2
五等
4. 0
DJ 2
测回数6~912~1546~92~342~3
测距仪等级
每边测回数往4
返4
提高观测精度的措施
仪器和目标多次对中或采用三联脚架法测角以提高对中精度, 特别是对短边测站更有效。
为消除旁折光对测角的影响, 观测时应充分利用阴天进行, 晴天宜选择上午、下午的有利时间段进行。
采用双照准、双读数方法。(3) 内业平差计算
计算机严密平差
四等以上的导线网条件平差或间接平差采用计算机按最小二乘法进行严密平差, 在此就不赘述。
简易平差(解析法)
一般适用于四、五等导线控制网。方法是把角度闭合差条件和坐标闭合差条件看成互不关联的两部分加以处理:角度闭合差按等权分配, 坐标闭合差的分配方法有多种, 可按边数平均分配、按边长成比例分配、按坐标增量成比例分配等。当边长相差不大时, 可视为等权, 即坐标闭合差条件和角度闭合差条件法方程系数相同。须注意的是联系边的角度和坐标增量的改正计算。
(4) 洞外控制测量的贯通精度 M y = M ( Rx )
M yL = M L ( dy )
2
21/2
二等 1. 0
、 、
42424
424
野外观测
测角采用方向观测法, 其中半数测回观测左角、半数测回观测右角, 其左、右角中数和与360 较差 (即
圆周角闭合差) 不得大于表3的规定, 方向观测成果限差见表4; 距离采用对向观测, 在测线的两端点上测定温度和气压, 其测量观测限差见表5, 对实测的斜距进行加、乘常数、气温、气压和倾斜改正, 并归算到隧道平均高程面上。
表3 测站圆周角闭合差的限差
导线等级 值
二 2. 0
三 3. 5
四 5. 0
五 8. 0
( )
/ /L
21/2
21/2
M 外= (M y +M yL )
3 洞内导线测量
3. 1 洞内导线测量设计
(1) 洞内导线长度确定
隧道直线地段导线边长一般控制在500m 左右; 曲线地段导线边长按下式计算确定(单位为m )
C =(8R f ) 1/2
式中:R 为曲线半径
f =b -0. 7(b 为断面开挖宽度) (2) 洞内导线对隧道贯通误差的影响可按表6选用, 也可按下式计算求得M 洞内=(M 总2-M 外2) 1/2
表4 方向观测各项限差
仪器等级DJ1DJ2
光学测微器两次重合读数差
13
半测回归零差
68
同一方向各测回两倍视准轴差(2C ) 互差
913
( )
同一方向各测回方向值互差
610
表5 各等级距离测量观测限差
测量等级二等三等四等
测距仪等级 、 、
同测回间各次读
数互差/mm
55、105105、1020
测回间互差
/mm
77、157157、1530
对向观测较差
/mm 2(a +b D) 21/2(a +b D) 21/2(a +b D) 21/2(
a +b D)
M 洞内/mm M 总/mm
4050
6075
80100
120150
160200
200250
21/2(a +b D) 21/2(a +b D)
M 洞外/mm
1/2
表6 横向贯通精度要求
测量部位
45
相邻两开挖洞口间长度/km 8~1060
10~1390
13~17120
17~20150
五等
:)
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3. 2 多期观测整体平差方法简介
下面就长大直线隧道采用多期观测整体平差方法作一简单介绍:该方法为采用全站仪支导线延伸, 当掘进到适当距离时, 分期布设、施测各期支导线, 取两期(基本导线和主控导线) 或三期(施工导线、基本导线和主控导线) 导线公共点的加权平均值作为延伸测量导线点的起算值, 以此来指导开挖掘进。
采用多期观测值整体平差, 由于减小了洞内导线的布设、施测的工作量, 省去占用施工时间, 仅增加了内业资料整体平差计算, 方法简便, 易于掌握。它不但可以提高洞内控制测量的精度, 而且可以克服控制测量占用施工时间的矛盾。
(1) 平差原理
以三期导线为例, 设施工导线、基本导线、主控导线公共点的分期测量坐标为(X s , Y s ) 、(X j , Y j ) 、(X z , Y z ) , 观测值的权分别为P s 、P j 、P z , 则公共点的加权平均值为
X =(P S X S +P j X j +P Z X Z ) /(P S +P j +P Z )
Y =(P S Y S +P j Y j +P Z Y Z ) /(P S +P j +P Z ) 从上式可以看出, 分期观测整体平差方法在精度方面比仅用主控导线提高了(P S +P j +P Z ) /P Z 倍。
(2) 权的确定
导线测量横向误差的计算公式为m p = [(m / ) R X +(m l /L ) dy ]
2
2
2
21/2
由洞外引向洞内的测角工作, 宜在夜晚或阴天进行。
测回间仪器和觇标应严格整平对中, 以减少仪
器对中和目标偏心误差的影响。
采用双照准读数, 两次照准读数限差少于 3 。 采用钨灯(新闻灯) 照明, 以消除照准目标的相位差, 照明时半测回在觇标一侧照明, 另半测回在觇标另一侧照明。
在测量过程中应尽量减少施工干扰, 并长时间保证通风。
隧道的横向贯通误差随着测站数的增多而迅速增大, 随隧道掘进深度的增加, 尽可能将导线边拉长, 以减小方位角传递误差。
4 应用情况
神延铁路七楞山隧道全长1170m, 进出口位于半径为600m 的曲线上, 洞外布设成闭合导线环, 采用DTM 430全站仪观测4测回, 洞内采用支导线中线法。实测贯通误差为13mm 。
南昆铁路云南铝厂隧道全长2420m, 平面走向为半径400~500m 的 S 型曲线。洞内外布设闭合导线环网, 采用WI LD T2配DM503水平角观测4测回, 距离采用对向观测, 平差计算采用简易平差方法。实测贯通误差为25mm 。
渝怀铁路歌乐山隧道全长4050m, 隧道进口位于半径为3000m 、出口位于半径为800m 的曲线上, 洞身位于长大直线上(直线段长3354m) 。洞外采用GPS 静态定位技术, 布设大地四边形网, 洞口内插三角形, 并用徕卡TC702全站仪加密一条附合导线以检测GPS 测量成果的可靠性和兼作洞外高程控测所用; 洞内进口采用闭合导线环、出口采用多期观测值整体平差方法。实测贯通误差为39mm 。
赣龙铁路天心山隧道全长5490m, 除出口200m 位于半径800m 的曲线上, 其余均为直线, 隧道中部设一斜井。洞外采用GPS 静态定位技术, 布设大地四边形网, 并用徕卡TC702全站仪加密一条附合导线以检测GPS 测量成果的可靠性, 经比较两者方位相差1. 3 ; 洞内采用多期观测值整体平差方法。现隧道正在施工当中, 经各级测量单位多次检查、复核, 均满足现行测量规范精度。
对于长大直线隧道来说, 隧道专用坐标系横轴与贯通面相平行, 洞内导线沿中线布置, 即导线平行于X
轴, 则dy =0
因此:M P = m / ( R X 2) 1/2
2设水平角一测回的方差为 , 施工导线、基本导
线、主控导线角度观测的测回数分别为n s 、n j 、n z 。
根据误差传播定律有:m s 2=
222 /n j , m z = /n z
2
/n s , m j 2=
由定权公式P =C 2/m 2 则可求出该公共点分期观测的权P s 、P j 、P z 之比为:n s / R S 2:n j / R j 2:n z / R z 2
3. 3 提高观测精度的措施
为了减少洞内测角误差, 提高精度, 在实际作业中可采取以下措施:
测量过程中应遵循精密导线测量的一般原则。