隧道施工控制網(wǎng)布設(shè)

1、隧道施工控制網(wǎng)的布設(shè)隧道施工控制網(wǎng)的布設(shè)一、隧道概述簡介隧道簡介隧道 隧道是指修建在地層中的地下工程建筑物。它被廣泛用于公路、鐵路、礦山、水利、市政和國防等方面。在高等公路建設(shè)中，為了滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，克服地形和高程上的障礙，改善公路的平面線形、提高車速、減少對植被的破壞、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，避免山區(qū)公路的各種病害(如落石、坍方、雪崩、泥石流等)，常常需修建隧道。修建隧道既能保證線路平順，行車安全，提高舒適性和節(jié)省運(yùn)費(fèi)，又能增加隱蔽性，提高防護(hù)能力和不受氣候影響。隧道分類隧道分類鐵路隧道：500m以下為短隧道，5003000m中隧道，300010000m長隧道，10000m 特長隧道公路隧道：500m以

2、下為短隧道，5001000m為中隧道，10003000m為長隧道，3000m以上為特長隧道二、隧道施工控制網(wǎng)的布設(shè) 隧道工程施工的特點(diǎn) 隧道工程施工，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其特點(diǎn)是除洞口和洞門是在露天施工外，余各項(xiàng)工程都在地下進(jìn)行施工作業(yè)。由于它空間有限，工作面狹小，光線暗，勞動(dòng)條件差，施工難度較大。而長隧道的施工需要通過豎向或側(cè)向的通道（豎井、斜井、平峒）增加工作面，加快施工進(jìn)度。很多工作面同時(shí)施工時(shí)，測量人員應(yīng)保證隧道最后正確貫通。 隧道施工測量的主要任務(wù) 隧道施工測量的主要任務(wù)是保證對向開挖的隧道能按照規(guī)定的精度貫通并使各建筑物按照設(shè)計(jì)的位置修建放樣過程中儀器所標(biāo)出的方向距離都是依據(jù)控制

3、網(wǎng)和圖紙上設(shè)計(jì)的建筑物計(jì)算出來的，因而在施工放樣之前需建立具有必要精度的施工控制網(wǎng)。 隧道地面控制網(wǎng)的布設(shè) 隧道施工控制網(wǎng)的地面部分用以確定洞口點(diǎn)，豎井近井點(diǎn)和方向照準(zhǔn)點(diǎn)之間的相對位置，作為洞內(nèi)控制網(wǎng)的真實(shí)數(shù)據(jù)。網(wǎng)的圖形向隧道軸線方向延伸，布網(wǎng)形式常采用以下幾種形式：1 狹長的三角網(wǎng)2 邊角混合網(wǎng)或環(huán)形導(dǎo)線網(wǎng)3GPS控制網(wǎng)等 但由于當(dāng)今，鐵路、公路都在高速發(fā)展，而且線路長和直是其特點(diǎn)，因此大量建筑長隧道也在所難免，傳統(tǒng)的隧道控制測量方法費(fèi)事和速度慢，而用于需要大量進(jìn)行洞口區(qū)域連測的GPS隧道測量卻可以縮短工期獲得很高的效益，同時(shí)能夠保證隧道貫通的精度和建筑物的精度。 隧道洞內(nèi)控制網(wǎng)的布設(shè) 隧道

4、洞內(nèi)狹長形狀的空間使洞內(nèi)控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)沒有選擇的余地，只能采用支導(dǎo)線的形式。為了進(jìn)行檢核,一般布設(shè)兩個(gè)等級的導(dǎo)線。在掘進(jìn)的同時(shí)首先布設(shè)施工導(dǎo)線,為掘進(jìn)指明方向,為其他施工提供依據(jù)；當(dāng)隧道掘進(jìn)至12km時(shí)，布設(shè)邊長較長的,具有較高精度的主導(dǎo)線，用于檢核及修正施工導(dǎo)線。隧道在曲線部分時(shí),可以跳站觀測，構(gòu)成跳點(diǎn),最后在新點(diǎn)處交會(huì),它不但能使測量數(shù)據(jù)有足夠的可靠性,還可以提高導(dǎo)線的精度。例如在我國晉南的云臺山隧道，全長8.1公里，施測了GPS控制網(wǎng),同地面控制網(wǎng)的坐標(biāo)比較,較差小于10mm:又如奧地利在一條6公里長的公路隧道上,為了與地面測量比較,又用了GPS重測了ROPPEN隧道網(wǎng),結(jié)果與地面網(wǎng)比較坐

5、標(biāo)互差為16mm:此外,日本山梨大隧道35公里,英吉利海峽大隧道,也都施測了GPS控制網(wǎng).因此現(xiàn)在一般都采用GPS控制網(wǎng)。GPS定位作業(yè)模式 GPS定位作業(yè)模式可按照基準(zhǔn)點(diǎn)的不同分為絕對定位模式和相對定位模式。絕對定位是相對于GPS坐標(biāo)系統(tǒng)（如WGS-84系）而言的，其觀測值結(jié)果為三維坐標(biāo)X,Y,Z；而相對定位是測站相對于某一點(diǎn)的定位，其觀測值結(jié)果為GPS坐標(biāo)系下的基線向量（三維坐標(biāo)差）；又可根據(jù)定位觀測過程中天線所處狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)或靜止）劃分為動(dòng)態(tài)定位或靜態(tài)定位。動(dòng)態(tài)定位時(shí)觀測天線處于運(yùn)動(dòng)中，定位結(jié)果實(shí)時(shí)計(jì)算輸出或顯示，但定位精度較靜態(tài)低；靜態(tài)定位在觀測過程中，GPS接收機(jī)天線位置是不動(dòng)的，其觀

6、測數(shù)據(jù)離線后處理，后獲取定位結(jié)果。GPS測量特點(diǎn) 1 GPS測量定位是借助后方距離空間交會(huì)原理定位。進(jìn)行精密控制測量至少需要使用3臺或以上GPS接收機(jī)進(jìn)行同步觀測4顆以上衛(wèi)星，通過實(shí)時(shí)或后處理觀測數(shù)據(jù)獲取定位結(jié)果。 2 具有實(shí)時(shí)絕對定位和實(shí)時(shí)相對定位特點(diǎn)。用于隧道控制因?yàn)槠湎鄬雀吆涂煽啃愿叩囊?，故予采用GPS靜態(tài)相對定位方法實(shí)施。三、隧道GPS控制網(wǎng)3 控制點(diǎn)間無需通視?？芍苯影阉淼纼啥纯谕饵c(diǎn)聯(lián)系起來，從而大大減少地面控制點(diǎn)的數(shù)量。4 GPS定位相對精度高，尤其采用較長長度（1000m）測量基線邊構(gòu)成的控制網(wǎng)。5 全天候作業(yè)。自動(dòng)化程度高，作業(yè)簡便。速度快。6 控制網(wǎng)的圖形結(jié)果簡單，相應(yīng)

7、地觀測工作量較常規(guī)測量手段大為減少。7 因5、6特點(diǎn)，可大幅度縮短測量生產(chǎn)工期，提高經(jīng)濟(jì)效益。 GPS網(wǎng)形分類GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)主要取決于用戶的要求、經(jīng)費(fèi)、時(shí)間、人力和儀器等條件。根據(jù)用途的不同，GPS網(wǎng)的圖形可設(shè)計(jì)為點(diǎn)連式，邊連式、網(wǎng)連式和邊點(diǎn)混連四種。1點(diǎn)連式 點(diǎn)連式是指相鄰?fù)綀D形之間僅有一個(gè)公共點(diǎn)的連接。這種方式布點(diǎn)所構(gòu)成的圖形幾何強(qiáng)度很弱，沒有或極少有非同步圖形閉合條件，一般不單獨(dú)使用，多是和邊連式一起使用。2邊連式邊連式是指同步圖形之間由一條公共基線連接。這種布網(wǎng)方案，網(wǎng)的幾何強(qiáng)度較高有較多的復(fù)測邊和非同步圖形閉合條件。在相同的儀器臺數(shù)條件下，觀測時(shí)段數(shù)將比點(diǎn)連式大大增加。這種布網(wǎng)

8、方式在網(wǎng)點(diǎn)數(shù)較少，對于精度要求較高的情況下，如水庫施工測量，高等級的城區(qū)控制網(wǎng)測量等，都可以采用這種布網(wǎng)方式。3網(wǎng)連式網(wǎng)連式是指相鄰?fù)綀D形之間有兩個(gè)以上的公共點(diǎn)相連接，這種方法需要4臺以上的接收機(jī)。這種布圖方法的幾何強(qiáng)度和可靠性指標(biāo)相當(dāng)高，但花費(fèi)的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間較多，一般僅用于高精度的控制測量，在一般的測量工作中不建議采用。4邊點(diǎn)混連式邊點(diǎn)混連是指把點(diǎn)連式和邊連式有機(jī)的結(jié)合起來，組成GPS網(wǎng)，既能保證網(wǎng)的幾何強(qiáng)度，提高網(wǎng)的可靠指標(biāo)，又能減少外業(yè)工作量，降低成本，是一種較為理想的布網(wǎng)方法。GPS的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)GPS測量的直接觀測量不是測點(diǎn)間的邊長和角度，且其直接觀測成果是屬于WGS-84系下的，施工實(shí)

9、用的坐標(biāo)系統(tǒng)一般為地方坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，因此，GPS網(wǎng)平差后需要把GPS網(wǎng)成果轉(zhuǎn)化為地方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)成果。GPS網(wǎng)應(yīng)明確其所用位置基準(zhǔn)（起算點(diǎn)坐標(biāo)）、方位基準(zhǔn)（已知邊方位角）和尺度基準(zhǔn)（已知邊距離及統(tǒng)一的距離度量單位），且同測區(qū)實(shí)際相符。隧道控制測量坐標(biāo)系統(tǒng)可以是國家高斯平面坐標(biāo)系統(tǒng)（如北京54，西安80等）或任意經(jīng)度的中央子午線高斯平面坐標(biāo)系統(tǒng)，但一般仍較多采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)。通常規(guī)測量網(wǎng)一樣為了施工方便，常以隧道主軸線進(jìn)口至出口方向?yàn)閄軸正向，隧道的某一線路中線里程為X坐標(biāo)系統(tǒng)起算值，右旋90確立Y坐標(biāo)軸，坐標(biāo)原點(diǎn)處。坐標(biāo)值可以為正常數(shù)，也可以為0。取隧道設(shè)計(jì)路面的平均高程為坐標(biāo)系統(tǒng)投影面。

10、GPS控制網(wǎng)的精度設(shè)計(jì)隧道測量最終的要求是保證相向開挖的隧道正確貫通 ,因此，GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)也必須滿足這一要求?？涌诳刂泣c(diǎn)的精度 按隧道規(guī)范規(guī)定:當(dāng)隧道長 L 4 km,其橫向貫通誤差的限差應(yīng) 10 cm,即中誤差 m 5 cm;當(dāng)隧道長 48 km 時(shí),其橫向限差應(yīng) 15 cm, m 7. 5 cm;當(dāng) L 8 km 時(shí),限差還可放寬一些。顯然,貫通誤差是由洞外控制測量誤差與洞內(nèi)導(dǎo)線測量誤差所引起。因此,其橫向貫通中誤差 m的計(jì)算式為 式中: 為洞內(nèi)導(dǎo)線的測量誤差, 為坑口控制點(diǎn)誤差。技術(shù)參數(shù)如下表 GPS控制網(wǎng)的精度無論GPS網(wǎng)取什么形狀，最終都應(yīng)達(dá)到隧道貫通對坑口控制點(diǎn)的精度要求，為此目

11、的，可將坑口控制點(diǎn)的坐標(biāo)精度m2，用GPS的觀測精度用m0表示之：式中，m0GPS接收機(jī)的測量誤差，由儀器的性能所決定；Q設(shè)計(jì)的GPS網(wǎng)的圖形強(qiáng)度，由網(wǎng)的幾何形狀所決定，或由GPS網(wǎng)矢量的協(xié)方差矩陣求得。 因此，m0用GPS接收機(jī)的標(biāo)稱精度表示，即 為了實(shí)現(xiàn)隧道網(wǎng)的布設(shè)和精度設(shè)計(jì)，可以根據(jù)隧道總長度和測區(qū)地形及各坑口的初步位置，以不同邊長模擬幾種GPS測量網(wǎng)的方案，根據(jù)圖形和他的GPS矢量的協(xié)方差矩陣解求Q值，并求出坑口控制點(diǎn)的精度，選擇既滿足精度又具有高效率的網(wǎng)作為優(yōu)化方案。 為保證觀測值成果精度及質(zhì)量可靠性，GPS工程網(wǎng)選點(diǎn)及布網(wǎng)需要遵循如下原則：當(dāng)利用城市已有控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)檢查該點(diǎn)的穩(wěn)定性

12、及完好性。 地面上的控制點(diǎn)應(yīng)選在利于保存、施測方便的地方。 控制點(diǎn)上應(yīng)視野開闊，并避開多路徑效應(yīng)的影響，在1015高度角以上不能有成片的障礙物?？刂泣c(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離高壓輸電線和無線電發(fā)射裝置，其間距分別不小于50和200。 控制點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)牢固并應(yīng)繪制點(diǎn)之記。GPS控制網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)滿足的要求 控制網(wǎng)由隧道各開挖口德控制點(diǎn)點(diǎn)群組成，每個(gè)開挖口至少應(yīng)布測4個(gè)控制點(diǎn)。GPS定位點(diǎn)之間，一般不要求通視，但不設(shè)同一洞口控制點(diǎn)時(shí)，考慮到用常規(guī)測量方法檢測，加密或恢復(fù)的需要，應(yīng)當(dāng)通視。 基線最長不宜超過30km，最短不宜短于300m。 每個(gè)控制點(diǎn)有3個(gè)或3個(gè)以上的邊與其連接，極個(gè)別的點(diǎn)才允許由兩個(gè)邊連接。 點(diǎn)位上空視野開

13、闊，保證至少能接受到4顆衛(wèi)星的信號。測站附近不應(yīng)有對電磁波有強(qiáng)烈吸收或反射影響的金屬及其它物體。各開挖口德控制點(diǎn)及洞口投點(diǎn)高差不宜過大，盡量減小垂涎偏差的影響。GPS控制網(wǎng)必須由非同步獨(dú)立觀測邊構(gòu)成閉合環(huán)或附合路線（按長邊和短邊分別連接），每個(gè)閉合環(huán)或附合路線中的邊數(shù)應(yīng)符合本規(guī)范表四、實(shí)例分析 簡介長梁山隧道及控制網(wǎng)布設(shè)簡介長梁山隧道及控制網(wǎng)布設(shè) 長梁山隧道是一長約13km的直線隧道位于山西省朔黃鐵路線上，是目前我國較長的鐵路隧道之一 ，在隧道進(jìn)出口間布設(shè)有四個(gè)斜井，以提高施工進(jìn)度和質(zhì)量.在定測的基礎(chǔ)上于實(shí)地標(biāo)定進(jìn)出口及各斜井進(jìn)洞控制點(diǎn)位,然后布設(shè)隧道洞外控制網(wǎng)。 GPS測量由于無需通視，因此

14、只需布設(shè)個(gè)洞口直接服務(wù)于進(jìn)洞測量的點(diǎn)位，每個(gè)洞口有三到四個(gè)點(diǎn)，形成了由23個(gè)點(diǎn)組成的隧道GPS網(wǎng)，如圖 GPS網(wǎng)中各洞口點(diǎn)間的相互基線均有相互獨(dú)立的觀測值，相鄰洞口的獨(dú)立基線不少于4條，進(jìn)口與出口也進(jìn)行了直接聯(lián)測，以分析GPS在長隧道控制測量中的應(yīng)用能力。觀測時(shí)采用4臺Leica 200GPS接收機(jī)，選擇良好的觀測窗口，對于相鄰洞口及同一洞口內(nèi)的基線觀測一個(gè)時(shí)段，每時(shí)段1.5小時(shí)，對于進(jìn)出口見得長基線，觀測兩個(gè)時(shí)段，每時(shí)段2小時(shí)。GPS網(wǎng)選用相互獨(dú)立的基線構(gòu)成36個(gè)獨(dú)立閉合環(huán)，由不同洞口點(diǎn)構(gòu)成的閉合環(huán)其環(huán)的長度相對于由相同洞口點(diǎn)組成的環(huán)的長度要長，此類閉合環(huán)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表7由各洞口內(nèi)部點(diǎn)間構(gòu)成

15、的閉合環(huán)統(tǒng)計(jì)如表8從兩類閉合環(huán)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出GPS網(wǎng)外業(yè)觀測結(jié)果是可靠的。GPS短邊方位測定的精度分析 進(jìn)洞方位的精度直接影響到橫向貫通，由于隧道進(jìn)洞方位邊均較短，因此對GPS短邊方位測定的精度探討是非常重要的。在長梁山隧道進(jìn)行的試驗(yàn)中共有六個(gè)洞口，每個(gè)洞口均有3個(gè)控制點(diǎn)且邊長均較短，一般在300500m，在這些點(diǎn)上均有常規(guī)導(dǎo)線及GPS的觀測成果，常規(guī)導(dǎo)線驗(yàn)后方向中誤差為士0.8，每個(gè)洞口短邊按9個(gè)測回觀測，則驗(yàn)后方向中誤差為士1.0，角度中誤差為士1.4，由GPS觀測得到各條基線，不進(jìn)行平差處理而直接由觀測基線轉(zhuǎn)化到高斯平面而得到由觀測值算得的不同方向間的角度，各洞口導(dǎo)線及GPS觀測的角度可算出兩者之差的中誤差： GPS短邊方位觀測的中誤差為解算得到士0.68，當(dāng)然這里