隧道控制测量方案设计与实施

南阳师范学院20XX届毕业生毕业论文（设计） 题 目： 隧道控制测量方案设计与实施 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 测绘工程 指导教师： 完成日期： 目 录摘要（1）0引言.（1）1建隧道控制测量的基本原理及特点（1）1.1平面控制测量方法（1）1.2 GPS定位的误差来源（1）1.3 GPS测量的特点（2）2 隧道控制测量方案设计（3）2.1 平面控制测量方法设计（3）2.2 高程控制测量设计（3）2.3 控制网的布设（3）2.4 方案实施时注意细节（4）3 结合长大隧道进行隧道控制测量方案的实施（5）3.1 工程概述（5）3.2 控制测量方案设计（5）3.1 平面控制测量设计（5）3.4贯通误差预计（6）3.5洞内控制测量方案实施（6）4 结束语（7）参 考 文 献（7）Abstract（8）隧道控制测量方案设计与实施 摘要：隧道地面控制测量的传统方法是三角测量、边角测量或导线测量。但由于隧道工程大多位于崇山峻岭地形复杂地区,常使地面控制测量存在以下两个问题,一是由于通视困难,选点时必需寻找高点甚至建立高标,使工期长、费用高,二是工程性质决定了控制网的布设形式必为狭长延伸形,从而减弱了控制网的图形强度使控制点测量的精度很难提高。而GPS测量特别是贯穿树木茂密通视困难地区隧道测量,GPS系统表现出传统的测量技术无法比拟的优越性。关键词：GPS测量；隧道控制网；数据处理0 引言保证长大隧道准确贯通，隧道控制测量是关键，对长大隧道贯通，规范要求贯通精度很高，隧道洞内控制测量精度的高低直接影响到贯通的精度，为了保证隧道在允许精度内贯通，首先要对洞内控制测量进行设计，在未贯通前对已施测的测量成果进行相应的精度估算，为了保证相应的控制测量精度还要采取相应的测量方案设计。在隧道建设过程中,由于细部放样、施工等因素的影响,使得相向开挖的洞段中线不能理想地衔接而产生错开的现象,即所谓贯通误差。为了减小贯通误差的影响使隧道的正确掘进,施工测量放样必须建立在满足精度要求的控制测量成果基础之上。因此隧道的控制测量精度质量对减小隧道横向和高程贯通误差、保障洞口内外的准确接线有着举足轻重的影响,为保证隧洞在允许精度内贯通,首先要分别对洞内、洞外平面控制测量和高程控制测量方案进行设计,在未贯通前对已施测的测量成果进行相应的精度估算,采取合理的方案保证控制测量精度,以高质量的测量成果指导施工测量放样保证工程顺利完成。1 建隧道控制测量的基本原理及特点1.1 平面控制测量方法 测量学中有测距交会确定点位的方法。与其相似，GPS定位也是利用测距交会的原理确定点位。设想在地面上有3个无线电信号发射台，其坐标已知，用户接收机在某一时刻，采用无线电测距的方法，分别测得了接收机至3个发射台的距离d1、d2、d3，只需以3个发射台为球心，以d1、d2、d3为半径，做出3个定位球面，即可交会出用户接收机的空间位置。虽然GPS卫星是在不停的运动中，但总可以利用固定于地面上的无线电测距仪同时测定某一时刻的空间距离d1、d2、d3，应用测距交会的原理便可确定该时刻卫星的空间位置。同理可以同时确定3颗以上卫星的空间位置。反之利用3颗以上的卫星已知位置又可交会出地面未知点(用户接收机)的位置1。在GPS定位中，GPS卫星是高速运动的卫星。其坐标值随时间在快速变化着。需要实时的由GPS卫星信号测量出卫星至测站的距离，实时的由卫星导航电文解算出卫星的坐标值，并进行测站点的定位。根据其运动状态可以将GPS定位分为静态定位和动态定位。由于静态定位时，待定点位置固定不动，可以通过大量重复观测提高定位精度，因此隧道控制测量采用静态定位。1.2 GPS定位的误差来源 在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可以依据其具体来源分为以下四大类：GPS卫星有关的因素、与传播途径有关的因素、与接收机有关的因素、其它因素2。1.3 GPS测量的特点 （1）测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便，对于隧道控制测量而言，只需在各开挖洞口布设控制点即可，无须设置过渡点。但测站上空必须开阔,以使接收GPS卫星信号不受干扰。 （2）定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明,在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1210-6，而在100km500km的基线上可达10-610-7。 （3）观测时间短。在小于20km的短基线上，快速相对定位一般只需5min的观测时间即可。 （4）操作简便，测量自动化程度很高。在观测中，测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，而其他观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。 （5）全天候作业。GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。2 隧道控制测量方案设计2.1 平面控制测量方法设计 洞内平面控制测量在未贯通前都是支导线。当接到隧道工程施工任务时，首先要根据洞内相向开挖长度及设计贯通精度要求，对洞内导线进行设计，估算预期的误差#确定导线施测的等级，以保证隧道施工中线的正确，即贯通精度符合要求，更为合理经济的选择测量设备和测量方案3。为提高测量精度，导线边长尽量放长，根据误差传播定律，导线测角及量边所引起的洞内横向贯通误差为： (1) 其中 (2) 式中Rx为导线点至贯通面的垂直距离，dy为导线对贯通面的投影长度，m为洞内侧角中误差，为导线边长相对中误差。 (3)2.2 高程控制测量设计隧道洞内高程控制测量精度直接影响的是高程贯通中误差，根据水准测量误差引起的高程贯通中误差来确定高程控制测量的等级，洞内受洞外或洞内高程控制测量误差影响所产生在贯通面上的高程中误差按下式计算： (4)式中为每千米水准测量的偶然中误差，L为洞外或洞内两开挖洞口间隔高程路线长度，确定水准路线方案后，根据计算得中误差对照规选取相应高程测量等级2。2.3 控制网的布设 （1）洞外UPS控制网布设。洞外平面控制网按一等UPS网精度要求，采用UPS静态测量模式测量，GPS接收机的精度指标符合5 mm士1 ppm。平面UPS控制网的布设考虑了控制隧道线路平面和洞口(斜井)位置的需要以及GPS观测对控制点周围环境的要求，由洞口子控制网和洞口子网间的联系网组成。洞口子网由大地四边形、中点多边形等强度较高的网形构成，子网内相互通视的边采用GPS直接观测基线;联系网均由三角网构成4。在实地布网前，首先在1:10000地形图上进行控制网设计，进行前期分析，制定质量保障措施。控制点的选择要同时满足GPS观测的要求和隧道控制测量对控制点的要求。洞口子网布设的控制点为4-5个，在选点时重点考虑后视进洞方便。洞口设点的选择重点考虑两个因素:洞口设点能够与两个及以上后视点通视;洞口设点后视竖直角300 m的长边。导线点应布设在施工干扰小、稳固可靠的地方，点间视线应离开洞内设施0.2 m以上5。水平角观测宜在测回间采用仪器和规标多次置中的方法，并采用双照准法(两次照准、两次读数)观测，由洞外引向洞内的测角工作，宜在夜晚或阴天进行,洞内导线边长应采用II级及以上等级全站仪或光电测距仪进行观测。 （3）高程控制网的布设。高程控制网的布设根据1:50000图、1 : 10 000地形图按隧道进出口和斜井洞口位置预选施测路线，再结合实地交通状况进行勘探后决定最优测量路线。本次南吕梁山隧道洞外控制测量共布设主水准附合路线1条，在隧道各进出口和斜井口作洞口水准点闭合环。为了方便施工引测及相互检核，每个洞口设置3个水准点，3个洞口水准点中的2个设置在洞口，2点之间距离按能安置一次仪器进行观测为原则，另一个水准点设置在安全区域，便于复核联测;在主水准路线上和辅水准路线上每2 km左右布设一个临时水准点，每4 km左右布设一个长期水准点。高程控制网共布设洞口水准点19个，长期水准点33个。水准观测采用电子水准仪按二等水准要求进行，水准仪的标准精度应满足每公里高差偶然中误差士0.3 mm。2.4 方案实施时注意细节 （1）各洞口用作进洞边的洞外控制点，其高差不宜太大，这样可以有效地消除垂线偏差对横向贯通误差的影响，同时进洞边要有足够的长度，最短不得小于150 m。 （2）洞内控制网的水平角观测对横向贯通误差具有决定性的意义。为此，应尽可能提高水平角测量精度，并定期检查仪器，尤其是仪器附件，如：对中器(无偏差)，脚架(稳固)，水准器(正确整平)，对中杆(无偏斜)控制点(无位移)，防止系统误差对成果的不良影响。 （3）隧道每开挖到一定长度时要及时增设导线点，并且要经常性的检测其正确性，确保隧道中线的正确性。 （4）要严格进行边长的投影计算，正确计算各点平面坐标。 （5）施测中应当配备充足的照明和通讯工具，满足测量工作需要。3 结合长大隧道进行隧道控制测量方案的实施3.1 工程概述 改建铁路沪汉蓉通道襄渝二线胡家营至安康段增建二线工程白石河二号隧道，起讫里程Dzk184+615Dzk191+536，全长6921m，该隧道设有白水河横洞（位于隧道进口端，与隧道交汇于Dzk184+845），东 沟 斜 井 （与 隧 道 交 汇 于Dzk188+825）两个辅助坑道。该隧道进口端位于曲线半径 R=1600 m 的圆曲线和L=190缓和曲线上，其余为直线段，由于该隧道属于长大隧道，对贯通精度要求比较高，而且本工程存在两个贯通面，进口段白水河横洞到东沟斜井为第一贯通段（全长5 130 m）东沟斜井到出口段为第二贯通段（全长 3635 m），给洞内控制测量带来了很大的困难6。3.2 控制测量方案设计 隧道贯通面上贯通误差的影响值，由洞外，洞内控制测量两部分组成，由于洞外采用 GPS 网作控制来保证洞外控制精度，因此本设计只对洞内控制测量进行设计，为保证高精度贯通，本设计第一贯通面（进口至东沟斜井段） 按总横向中误差75 mm，高程中误差 25 mm 进行设计，第二贯通面（东沟斜井至出口段）按横向中误差 50 mm，高程中误差 25 mm 进行设计，而且由于该隧道大部分位于直线上，导线边长按照 250 m 进行设计4。3.3 平面控制测量设计 按上述布设方案Rx，dy（1）洞内计算 依据各导线点至贯通面的垂直距离计算的结果为： 第一贯通面： 第二贯通面：（2） 洞内计算 依据各导线边在贯通面上的投影长度的计算结果为： 第一贯通面： 第二贯通面：3.4 贯通误差预计第一贯通段（进口向水河横洞至东沟斜井段）： (5) (6) (7)第二贯通段（东沟斜井至出口段）： (8) (9) (10)鉴于上述预计是按单导线公式计算，而实施中采用主#副导线网方案，其精度显然高于前者，因此本估算方案有较大的安全余地，这时，按本设计方案实施洞内控制测量所能达到的预计横向贯通中误差满足了新建铁路工程测量规范所规定的贯通中误差的精度要求，可以达到隧道高精度贯通的设想7。3.5 洞内控制测量方案实施 为保证隧道准确贯通,增加洞内导线的检核条件洞内布设成附合导线8。为减少观测误差及布点工作量, 可将洞内部分中线点作为导线点,导线易布设成折线直伸形,按照由高级到低级的控制原则,洞内导线为一级导线,按四等导线技术要求进行观测,布设见图1。图1 隧道导线网图 这种布设方法的优点是,将部分中线点纳入导线中,一可以检查中线点精度(根据中线点里程, 推算中线点的设计坐标与实测坐标进行比较，另外,由于采用了部分中线点,减少了埋点的工作量。 洞内外联测，应选在阴天，气温稳定，无风情况下进行。洞内控制测量的水平角观测在不同时段采用方向观测法测4个测回9。测距采用对向观测，其中竖直角观测4个测回，测距6次，边长归算考虑气象改正，投影改正。投影面高度为隧道内轨顶面平均高程210m（GPS网投影高程面）。 高程测量严格按照新建铁路观测规范三等水准测量要求进行，采用往返不同线路进行施测，在往返闭合差满足要求时，取往返平均值10。洞内控制测量应在施工不影响时进行，并加强通风，保证照明充分，提高精确度。以良好的施测环境，确保测量的精度。洞内导线向前延伸，施测时必须联测三个以上同等级控制点，在确定前面点位正确无误后方可向前延伸。4 结束语 分析了隧道建设过程中的总体方案设计方法,主要包括以贯通误差为指导下的对洞内、洞外、高程控制网的布设,测量路线的确定、数据处理方法、质量检查方法等,利用测量精度计算贯通误差的影响的估计值,若出现问题,必须再次进行检查或者修订测量方案,保证测量精度、贯通误差均满足要求,使隧道正确掘进。提出了施工过程中应当注意的事项,可为其他隧道施工的设计提供一套标准作为参考,指导施工测量工作的顺利进行。参 考 文 献1 祝国瑞,郭礼珍,尹贡白,等.地图设计与编绘M.2版.武汉:武汉大学出版社,20102 马晨燕,祝国瑞,邱险高.基于DEM的地貌晕渲地图的研制:以“深圳市挂图”为例J.北京：测绘信息与工程,2004,29(5):17-183 陈军,史培军,王东华,等.汝川地震灾害地图集编制工程J.武汉：中国工程科学，2009,11（8）：24-284 赵虎,李霖,龚健雅.通用地图投影选择研究J.武汉：信息科学版，2010,35（2）：224-2475 胡云岗,陈军,赵仁亮,等.地图数据缩编更新中道路数据匹配方法J.武汉：信息科学版,2010,35(4):451-4566 成英燕,程鹏飞,顾旦生,等.三维4参数模型实现地图到CGcS2000的转换J.武汉：信息科学版,2010,35(6):747-7517 李华蓉.基于图段连通体的线符号提取J.北京：测绘信息与工程,2010,35(6):46-488 花向红,夏真,向东,等.地面数字化测图模拟与仿真平台的三维可视化J.武汉：测绘信息与工程,2012,37(3):37-399 国家监督局，新建铁路工程测量规范S. 北京：中国铁道出版社，2005.10 王科锋,张子明. GPS 在长大隧道控制测量中的应用J. 北京：电铁信息网讯，2007（2）：51-52Design and Implementation of Tunnel Control Measurement Scheme Abstract:The traditional method of measuring control system of tunnel is triangulation, edge angle measurement or wire measurement. But due to tunnel engineering are mostly located in the high mountains and lofty hills complex terrain area, often make the ground control measurement has the following two problems, one is the intervisibility difficult, site selection must find high even build high standard, the long construction period, high cost, the two engineering properties determine the layout of control network will narrow extension type, thereby weakening the strength of the figure of control network to control point measurement is difficult to improve the accuracy of. While GPS measurement especially through tunnel measurement wooded intervisibility difficult areas, GPS system shows incomparable superiority to the traditional measurement technique.Keywords: GPS; tunnel control network; data processing第 8 页 （共 8页）