隧道洞内CPⅡ导线测量旁折光的影响与对策探讨

陈光金 徐 涛 汤宪海 付宏平

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043； 2.新疆铁道勘察设计院有限公司 新疆乌鲁木齐 830011；3.中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西西安 710021)

隧道洞内CPⅡ导线测量旁折光的影响与对策探讨

陈光金1徐 涛2汤宪海3付宏平1

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043； 2.新疆铁道勘察设计院有限公司 新疆乌鲁木齐 830011；3.中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西西安 710021)

以某座已经竣工通车的隧道洞内CPⅡ导线实测数据为基础，就如何减弱旁折光的影响进行研究，从点位设计、外业观测方法、内业数据处理的网形结构等方面，提出减弱旁折光影响的措施与对策。

铁路测量 CPⅡ 旁折光 对策

长大隧道铁路贯通后，施工时的洞内导线控制点在后续的轨道铺设中无法保存，一般先建立洞内精密控制网CPⅡ，作为铺设无砟轨道CPⅢ控制网的基准。设置隧道内CPⅡ导线点时，点位埋设在洞内电缆槽隔墙顶部或安全稳固、不受干扰、便于保存的地方，要求视线离开洞内设施0.2 m以上，点间距离在300～500 m之间。平面CPⅡ控制网一般利用测量机器人采用方向观测法，在前、后视方向的4个导线点上设置棱镜观测，测站点对面的控制点(一般在10 m左右≈隧道宽度)不观测，以边角联接方式构成导线网(见图1)。隧道掘进施工时的洞内控制导线测量现在 一般也采用此种形式布网，点位设在距电缆槽壁0.3 m左右的地方。

建立隧道洞内CPⅡ导线时，隧道洞内场地狭窄，点位设置受到限制，特别是曲线隧道，可能导致视线距离隧道侧壁较近，水平角会受到旁折光影响。本文以2座隧道洞内CPⅡ导线实测数据为基础，主要研究分析了隧道内旁折光对水平角的影响。从点位位置设计、外业观测方法、内业数据处理的网型结构等方面，提供减弱旁折光影响的措施与对策，提出每站观测5个方向，对CPⅡ点对的超短边进行测量的要求，避免多次重测返工，影响工期，造成人力、财力的浪费。此方式也适用于隧道掘进施工期间洞内控制导线测量，可供将来规范制定或修订时参考。

1 某隧道洞内CPⅡ平面控制网基本概况

某铁路隧道全长5 km左右，线路呈西北方向45度角走向，进口在直线上，出口在偏角15°46′10.66″，R=4 000 m，l=400 m的曲线上，曲线地段长度占全长的1/3。

隧道洞内CPⅡ平面控制网采用导线网形式布设，按三等导线精度要求测量。共布设CPⅡ控制点20个(10对)，建立进、出口的附合导线网，形成由多个四边形或多边形组成的带状网，隧道走向与控制网网形见图1。隧道内CPⅡ控制点的位置特征、视线距旁向结构物(隧道侧壁)的横向距离见表1。

表1 测点位置与观测视线距旁向结构物距离

2 旁折光对隧道洞内导线的影响分析

2.1 对角度闭合差的影响分析

在进行数据处理时，对单站观测数据进行检查，其水平角观测的半测回归零差、一测回内2C互差、同一方向值各测回互差；距离一测回读数较差、测回间较差限值均符合要求；而对附合路线闭合差进行检查时，12个测站，附合路线的角度闭合差：-43.99″， 限差：12.47″；导线相对闭合差：1/10 963，限差：1/55 000，导线不闭合，超限严重。

分析附合导线角度闭合差超限原因，首先排除了起算基准不可靠因素。本隧道进、出口洞外起算控制点采用GPS技术以整体网方式加密，联测4个CPI/CPⅡ已知点，采用两点約束进行已知点稳定性检验。其余2点的坐标比较表明：坐标较差FX=0.4 mm，FY=0.07 mm，控制点兼容性良好，起算基准正确可靠。判断应该是导线测量问题引起，进行四边形环角度闭合差((限差7.2″)检查，出现大面积超限现象(CPⅡ闭合环18个，合格仅6个，占1/3)，结合测点位置与观测视线距旁向结构物距离表(见表1)，超限原因主要是旁折光的影响引起。闭合误差检查详细情况见表2。

表2 四边形环角度闭合差检验统计

从表2中可看出，隧道内旁折光的影响导致导线角度闭合差严重超限，使角度闭合误差呈系统性变化，隧道内旁折光的影响有如下现象：

(1)与测点地理位置有关，本隧道由南向北，基本沿45°角的西北走向，在DK1755+400(CPⅡ11、CPⅡ12)以前(隧道南半部)全为负值，在DK1755+400以后(隧道北半部)均为正值。

(2)本隧道纵断面设计为进口低、出口高的单面坡，最大高差达100 m左右，闭合差呈区域性变化，与测点高程分布有关，海拔1 100 m以下为负，海拔1 100 m以上为正。

(3)直线、曲线地段，旁折光影响的符号相反，直线地段为负、曲线地段为正。

(4)旁折光影响大小与视线离结构物的远近有关，视线越贴近结构物(曲线地段)，角度闭合差越大，四边形的角度闭合差最大值高达45″，影响非常严重。

2.2 旁折光对水平角的影响分析

为验证旁折光对水平角角度观测值的影响，对上面四边形角度闭合差检验超限的测站在不同的时间段进行重测，部分测站的重复测量达4次，水平角观测值变化剧烈，各角较差变化详细情况见表3。

表3 不同观测时间旁折光对水平角的影响分析

从表3中可以看出：

①洞外角度符合性良好(测站1752P21)。

②距进口端洞门650 m左右的洞内、洞外连接的直线段测站CPⅡ03符合性不佳，主要是后视方向为侧壁边(CPⅡ03-CPⅡ05)引起；而距出口段洞门35～43 m左右的曲线段控制点CPⅡ21、CPⅡ22测站受折光影响小，角度符合性良好。

③后视方向为侧壁边(编号两点均为单号)的测站角度均超限，而设在隧道两线中间位置的CPⅠ09点，四次角度观测值符合性良好，与其相连的相关测站的角度观测值符合性也良好，隧道内控制点位置的合理设置非常重要。

④观测视线距隧道侧壁的横向距离不同，影响大小不同，越靠近侧壁的边影响越大。CPⅡ15测站的最近边CPⅡ15～CPⅡ17的方向值最大较差达到82″，影响特别严重。

⑤随观测时间、大气温度、湿度不同，旁折光对水平角影响的大小、方向不同，各次水平角观测出现分群(测站CPⅡ11、CPⅡ15第1、3次接近，其余2次相差很大)、角度较差符号正好相反(测站CPⅡ13CPⅡ15CPⅡ17)的现象，旁折光对水平角影响无规律，变化非常复杂。

⑥直线地段视线横距隧道侧壁的距离基本在1.3 m以上，各站角度较差仍有影响，在CPⅡ05测站角度影响最为明显，角度较差最大达20″，而直线地段四边形角度闭合差超限个数也较多。因此，规范规定的视线距洞内设施0.2 m以上，并不能完全保证测量精度。

2.3 隧道控制点边长与旁折光影响的关系分析

采用交叉导线方式进行计算，2条附合路线的角度闭合差：-2.99″、-0.1″，导线相对闭合差：1/175 465，1/404 534，精度符合要求。表2中的角度闭合差主要是将隧道两侧的贴壁边联入控制网，受旁折光影响，致使角度闭合差超限。

在曲线段，视线距隧道侧壁近，旁折光影响严重；但对直线段(CPⅡ07～CPⅡ11)而言，尽管视线距侧壁远(1.3 m左右)，而四边形角度闭合差仍然超限较多，核测后，角度变化不大(见表2)，表明直线段角度闭合差大量超限主要是点位不合适引起。由于直线段边长较长(基本在550～660 m)，旁折光影响明显；对CPⅡ03～CPⅡ11的点重新设置，变短测量边长(330～400 m)后，附合导线路线角度闭合差、四变形角度闭合差均符合要求，表明旁折光对水平角的影响大小与边长长短有关。

根据其他线四座长度在7.13～13.187 km隧道的实测合格CPⅡ导线统计，其CPⅡ边长均在280～400 m左右。因此，隧道洞内CPⅡ的边长以300～400 m为宜，能够减弱旁折光的影响，对测角精度起到保障作用。

3 减弱旁折光影响的方法研究

为研究减弱隧道洞内CPⅡ导线旁折光影响的方法，以某一已经竣工通车隧道的CPⅡ实测资料为基础，主要从改善CPⅡ控制网的网型方面考虑。

该隧道全长7.375 km，隧道内CPⅡ控制点共44个，采用测量机器人按全面导线网观测(点对短边进行测量，每站观测5个方向)，导线各项精度指标符合要求。利用旁折光对观测边长影响甚微的特点，剔除易受旁折光影响的方向值，用实际工程数据对CPⅡ控制网的构网方案进行研究，主要研究方案如下(计算比较统计结果见表4)。

表4 减弱旁折光构网方案与CPⅡ常规网坐标成果比较

(1)全面网：CPⅡ常规网+短边(10 m左右≈隧道宽度)的方向、边长观测值。

(2)常规网增强型：CPⅡ常规网+短边(10 m左右≈隧道宽度)的边长观测值，剔除短边精度不高的方向值。

(3)交叉导线：按左、右侧交叉布点，视线不与隧道壁平行，不受旁折光影响，为单纯的双导线，中间无结点。

(4)交叉导线增强型：交叉导线+短边(10 m左右≈隧道宽度)的边长观测值，不受旁折光影响。

(5)不受旁折光影响型：交叉导线+两侧贴壁边长观测值(剔除易受旁折光影响的两侧贴壁边的方向值)。

(6)不受旁折光影响增强型：交叉导线+两侧贴壁边长观测值(剔除易受旁折光影响的两侧贴壁边的方向值)+ 短边(10 m左右≈隧道宽度)的边长观测值，构成不受旁折光影响的非完全边角网。

从表4中的分析可以得出如下结论：

①全面网、常规网增强型与常规网成果一致，坐标较差在1.5 mm以内；边长较差最大在1.26 mm，而且在长边上，控制点间的相对关系一致；从精度上比较：常规网精度明显高于全面网精度，因此，现行常规网的网形是适宜的，在CPⅡ网中加测超短边方案可行。

②交叉导线、不受折光影响型与常规网成果有差异，坐标最大较差在19.9 mm；最关键的是边长最大较差可达24.63 mm，而且在短边(测站对面点S=9.88 m)上，控制点间的相对关系与实地位置无法保持一致，不能满足轨道铺设要求，因此，这两种网型是不合适的。

③交叉导线增强型、不受折光影响增强型与常规网成果的差异不明显，坐标较差在14.1 mm以内，小于CPⅡ复测的坐标限差15 mm要求；边长较差在2.74 mm，控制点间的相对关系准确，能够满足轨道铺设要求，因此，这两种网型是适宜的，以不受折光影响增强型为最佳。

4 CPⅡ测量对策与建议

(1)观测视线要远离隧道侧壁，隧道控制点布设时，从曲线隧道开始设计控制点位置，不仅考虑测站距侧壁的距离，曲线隧道更应该注意使同侧的两点(侧壁切线方向)间的视线应远离侧壁在1.5 m以上，这需要根据线路设计中线、隧道衬砌建筑限界及内轮廓设计图+仪器觇标的视线最低高度，确定控制点位置。必要时，将控制点设在隧道中间的排水沟顶。

(2)隧道洞内CPⅡ的边长不要太长，以300～400 m为宜，以减弱旁折光的影响，保障测角精度，在规范中，对边长的适宜性应予以明示。

(3)洞门附近内、外两个测站控制点位置设计与观测时机应给予足够的重视，在控制网设计时，洞门附近控制点的设置位置宜设在洞内30 m左右，减弱观测时洞内、外光线的对比度，提高角度测量精度。

(4)铁路测量规范规定的视线距洞内设施0.2 m以上，并不能完全保证符合测量精度要求。建议隧道内视线距洞内设施应在1.0 m以上，横向小于1.0 m时， 应选择有利时间和受旁折光影响小的控制点作为后视方向，合理分配时段，在不同时段内进行观测。

(5)每站观测5个方向，观测时增加一个棱镜组，对CPⅡ点对的超短边进行测量。数据处理发现角度闭合差不能满足要求时，可以采用不受折光影响增强型网型计算控制网成果，避免多次重测、返工，影响工期。同时，可以利用不受折光影响增强型导线的成果与常规网成果比较，检验分析常规网是否存在旁折光影响产生的系统性误差，提高控制网成果的可靠性。

5 结束语

经过对某隧道洞内导线实测数据统计分析比较，隧道内旁折光对水平角的影响严重，角度最大较差达到82″，四边形闭合环的角度闭合差达到45″， 致使控制测量成果不合格，造成返工重测，影响工期。鉴于旁折光影响的复杂性，有随地形、地类、地貌、时间、大气密度、温度、湿度、气压变化的随机性，具有不可预测性和不可计算性的特点，实际工作中进行隧道洞内施工控制导线、铺轨前的CPⅡ控制导线时，在点位布设、观测方法、数据处理等方面应注意采取一定措施，削弱旁折光影响。在成果计算时，利用不受折光影响增强型导线的平差结果，检验常规网是否存在受旁折光影响产生的系统性误差，提高控制测量成果的可靠性。

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DiscussiononInfluenceandCountermeasuresOoHorizontalRefractionErrorFORCPⅡMeasurementinRailwayTunnel

CHEN Guang-jin XU Tao TANG Xian-hai FU Hong-ping

2014-01-21

陈光金(1963—)，男，1984年毕业于昆明工学院工程测量专业，工学学士，高级工程师。

1672-7479(2014)02-0004-05

TB22

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