长大隧道独立控制网的建立方法

童鹏程（中铁四局集团建筑公司有限公司，安徽　合肥　230022）



长大隧道独立控制网的建立方法

童鹏程
（中铁四局集团建筑公司有限公司，安徽合肥230022）

摘要：以张唐铁路桃花山隧道为例，采用改变投影面和使用一点一方向平差的方法，建立了隧道独立坐标系，通过对隧道独立平面控制网测量成果的分析，指出采用该方法建立的独立坐标系，可提高控制网精度，满足隧道施工要求。

关键词：长大隧道，独立坐标系，一点一方向法，平面控制网

在铁路隧道工程建设过程中，为保证长大隧道的顺利贯通，对洞外控制网的精度要满足相应规范要求，特别是对平面控制网的精度要严格按照相应规范要求进行测设。在平面控制测量过程中，往往存在平面控制点的计算边长与实测边长不相符，洞口投点计算角度与实测角度不相符，产生较大差值，这会对隧道贯通测量及后续无砟轨道施工造成较大的影响。《高速铁路工程测量规范》要求，隧道施工独立控制网的边长投影变形值要小于10 mm/km，才能满足隧道施工要求，否则就要建立满足上述投影变形要求的独立坐标系。对于长度超过6 km的隧道等大型构筑物，设计单位均要求施工方建立独立平面坐标系。

1　工程概况

张唐铁路桃花山隧道穿越燕山山脉东段，进口里程DK395 + 981，出口里程为DK402 +377，斜井里程DK398 + 360。隧道全长6 396 m，隧道最大埋深约199 m，最小埋深约20 m，隧道中段位于半径R =3 000的曲线段上，其余位于直线段上，为双线隧道。列车设计时速120 km/h，轨道类型为重型，整体道床。桃花山隧道地面高程为109 m，相对高差56 m。地表植被发达，树木繁茂，通视条件较差，隧道进、出口有乡村道路，交通条件相对方便。

2　隧道独立控制网建立方法

在隧道施工过程中，因进、出口的平面控制网的角度精度直接影响隧道的横向贯通效果；斜井或平硐大多都垂直于隧道线路，其边长精度影响隧道横向贯通，同时也影响隧道实际里程长度，影响后续无砟轨道施工，故长大隧道施工必须要有高精度的平面控制网。但此隧道设计单位本身所交勘测平面控制网精度不高，若用此控制网中的点作为起算点来约束隧道加密控制网，将严重影响隧道贯通精度。因此本隧道应建立独立平面坐标系，并应采用一点一方向法解算加密网。

2.1建立独立平面坐标系

为了减少投影变形对本隧道施工的影响，隧道施工中应建立独立平面坐标系统，具体分以下三种情况：

1）通过改变Hm从而选择合适的高程参考面，将抵偿分带投影变形，这种方法称为抵偿投影面的高斯正形投影，即采用抵偿高程面而中央子午线不变的方法。2）通过改变ym，从而对中央子午线作适当移动，来抵偿由高程面的边长归算到参考椭球面上的投影变形，这种通常称为任意带高斯正形投影，即变换中央子午线而投影面不变的方法。3）通过既改变Hm（选择高程参考面），又改变ym（移动中央子午线），来共同抵偿两项归算改正变形，这种通常称为具有高程抵偿面的任意带高斯正形投影，即改变投影面又改变投影带的方法。

2.2隧道洞口加密点埋设

隧道各洞口加密控制点位置的选取和埋设既要考虑到GPS观测时的要求，也要考虑到全站仪测角测边时的要求，特别是洞口投点T既要在地质稳定、不易被破坏的地方，又要能够和隧道洞口两侧的后视点通视，同时还能够看到隧道洞口深处，从而确保洞内外联系测量时对洞内导线边长度的要求。隧道洞口应埋设最少3个GPS加密点，且尽量布设成相互距离不小于350 m边长，困难地段边长不能小于300 m。

2.3抵偿投影长度变形的方法

此隧道中心位置距离勘测网中的中央子午线（其经度为118° 12'）约有18 km，隧道线路平均高程面约80 m，投影面大地高100 m。由于实测边长归算到参考椭球面上变形与参考椭球面上的边长归算到高斯面上的变形有部分相互抵偿，即：

其中，Δs为边长投影变形值；Hm为归算边高出抵偿高程面的平均高程；Rm为地球平均曲率半径；ym为归算边两端点横坐标平均值；R为归算边方向参考椭球法截弧的曲率半径；S为实际测量的水平距离。

现将ym=18 km和Hm=100 m代入式（3）中，为了计算方便Rm= R =6 370 km，可计算出1 km边的长度变形值为-1.2 cm，这超出了规范要求变形值不超过1.0 cm/km的要求。此时我们可令Δs =0，则由式（3）可求得：

将上述数值代入式（2）中，可求得高差ΔH = 25 m。此时，将地面实测距离归算到100 -25 =75 m高程面上，两项长度改正得到完全补偿。通过对式（1），式（2）的计算可知，隧道偏离中央子午线对变形影响的偏差较小，投影面的选择对变形的影响较大，故本次隧道独立平面坐标系选择采用抵偿高程面而中央子午线不变的方法。

2.4一点一方向法

此隧道设计单位提供的控制点为四等导线点和四等GPS点，作为隧道首级控制网显然精度较低，若用此控制网来加密隧道施工控制网，将导致误差会全部集中在隧道内部，从而影响隧道的贯通精度。因此本隧道采用一点一方向法建立独立平面坐标系，从而将控制网的各项误差全部推到隧道外部路基上，保证隧道的贯通精度。此时隧道独立平面坐标系是在原勘测坐标系椭球下，以勘测网中2 423点作为约束起算点，以2 423 -2 430方向作为约束方向（见图1），中央子午线L0=118°12'不变，投影面高程H抵= 100 m变为75 m。通过武汉大学COSAGPS软件解算，隧道出口2 430的坐标与原勘测网坐标对比见表1。

图1　隧道独立控制网图

表1　2 430点独立坐标与原勘测网坐标对比　m

3　隧道独立平面控制网的成果对比

为了检验独立平面控制网的精确性，现选取隧道进口、出口、斜井位置各洞口投点与两侧后视点之间的夹角和距离，并与隧道独立坐标系计算的夹角和距离进行对比，详见表2，表3。其中水平角观测9个测回，距离往返观测4个测回。

通过上述数据对比可以发现各洞口投点夹角实测值与计算值相差最大为2.45″，边长实测值与计算值最大相差-2.7 mm，边长相对误差最大值为1∶133 084，对比结果表明用此方法建立的隧道独立坐标系成果完全能够满足本隧道的施工精度要求。

表2　各洞口投点夹角对比表

表3　各洞口投点后视边长对比表

4　结语

在长大隧道施工过程中，通过对建立独立平面坐标系的研究分析可知，在何种情况下采用改变抵偿高程面，何种情况下采用改变中央子午线，何种情况下两者都改变的方法来提高隧道独立平面控制网的精度。另外，通过一点一方向的方法，可以进一步将独立平面控制网中的误差全部推到隧道洞外，从而实现提高隧道贯通精度的效果。

参考文献：

［1］TB 10601—2009，高速铁路工程测量规范［S］.

［2］孔祥元，梅是义.控制测量学［M］.武汉：武汉大学出版社，2002.

The establishment method of long tunnel independent control network

Tong Pengcheng
（China Railway 4th Bureau Group Construction Company Limited Company，Hefei 230022，China）

Abstract：Taking the Zhangtang railway Taohuashan tunnel as an example，this paper used the projection plane change and one point one direction adjustment method，established the tunnel independent coordinate system，through the analysis on tunnel independent plane control network measurement results，pointed out that adopted the method to establish the independent coordinate system，could improve the control precision，satisfied the requirement of tunnel construction.

Key words：long tunnel，independent coordinate system，one point one direction，plane control network

中图分类号：U452.1

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0181-02

收稿日期：2015-12-15

作者简介：童鹏程（1984-），男，工程师