隧道整体贯通前无砟轨道铺设的测量技术实践

李 爱 文

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃 兰州 730000)

0 引言

隧道工程建设过程中，一般是在隧道整体贯通后才开始铺设无砟轨道。对于长大隧道而言，施工工期一般比较长，若按计划施工组织进度安排，待隧道全部贯通后，经常会出现工期无法满足要求的情况。相关规范中没有明确隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的测量技术规定，实际作业中，各参建单位均有在隧道未完全贯通前，已贯通段落先期铺设无砟轨道的强烈需求。特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道施工测量一直是铁路测量工作者的研究课题[1-4]。

某隧道由于工期较紧，在隧道未全部贯通的条件下，采用已贯通段落先期(分期、分段)铺设无砟轨道的施工组织方案决策。本文以该隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的工程实践为例，结合工程特殊情况，分析隧道轨道铺设的难点问题，探索施工独立坐标系[5]下特长隧道分期铺设无砟轨道中的关键测量技术，为路内外其他类似工程提供借鉴、参考，为规范修订提供技术支撑。

1 工程概况

某座隧道设计为双线隧道，长度9 812 m，在2011年2月开工建设，以线路坐标系四等GPS控制网加密成果作为隧道施工依据。隧道掘进200多米后，因故于2011年11月停工，2013年12月隧道施工复工，复工前对隧道原有线路坐标系四等施工控制网进行复测，并对部分丢失的控制点进行增补，施工单位认为原线路坐标系四等网不能满足隧道施工要求，从而改变了隧道施工坐标系，以基于线路控制点下的一点一方向重新建立隧道施工独立坐标系[6-10]，用于隧道施工。

截至2015年5月，进口～1号斜井～2号斜井贯通，剩下的2号斜井～3号斜井、4号斜井～出口间约400 m尚未贯通，隧道掘进施工进度详见图1。

按照建设单位要求的施工进度安排，预计在2015年10月左右，隧道才能全部贯通，若等隧道全部贯通后再进行无砟轨道铺设，工期根本无法满足要求。因此，决定在隧道尚未全部贯通的条件下，分为5段、5期开展洞内CPⅡ,CPⅢ测量，提前开展无砟轨道铺设工作。

2 施工独立坐标系下轨道铺设的难点分析

2.1 无砟轨道铺设的外界条件符合性分析

隧道无砟轨道铺设是以洞外CPⅠ控制点，洞内设置CPⅡ交叉导线网为基准，CPⅠ控制网的长度投影变形值要求小于10 mm/km，以二等GPS网精度建立。隧道的勘测设计时间在2009年，处于新旧规范过渡期，没有建立CPⅠ,CPⅡ控制网，全线按四等精度建立GPS平面控制网。无砟轨道铺设的外界条件不具备，存在施工独立控制网精度能否满足无砟轨道铺设的问题。

隧道掘进施工时采用一点一方向施工独立坐标系，一个投影带，无法顾及长度投影变形值的大小。精度标准与坐标系长度投影变形值均与现行测量规范[11,12]不符，存在施工独立控制网精度能否满足CPⅠ控制网的精度指标、长度投影变形是否影响轨道平顺性等问题，需要评价施工独立控制网能否用于无砟轨道铺设。

2.2 施工独立坐标系下长度投影变形值影响分析

施工独立坐标系不论隧道多长，不顾及长度投影变形，均采用单一的假定坐标系，该坐标系的定位、定向与CPⅠ,CPⅡ坐标系统不同，基于高斯投影的以隧道设计中线大地坐标、测点轨顶高程进行长度投影变形值的计算方法、公式已经不适用。由于缺乏可借鉴的工程经验,也没有相关文献资料可参考，存在如何评价施工独立坐标系能够用于轨道铺设的问题。

如何分析施工独立坐标系长度投影变形值计算方法，进行坐标系合理性评估，明确本隧道的施工独立坐标系能否满足无砟轨道铺设是实施本项目的一个重要难点。

2.3 施工独立控制网与设计理论中线的匹配性分析

本隧道前期以四等网线路坐标系成果、设计中线理论坐标，后期改为一点一方向施工独立坐标系、设计中线理论坐标进行隧道施工，存在隧道掘进施工采用的控制网成果与施工线路理论中线不匹配问题，需要对隧道施工中线的合理性进行分析评估。

两个坐标系现场放样中线位置存在偏差，其偏差值对线下土建工程影响可能不显著，而对精度要求高的无砟轨道铺设来说，必须对隧道施工中线合理性进行分析评估。

2.4 洞内、外采用不同坐标系施工的影响分析

隧道洞内采用一点一方向施工独立坐标系指导施工掘进，而洞外工程采用线路坐标系四等控制网施工，本隧道洞外与桥梁相接，邻近的另一隧道(间距400 m左右)内无砟轨道铺设已经完成，需要解决不同坐标系放样同一个点的实地位置是否一致，存在洞内、洞外铺轨中线实地能否平顺衔接的问题，如何解决铺轨中线平顺衔接问题。

2.5 轨道铺设分期建立精密控制网的影响分析

整个隧道按照贯通时间先后，贯通一段，铺设一段，共分为5个铺设段,需要建立5期精密控制网。已经贯通段落，由于隧道贯通误差不可避免，导致各个贯通面施工中线不在一条直线上。如果按照隧道设计理论中线铺轨，可能造成贯通面附近隧道建筑限界不够的问题，存在隧道中线与建筑限界是否与精测网匹配的问题。

未贯通段落若按照施工中线铺设无砟轨道， 由于隧道贯通误差大小在隧道贯通前不可预计，将导致与无砟轨道无法平顺衔接，甚至根本无法进行调整，可能引起工程修正、返工、甚至废弃，造成浪费和工期延误。

在现行规范中没有明确特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的方式方法，因此，如何确定铺轨理论中线，协调控制网、铺轨理论中线与隧道建筑限界匹配一致，与新铺段落与前段已铺无砟轨道、洞外线路平顺衔接，指导后续未贯通地段如何施工掘进，保障隧道准确贯通，实现轨道铺设的平顺性是实施本项目的关键性技术难题。

3 隧道提前铺设无砟轨道测量关键技术

上面分析了施工独立坐标系下隧道整体贯通前分期、分段铺设无砟轨道存在的问题，如何解决这些问题，成为本隧道实施无砟轨道铺设的关键测量技术。

3.1 施工独立控制网的可利用性分析技术

该隧道洞外没有建立CPⅠ,CPⅡ控制网，铺设无砟轨道的外部条件不具备，需要对控制网进行全面复测[13]，以此为依据对隧道施工独立控制网进行无砟轨道铺设可利用性分析评价。复测施工独立坐标系控制网成果按一点一方向进行二维平差，以获取各控制点的平面坐标，与常用的多点约束(2点以上)相比，此法没有引入基准点的微小变化误差，保持点间的相对位置精度，更能有效反映控制网的实际精度。

二维约束平差结果：控制点间的方向中误差最大0.87″， 最弱边边相对中误差高于1/201 000，施工独立控制网符合“高铁规范”中CPⅠ网的精度指标(方向中误差不大于1.3″、边长相对中误差1/180 000)的要求，能够满足无砟轨道铺设的精度要求，施工独立控制点可以作为洞内CPⅡ导线的起算基准。

3.2 施工独立坐标系长度投影变形分析技术

从控制坐标系长度投影变形的目的是保证边长观测值与坐标反算长度一致的理念出发，分析时采用实测边长(未改化)与约束平差值的差异变化量，评估施工独立坐标系长度投影变形对轨道施工的影响，作为评价判断施工独立坐标系的可利用性的依据。本隧道CPⅢ控制网的实测边长较差统计共217条边，边长较差统计情况见表1。

表1 隧道CPⅢ控制网实测边长投影变形分析统计

从表1中可以看出：施工独立坐标系边长变化量最大为1.92 mm，数值较小，施工放样时的边长控制在80 m以内，边长变化量小于1.86 mm，在无砟轨道自由设站建站完成后，可以满足CPⅢ控制点检测的坐标较差小于2 mm的限差要求，施工独立坐标系长度投影变形满足施工要求，施工独立控制网能够用于无砟轨道施工。

3.3 隧道实际中线及建筑限界的高精度联测技术

本隧道共分为5个铺设段落，各贯通面的贯通误差客观存在,各个段落施工中线不在一条直线上，如果按照隧道设计理论中线铺轨，可能产生隧道建筑限界不够的问题，为此，实测隧道实际中线，将实测中线按铁路既有线对待，进行隧道中线最小二乘拟合[14,15]。为保证中线的适宜性、安全性，必须制定完善的联测技术方案。

本隧道分中隧道钉设隧道实际中线点，采用与施工同精度方式测量隧道中线纳入CPⅡ控制网，采集高精度、可靠的隧道实际中线、隧道壁建筑限界数据，达到铺轨理论中线与隧道建筑限界匹配的目标。实施时，针对隧道各段落具体情况采取不同的方式测量：

1)隧道贯通地段，具备铺轨段落利用CPⅡ附合导线成果测量隧道中线；

2)隧道虽贯通，但不具备铺轨条件(无法埋设CPⅡ)段落，建立与CPⅡ同精度的临时附合导线测量隧道中线；

3)隧道未贯通的正在施工掘进段落，已衬砌段落，从斜井、正线交叉处附近的附合导线点向未贯通方向测量2个～3个中线点，不设转点，以保证隧道实际中线精度。

3.4 洞外线路中线纳入洞内中线整体拟合技术

洞内、洞外采用不同坐标系施工，用洞外线路控制网实放钉设线路中线点后，以控制测量相应精度将中线点联测纳入独立坐标系。即洞外线路中线点采用纳入GPS控制(复测)网法，进行整体平差，获取高精度中线成果，作为铺轨理论中线基准拟合合理性评价依据，以达到洞内、外铺轨基准一致。

3.5 基于建筑限界满足要求的拟合隧道中线技术

隧道开始无砟轨道铺设时，尚有2个贯通面在进行隧道掘进，没有贯通。

隧道施工采用4个斜井，多个开挖断面施工，由于各贯通面处存在贯通误差，已经贯通的各个段落的隧道中线不在一条直线上，按隧道设计理论中线铺轨，可能造成隧道建筑限界不够的现象。

本隧道在分期、分段铺轨前，首先进行控制网整体复测、建立铺轨控制网。高精度实测洞内、洞外中线、建筑限界控制点，将洞内、洞外融为一体，以基于横向偏差不影响隧道建筑限界为原则的最小二乘拟合法，采用既有线勘测设计一体化处理系统[15-17]软件计算并控制横向偏差、隧道建筑限界，拟合隧道中线确定合理的铺轨理论中线。

中线拟合比较表明：铺轨曲线偏角与设计偏角差异很小(在1″以内)，与设计偏角基本一致，测点最大横向偏差在5 cm以内，铺轨理论中线能够满足建筑限界要求。

为满足施工进度需求，要求在已贯通段落提前铺设无砟轨道，则需要核查隧道已贯通段落施工中线是否满足隧道建筑限界要求，预估未贯通处的横向误差大小，确定出一条铺轨中线，并同时用于指导隧道后续施工掘进，采用拟合后的中线(铺轨中线)进行测量导向，使后贯通段落的中线与已铺轨段落的中线一致。

4 结语

为保证特长隧道施工进度，针对隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的施工组织方案，本工程采用了基于隧道施工独立坐标系的无砟轨道铺设可利用性分析技术、控制施工放样长度、边长实测值与平差值差异变化量法的长度投影变形分析技术、隧道实际中线的高精度联测技术、洞外线路铺轨中线联测纳入洞内隧道中线拟合法技术、基于满足隧道建筑限界为原则的拟合隧道中线技术，确定合理的铺轨理论中线，隧道未贯通段落施工掘进以拟合后的铺轨理论中线进行测量导向，有效保证了后续贯通段落的中线与已铺轨段落的中线一致。

该隧道在2015年12月25日按期通车运营，缩短工期2个月左右，社会、技术经济效益十分显著，工程实践效果良好。

由于精测网存在长度变形残余系统误差，加上在CPⅠ,CPⅡ下加密的施工控制网为分期网，隐含点位变化误差，以加密的施工控制网作为隧道进洞依据,不利于隧道准确贯通。而按中线轴线法，以洞口投点建立施工独立坐标系可以有效避免上述问题,确保隧道准确贯通[5]。

通过该隧道的工程实践，尝试探索出了一套基于隧道施工独立坐标系、隧道未贯通提前铺设无砟轨道的控制测量技术方法，表明这种施工测量方法具有科学性、实用性。本文提供的轨道铺设理论中线确定方法，可作为路内外其他项目特长隧道提前进行轨道铺设提供借鉴参考，为规范中修订提供技术支撑。