铁８２ 道建筑 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 文章编号：１００３—１９９５（２０１２）０５—００８２—０３ 武夷山特长隧道横向贯通误差浅析 洪淮斌 （中铁二十四局集团福建公司，福建福卅Ｉ ３５００１３） 摘要：结合武夷山特长隧道施工控制测量，分别从基准面选取、隧道施工控制网与线路控制网匹配方法、 洞内导线网平差方法以及斜井段导线边测量精度等几个方面，详细分析了隧道横向贯通误差偏大的原 因，并进行了计算验证。 关键词：特长隧道 横向贯通误差分析 基准面高程 控制网匹配 中图分类号：Ｕ４５２．１ ３文献标识码：Ａ 法布设二等ＧＰＳ网，以满足施工测量放样以及洞内控 １ 工程概况 武夷山隧道是向（塘）莆（田）铁路穿越武夷山脉 的一座特长隧道，位于福建省建宁县和江西省黎川县 境内，隧道全长１４．６５９ ｋｍ，设计行车速度２５０ ｋｍ／ｈ， 为高速铁路双线曲线隧道。全隧共设三座施工辅助坑 道——李家斜井（１ ０９７．５１ ｍ）、坊上斜井（１ ６０１．７４ 制测量的要求。施工控制网外业观测采用４台（套） Ｔｒｉｍｂｌｅ ５７００双频ＧＰＳ接收机，内业计算采用随机软 件ＴＧＯ进行基线解算、采用武测科傻ＧＰＳ数据处理 系统进行网平差。坐标系统转换时，在隧道进、出口 各选取一个ＣＰＩ点作为约束条件进行二维网约束平 差，求得施工坐标系坐标。平差后的进洞定向边精 度、控制网对贯通误差影响值均满足规范和测量设 计要求，如表１。 ２）洞内平面控制网：采用三等精密导线环，每个 导线环由４～６条边构成，隧道贯通后实测导线边长 ２４５～４１８ ｍ，平均边长２９２．８ ｍ。外业测量采用 ｍ）和下村斜井（１ ３６８．３６ ＩＴＩ）。 ２ 施工控制测量及隧道实际贯通精度 ２．１平面控制测量 Ｔｒｉｍｂｌｅ ｓ６自动锁定型高精度全站仪自动观测，测距 边经气象、仪器常数和长度归算等三项改正，平差计算 采用铁路测量传统的简化平差方法——多边形平差法 的解析法 。 １）洞外平面控制网。设计单位为该隧道提供了８ 个ＣＰＩ点，经分析能够满足隧道施工测量的精度要求， 因此，洞外平面施工控制网采取直接加密ＣＰＩ网的方 表１各项误差影响值 ２．２ 隧道实测贯通误差 从铁路测量规范的角度，隧道横向贯通误差远小 于规定的限值１３ ｃｍ ，但是，从专业测量人员的角 度，作者认为贯通误差偏大，与控制测量设计值存在较 大偏差。 下村斜井与隧道出口问的贯通面实测横向误差 ６．３ ｃｍ（贯通长度５．６ ｋｍ），下村斜井与隧道进口（坊 上斜井）间的贯通面实测横向误差５．２ ｃｍ（贯通长度 ５．９ ｋｍ）。 ３贯通误差偏大的原因探析 作者简介： 加 ；修回日 ： ：洪淮斌（ １９７３ ３ －２ ０ －、），男，福建南安人，高级工程师。 影响隧道横向贯通误差的因素有很多，根据武夷……………………………～ ２０１２年第５期 武夷山特长隧道横向贯通误差浅析 ８３ 山隧道施工控制测量分析，基准面选取和洞内（外）施 工控制网平差方法为主要影响因素。下面以下村斜井 ～隧道出口间贯通导线测量资料为对象进行分析和 探讨。 ３．１ 基准面高程的影响分析 武夷山隧道实际中心概略经度１１６。４８ ４８”，隧道 平均高程３１５．３５ ｍ，顾及贯通面设计高程的平均高程 为３ｌ４．７５ ｍ。 在确定隧道平面控制网坐标系时，经过分析验证， 直接采用设计单位提供的ＣＰＩ网坐标系统——高斯投 影任意带１９５４年北京坐标系，中央子午线经度为 １１６。４５ ，基准面大地高３５５ １ＴＩ，高程异常＋５５ ｍ。但这 并非该隧道的最佳坐标系。 隧道施工测量主要围绕贯通点，与水准测量路线 类似，它应在基准面计算中占一定权重。因此，隧道施 工坐标系最佳投影面（基准面）宜顾及各贯通点高程， 资料表明，这可使洞内导线边长度归算改正值的残余 量最小 。 。 基准面水准高程由原测采用的３００ ｍ改为最佳基 准面３ｌ４．７５ ｉｎ，计算各导线边的归算长度，保持起算 点、平差方法等不变，重新计算贯通点坐标，结果如表 ２。从计算结果看，隧道横向贯通误差由实测的６３ ｍｍ 变为５７ ｍｍ，减小６ ｍｍ；同时，纵向贯通误差也由实测 的７２ ｍｍ变为５２ ｉｉ＇ｌｍ，减小２０ ｍｍ。可见，基准面的选 取对隧道贯通误差影响较为明显。 表２贯通点坐标 ３．２ 隧道独立控制网与线路控制网匹配的影响分析 ＣＰＩ网（高速铁路基础平面控制网）是全线平面网 的起闭基准，而为长大隧道施工建立的独立控制网既 要保证隧道精确贯通，又要保持与全线控制网相吻合， 保证线路的平顺性，这二者之间必然存在一个匹配度 的选择问题。铁路测量通常的做法是联测若干公共 点，通过坐标转换或约束等实现控制网尽可能吻合。 隧道施工建网时，ＧＰＳ接收机、基线解算软件、网 平差软件使单基线解算结果质量可靠，质量统计如表 ３；三维无约束平差后的单位权中误差０．４２２ ｅｌＴｌ，最弱 点ＣＰ１ ０４８中误差０．５２ ｃｍ，最弱边ＣＰ１ ０６３～ＸＪ一０相 对中误差１／２１９ ０００，以上结果表明该ＧＰＳ网具有很 高的精度。为了与ＣＰＩ网相匹配，二维约束平差分别 采用“两点约束”（ＣＰ１ ０４８、ＣＰ１ ０６５）和“一点一方向” （ＣＰ１ ０６５、ＣＰ１ ０６５一ＣＰ１ ０４８），比较两种平差结果，全 隧边长较差７９ ｍｍ（尺度差５ ｒａｍ／ｋｉｎ），横向较差４８ ｍｍ，优于规范规定的投影变形限值。因此，考虑与相 邻构筑物衔接以及无砟轨道线形精度，现场测量选择 “两点约束”的平差结果。 表３单基线解算结果 “两点约束”平差难免给施工控制网带入ＣＰＩ网 的整网误差（ＣＰＩ网为全线统一平差后再分段投影）， 可能影响控制网的精度，甚至是贯通精度。为此，分别 以两种平差结果作为洞内导线起算数据，其余条件均 不变，重新计算贯通点坐标，结果如表４。从计算结果 看，隧道横向贯通误差变为５５ ｌｎｔｎ，减小８ ｍｍ。 表４重新计算贯通点坐标 分析认为，该隧道原测ＣＰＩ点的精度能满足施工 测量要求，但由于测量仪器、观测环境、平差方法、约束 条件、平差模型等不同，以及整网平差带来的误差等因 素，直接加密ＣＰＩ网的方法给隧道贯通精度带来一定 影响；“一点一方向”约束平差在满足与线路控制网相 匹配的基础上，很好地保持了ＧＰＳ网较高的内符合精 度，可提高隧道贯通精度。 ３．３洞内平面控制网平差方法的影响分析 洞内控制网采用导线环的形式布设，平差计算采 用《铁路测量手册》中推荐的“多边形平差法的解析 法”” ，即按系数平差原理同时考虑导线环中各条路 线不同的权，按条件平差原理列出角度闭合差的法方 程式，解法方程求得联系数，从而算得各环路上导线角 的改正值。坐标增量平差方法与角度平差方法相同， 假设各边等权，法方程式系数等于边数。 这种平差方法存在不足：①边角分别平差计算，是 一种简化计算；②边角分别单独定权，假定角度等权， 角度闭合差平均分配到各内角上；假定各边等权，法方 程式系数直接取导线环边数，虽然洞内控制网导线边 长相差较小，但全网边长极差１７３ ｍ，极值比１：１．７，且 由于各边高差不同（斜井坡度达８％）、洞内观测条件 不尽相同，因此不可能等权；③相邻角（边）改正数计 算方法不严密，相邻角（边）改正数除分配本环闭合差 外，还考虑了相邻环闭合差改正数的一部分，闭合差是 铁道建筑 多个角（边）误差的集中体现，在一个角（边）上改正存 在着理想的近似。而相邻边是导线环传递坐标的唯一 和关键，这必然使误差不断积累并传递。 经比选，使用武测科傻系统——“现代测量控制 网测量数据处理通用软件包”对贯通导线环重新进行 严密平差，结果如表５。从平差结果看，两段贯通导线 网均达到三等精密导线的精度，隧道纵向、横向贯通误 差分别为３７ ｍｍ和３０ ｍｍ，贯通精度极大地提高。由 此可见，采用严密平差，边角定权、误差分配更加合理， 平差模型更严密，有力地保证了导线网的精度。 表５贯通导线环重新平差 ３．４斜井段导线边测距精度的影响分析 本次洞内导线网外业测量采用Ｔｒｉｍｂｌｅ Ｓ６全站仪 自动观测，当竖直角较大时该仪器的测距精度不稳定。 武夷山隧道下村斜井设计综合坡度达８％，导线边的 隧道横向贯通误差上，这从斜井与正洞联系点ＸＤＸ１２ 的多次测量结果（表７）就可看出。 表６洞内导线网测距边观测精度统计 竖直角＞４。，洞内导线网测距边观测精度统计结果如 表６。从表６中可知，当竖直角较大时，往返测高差较 差、平距较差均偏大，而这些导线边均分布在下村斜井 段（与隧道正洞垂直），边长累积误差最终集中反应到 表７斜井与正洞联系点ＸＤＸ１２的多次测量结果 注：表中第２～５次测量结果只列坐标值的小数部分。 施工辅助坑道，此时应特别注意边长测距精度对贯通 ４ 结束语 影响长大隧道横向贯通精度的因素很多，通过向 莆铁路武夷山特长隧道施工控制测量的分析，得出如 下结论：①导线环作为长大隧道洞内平面控制网是经 误差的影响。斜井段施工控制网外业观测宜一次性完 成，测量期间避免重车通行，保证点位的稳定以及导线 边的测距精度。 参 考 文 献 济可行的，平差计算建议采用严密平差，解析法的简化 平差方法最好只用于中长隧道或者短隧道控制导线 ［１］铁道部第二勘测设计院．铁路测量手册［Ｍ］．北京：中国铁 道出版社，１９９７：４１５—４２３． 网；②基准面的选取可影响隧道贯通精度，长大隧道宜 建立独立施工坐标系，计算基准面高程时，建议顾及各 ［２］乔连军．三维精确定位系统在京哈线的应用［Ｊ］．铁道建筑， ２０１１（４）：１２７．１２９． 贯通点高程；③洞外ＧＰＳ施工控制网平差计算时，宜 选取“一点一方向”的最少约束条件，既保证与线路控 制网、相邻构筑物相吻合，又可保持ＧＰＳ网较高的内 符合精度；④一般情况下，洞内导线多为直伸状，测角 精度对横向贯通误差影响较大，测距精度往往被忽略。 但长大隧道一般采取“长洞短打”，大多设计了斜井等 ［３］洪淮斌．ＧＰＳ技术在高铁长隧道控制测量中的应用［Ｊ］．建 筑，２０１２（３）：５８—６０． ［４］王化光，尹紫红．超短基线方向测量研究［Ｊ］．铁道建筑， ２０１１（４）：１３０—１３３． ［５］中华人民共和国铁道部．ＴＢ １０６０１—２ｏ０９ 高速铁路工程 测量规范［ｓ］．北京：中国铁道出版社，１９９７． （责任审编 王红）