1、淺談隧道施工控制網的布設與精度1前 言隧道是修建在地下或水下并鋪設鐵路供機車動車輛通行的建筑物。為縮短距離和避免大坡道而從山嶺或丘陵下穿越的稱為山嶺隧道；為穿越河流或海峽而從河下或海底通過的稱為水下隧道；為適應鐵路通過大城市的需要而在城市地下穿越的稱為城市隧道，這三類隧道中修建最多的是山嶺隧道。中國于18871889年在臺灣省臺北至基隆窄軌鐵路上修建的獅球嶺隧道，是中國的第一座鐵路隧道,長261米。此后，又在京漢、中東、正太等鐵路修建了一些隧道。京張鐵路關溝段修建的4座隧道,是用中國自己技術力量修建的第一批鐵路隧道。隧道施工測量的主要任務是保證對向開挖的隧道能按照規(guī)定的精度貫通并使各建筑物按照

2、設計的位置修建；放樣過程中儀器所標出的方向距離都是依據(jù)控制網和圖紙上設計的建筑物計算出來的，因而在施工放樣之前需建立具有必要精度的施工控制網。2隧道概述2.1簡介隧道隧道是指修建在地層中的地下工程建筑物。它被廣泛用于公路、鐵路、礦山、水利、市政和國防等方面。在高等公路建設中，為了滿足技術標準，克服地形和高程上的障礙，改善公路的平面線形、提高車速、減少對植被的破壞、保護生態(tài)環(huán)境，避免山區(qū)公路的各種病害(如落石、坍方、雪崩、泥石流等)，常常需修建隧道。修建隧道既能保證線路平順，行車安全，提高舒適性和節(jié)省運費，又能增加隱蔽性，提高防護能力和不受氣候影響。2.2隧道分類鐵路隧道：500m以下為短隧道，

3、5003000m中隧道，300010000m長隧道，10000m 特長隧道公路隧道：500m以下為短隧道，5001000m為中隧道，10003000m為長隧道，3000m以上為特長隧道3介紹施工控制網3.1施工控制網的特點工程施工中的測量工作與其他的一般測量工作不同，它要求與施工進度配合及時，滿足施工的需要。我們原有的測圖控制網在布點和施測精度方面主要考慮滿足測繪大比例尺地形圖的需要，不可能考慮將來建筑物的分布及施工放樣對點位的布設要求。因此，在施工期間，這些測量控制點大部分會遭受破壞，即使被保留下來的，也往往不能通視，無法滿足施工測量的需要。而施工控制網是為工程建筑物的施工放樣提供控制，其點

4、位，密度以及精度取決于建筑物的性質。施工控制網與國家或城市控制網相比較，其最大的不同是：在精度上并不遵循“由高級到低級”的原則。施工控制網具有控制范圍小，控制點的密度大，精度要求高，使用頻繁，受施工干擾大等特點。（一）控制范圍小，控制點密度大在勘測階段，建筑物的位置還沒有最后確定下來，通過勘測進行幾個方案的比較，最后選出一個最佳方案。因此，勘測時測量的范圍較大，往往是工程建筑物實際范圍的幾倍到十幾倍。而在施工階段，工程建筑物的位置已經確定，施工控制網的服務對象非常明確。所以，施工控制網的范圍比測圖控制網的范圍小得多。（二）精度要求高施工控制網主要用于放樣建筑物的軸線，有時也用于放樣建筑物的輪廓

5、點，這些軸線和輪廓點都有一定的精度要求。施工控制網的精度遠高于廁圖控制網的精度。這樣高精度的控制網，要求圖形堅強，有足夠的多余觀測，在電磁波測距儀和電子計算機廣泛應用的條件下，邊角網是建立施工控制網的一種好方案。（三）使用頻繁施工測量貫穿于施工過程的始終，工程建筑物往往在不同高度上具有不同的形狀和尺寸。施工中需要隨時進行放樣或檢查其位置，在一個控制點上往往需要放樣幾十次甚至上百次。例如在橋梁建設中，隨著橋梁墩臺澆筑的升高，在施工的不同過程和不同高度上，需要在控制點上進行多次放樣。可見，施工控制點較測圖控制點使用頻繁。這就要求施工控制點穩(wěn)定可靠，使用方便，在整個施工期間避免施工干擾和破壞，必要時

6、可在控制點上設立觀測墩，并設置固定的定向標志。（四）受施工干擾大在施工場地上，施工人員來來往往，各種施工機械和運輸車輛（如吊車，汽車等）川流不息，施工臨時建筑物很多，這就給施工測量帶來很多困難，經常造成視線不通視。特別是現(xiàn)代化施工，常常采用交叉作業(yè)方法，工地上各種建筑物的高度相差和懸殊，這都將影響控制點的通視。因此，不僅要求控制點要分布合理，而且要求控制點要有足夠的密度，以便在施工放樣中有充分選擇控制點的余地。3.2施工控制網分類施工控制網分為高程和平面控制網。高程控制網采用水準網，為用各種等級的水準測量測定施工場地上的一系列水準點和其他高程控制點的高程，其密度要求安防一站水準儀即能測設所需要

7、放樣點的高程。平面控制網可以布設成三角網、導線網、GPS控制網，建筑方格網等式。 三角網 對于地勢起伏較大，通視條件較好的施工場地，可采用三角 導線網 對于地勢平坦，通視又比較困難的施工場地，可采用導線網。 GPS網 無需通視，所以布網限制條件較少，網形精度較高。 建筑方格網 對于建筑物多為矩形且布置比較規(guī)則和密集的施工場地，可采用建筑方格網。平面控制網的布置形式隨工程建筑物的種類而有所不同，例如大型橋梁施工控制網、隧道施工控制網、水利樞紐中的大壩施工控制網、大型工廠企業(yè)施工控制網等。3.3施工控制網布設原則1分級布設，逐級控制； 2 應有足夠的精度； 3 應有足夠的密度； 4 應有統(tǒng)一的規(guī)格

8、；3.4施工控制網的精度施工測量的主要任務是放樣，而放樣的依據(jù)是施工控制網，所以施工控制網精度的確定，應從保證放樣的精度要求來考慮。而由于各種網形的測量儀器誤差，布網方式等存在差異，所以實際誤差要求也不盡相同。如下面表格分別介紹了三角網，導線網，和建筑方格網的主要技術要求。1三角網表 1 三角網的主要技術要求2導線網表 2 導線網的主要技術要求3 GPS網表3 GPS網的技術要求4建筑方格網表4 建筑方格網的主要技術要求4隧道施工控制網的布設4.1隧道工程施工的特點隧道工程施工，是一個復雜的系統(tǒng)工程，其特點是除洞口和洞門是在露天施工外，其余各項工程都在地下進行施工作業(yè)。由于它空間有限，工作面狹

9、小，光線暗，勞動條件差，施工難度較大。而長隧道的施工需要通過豎向或側向的通道（豎井、斜井、平峒）增加工作面，加快施工進度。很多工作面同時施工時，測量人員應保證隧道最后正確貫通。4.2隧道施工測量的主要任務隧道施工測量的主要任務是保證對向開挖的隧道能按照規(guī)定的精度貫通并使各建筑物按照設計的位置修建;放樣過程中儀器所標出的方向距離都是依據(jù)控制網和圖紙上設計的建筑物計算出來的.因而在施工放樣之前需建立具有必要精度的施工控制網.4.3隧道地面控制網的布設隧道施工控制網的地面部分用以確定洞口點，豎井的近井點和方向照準點之間的相對位置，作為洞內控制網的真實數(shù)據(jù)。網的圖形向隧道軸線方向延伸，布網形式常采用以

10、下幾種形式：1狹長的三角網2邊角混合網或環(huán)形導線網3 GPS控制網等但由于當今，鐵路、公路都在高速發(fā)展，而且線路長和直是其特點，因此大量建筑長隧道也在所難免，傳統(tǒng)的隧道控制測量方法費事和速度慢，而用于需要大量進行洞口區(qū)域連測的隧道測量卻可以縮短工期獲得很高的效益，同時能夠保證隧道貫通的精度和建筑物的精度。例如在我國晉南的云臺山隧道，全長8.1公里，施測了GPS控制網,同地面控制網的坐標比較,較差小于10mm:又如奧地利在一條6公里長的公路隧道上,為了與地面測量比較,又用了GPS重測了ROPPEN隧道網,結果與地面網比較坐標互差為16mm:此外,日本山梨大隧道35公里,英吉利海峽大隧道,也都施測

11、了GPS控制網.因此現(xiàn)在一般都采用GPS控制網。4.4隧道洞內控制網的布設隧道洞內狹長形狀的空間使洞內控制網的設計沒有選擇的余地，只能采用支導線的形式。為了進行檢核,一般布設兩個等級的導線。在掘進的同時首先布設施工導線,為掘進指明方向,為其他施工提供依據(jù)；當隧道掘進至12km時，布設邊長較長的,具有較高精度的主導線，用于檢核及修正施工導線。隧道在曲線部分時,可以跳站觀測，構成跳點,最后在新點處交會,它不但能使測量數(shù)據(jù)有足夠的可靠性,還可以提高導線的精度。5 隧道GPS控制網5.1 GPS定位作業(yè)模式GPS定位作業(yè)模式可按照基準點的不同分為絕對定位模式和相對定位模式。絕對定位是相對于GPS坐標系

12、統(tǒng)（如WGS-84系）而言的，其觀測值結果為三維坐標X,Y,Z；而相對定位是測站相對于某一點的定位，其觀測值結果為GPS坐標系下的基線向量（三維坐標差）；又可根據(jù)定位觀測過程中天線所處狀態(tài)（運動或靜止）劃分為動態(tài)定位或靜態(tài)定位。動態(tài)定位時觀測天線處于運動中，定位結果實時計算輸出或顯示，但定位精度較靜態(tài)低；靜態(tài)定位在觀測過程中，GPS接收機天線位置是不動的，其觀測數(shù)據(jù)離線后處理，后獲取定位結果。5.2 GPS測量特點1 GPS測量定位是借助于后方距離空間交會原理定位。進行精密控制測量至少需要使用3臺或以上GPS接收機進行同步觀測4顆或以上衛(wèi)星，通過實時或后處理觀測數(shù)據(jù)獲取定位結果。2 具有實時絕

13、對定位和實時相對定位特點。用于隧道控制因為其相對精度高和可靠性高的要求，故予采用GPS靜態(tài)相對定位方法實施。3 控制點間無需通視?？芍苯影阉淼纼啥纯谕饵c聯(lián)系起來，從而大大減少地面控制點的數(shù)量。4 GPS定位相對精度高，尤其采用較長長度（1000m）測量基線邊構成的控制網。 5 全天候作業(yè)。自動化程度高，作業(yè)簡便。速度快。6 控制網的圖形結果簡單，相應地觀測工作量較常規(guī)測量手段大為減少。7 因5、6特點，可大幅度縮短測量生產工期，提高經濟效益。5.3 GPS網形分類GPS網的圖形設計主要取決于用戶的要求、經費、時間、人力和儀器等條件。根據(jù)用途的不同，GPS網的圖形可設計為點連式，邊連式、網連式和

14、邊點混連四種。1點連式點連式是指相鄰同步圖形之間僅有一個公共點的連接。這種方式布點所構成的圖形幾何強度很弱，沒有或極少有非同步圖形閉合條件，一般不單獨使用，多是和邊連式一起使用。2邊連式邊連式是指同步圖形之間由一條公共基線連接。這種布網方案，網的幾何強度較高有較多的復測邊和非同步圖形閉合條件。在相同的儀器臺數(shù)條件下，觀測時段數(shù)將比點連式大大增加。這種布網方式在網點數(shù)較少，對于精度要求較高的情況下，如水庫施工測量，高等級的城區(qū)控制網測量等，都可以采用這種布網方式。3網連式網連式是指相鄰同步圖形之間有兩個以上的公共點相連接，這種方法需要4臺以上的接收機。這種布圖方法的幾何強度和可靠性指標相當高，但

15、花費的經費和時間較多，一般僅用于高精度的控制測量，在一般的測量工作中不建議采用。4邊點混連式邊點混連是指把點連式和邊連式有機的結合起來，組成GPS網，既能保證網的幾何強度，提高網的可靠指標，又能減少外業(yè)工作量，降低成本，是一種較為理想的布網方法。5.4 GPS的基準設計GPS測量的直接觀測量不是測點間的邊長和角度，且其直接觀測成果是屬于WGS-84系下的，施工實用的坐標系統(tǒng)一般為地方坐標系的坐標值，因此，GPS網平差后需要把GPS網成果轉化為地方坐標系中的坐標成果。GPS網應明確其所用位置基準（起算點坐標）、方位基準（已知邊方位角）和尺度基準（已知邊距離及統(tǒng)一的距離度量單位），且同測區(qū)實際相符

16、。5.5隧道控制測量坐標系統(tǒng)可以是國家高斯平面坐標系統(tǒng)（如北京54，西安80等）或任意經度的中央子午線高斯平面坐標系統(tǒng)，但一般仍較多采用獨立坐標系統(tǒng)。通常規(guī)測量網一樣為了施工方便，常以隧道主軸線進口至出口方向為X軸正向，隧道的某一線路中線里程為X坐標系統(tǒng)起算值，右旋90°確立Y坐標軸，坐標原點處。坐標值可以為正常數(shù)，也可以為0。取隧道設計路面的平均高程為坐標系統(tǒng)投影面。5.6 GPS控制網的精度設計隧道測量最終的要求是保證相向開挖的隧道正確貫通 ,因此，GPS網的設計也必須滿足這一要求。5.6.1坑口控制點的精度按隧道規(guī)范規(guī)定:當隧道長 L 4 km,其橫向貫通誤差的限差應 10 c

17、m,即中誤差 m ±5 cm;當隧道長 48 km 時,其橫向限差應 15 cm, m ±7. 5 cm;當 L > 8 km 時,限差還可放寬一些。顯然,貫通誤差是由洞外控制測量誤差與洞內導線測量誤差所引起。因此,其橫向貫通中誤差 m的計算式為2 （1） m=m12+m2（1）式中: m1為洞內導線的測量誤差, m2為坑口控制點誤差。技術參數(shù)如表5 2表5 技術參數(shù)5.6.2 GPS控制網的精度無論GPS網取什么形狀，最終都應達到隧道貫通對坑口控制點的精度要求，為此目的，可將坑口控制點的坐標精度m2，用GPS的觀測精度用m0表示之：m2=±m式中，m0GP

18、S接收機的測量誤差，由儀器的性能所決定；Q設計的GPS網的圖形強度，由網的幾何形狀所決定，或由GPS網矢量的協(xié)方差矩陣求得。因此，m0用GPS接收機的標稱精度表示，即m0=±(a+b.ppm.S)為了實現(xiàn)隧道網的布設和精度設計，可以根據(jù)隧道總長度和測區(qū)地形及各坑口的初步位置，以不同邊長模擬幾種GPS測量網的方案，根據(jù)圖形和他的GPS矢量的協(xié)方差矩陣解求Q值，并求出坑口控制點的精度，選擇既滿足精度m2±20mm又具有高效率的網作為優(yōu)化方案。為保證觀測值成果精度及質量可靠性，GPS工程網選點及布網需要遵循如下原則： 當利用城市已有控制點時，應檢查該點的穩(wěn)定性及完好性。 地面上的

19、控制點應選在利于保存、施測方便的地方。控制點上應視野開闊，并避開多路徑效應的影響，在1015高度角以上不能有成片的障礙物。控制點應遠離高壓輸電線和無線電發(fā)射裝置，其間距分別不小于50和200。 控制點應埋設牢固并應繪制點之記。 GPS控制網的布設應滿足的要求 控制網由隧道各開挖口德控制點點群組成，每個開挖口至少應布測4個控制點。GPS定位點之間，一般不要求通視，但不設同一洞口控制點時，考慮到用常規(guī)測量方法檢測，加密或恢復的需要，應當通視。 基線最長不宜超過30km，最短不宜短于300m。 每個控制點有3個或3個以上的邊與其連接，極個別的點才允許由兩個邊連接。 點位上空視野開闊，保證至少能接受到

20、4顆衛(wèi)星的信號。測站附近不應有對電磁波有強烈吸收或反射影響的金屬及其它物體。 各開挖口德控制點及洞口投點高差不宜過大，盡量減小垂涎偏差的影響。 GPS控制網內應重合個原有城市二等控制點或在城市里的國家一、二等控制點。除地GPS控制網內短邊未知點構網觀測外，還應包括重合點在內，對控制網內構成長邊圖形觀測，這種長邊圖形，宜為重疊的大地四邊形或中點多形。 GPS控制網必須由非同步獨立觀測邊構成閉合環(huán)或附合路線（按長邊和短邊分別連接），每個閉合環(huán)或附合路線中的邊數(shù)應符合本規(guī)范表6規(guī)定。表6 PS控制測量作業(yè)的基本技術要求6 隧道導線控制網導線測量布設簡單，每點僅需與前后兩點通視，選點方便，特別是在隱蔽

21、地區(qū)和建筑物多而通視困難的地區(qū)，應用起來方便靈活。因此導線網是目前工測控制網較常用的一種布設形式，它包括單一導線和具有一個或多個結點的導線網。網中的觀測值是角度（或方向）和邊長。獨立導線網的起算數(shù)據(jù)是：一個起算點的x,y坐標和一個方向的方位角。但是，導線測量因其選點、觀測、記錄、錄入、平差等各個環(huán)節(jié)對導線精度均有影響。所以在導線測量的準備階段就要把精度控制放在首位，所以測量過程中工作量比較大，工期比較長。在隧道洞內狹長形狀的空間使洞內控制網的設計沒有選擇的余地，只能采用支導線的形式。為了檢核，一般布設兩個等級的導線。在掘進的同時首先布設施工導線，為掘進指明方向，為其他施工提供依據(jù)；當隧道掘進至

22、大約12km時，布設邊長較長的，具有較高精度的主導線，用于檢核及修正施工導線。6.1選點注意事項（1）導線點選在土質堅硬、穩(wěn)定的地方，以便于保存點的標志和安置儀器。（2）導線點選在地勢較高，視野開闊的地方，以刞于進行碎部測量或加密以及施工放樣。（3）導線各邊的長度應按規(guī)范規(guī)定盡是接近平均邊長，且不同導線各邊長不應相差過大。導線點的數(shù)量要足夠，以便控制整修測區(qū)。（4）相鄰導線間要通視。（5）所選的導線間必須滿足超越（或遠離）障礙物1.3米以上。（6）路線平面控制點的位置應沿路線布設，距路中心的位置大于50M且小于300M，同時應便于測角、測距、及地形測量和定線放樣。（7）在橋梁和隧道處，應考慮橋

23、隧布設控制網的要求，在大型構造物的兩側應分別布設一對平面控制點。（8）充分利用舊有控制點。6.2導線網的布設應符合下列規(guī)定：（1） 導線網用作測區(qū)的首級控制時，應布設成環(huán)形網，且宜聯(lián)測2 個已知方向。（2） 加密網可采用單一附合導線或結點導線網形式。（3） 結點間或結點與已知點間的導線段宜布設成直伸形狀，相鄰邊長不宜相差過大，網內不同環(huán)節(jié)上的點也不宜相距過近。7 GPS控制網與常規(guī)導線網比較7.1簡介長梁山隧道及控制網布設本文通過長梁山隧道來比較GPS控制網和常規(guī)導線網在隧道控制中的應用。長梁山隧道是一長約13km的直線隧道位于山西省朔黃鐵路線上，是目前我國較長的鐵路隧道之一 ，在隧道進出口間

24、布設有四個斜井，以提高施工進度和質量.在定測的基礎上于實地標定進出口及各斜井進洞控制點位,然后布設隧道洞外控制網。在滿足工程需要的前提下為開展GPS與常規(guī)測量的比較研究，長梁山隧道洞外平面控制采用了GPS和常規(guī)精密導線網同時進行。常規(guī)導線首先布設了二條并行主導線，角度按二等導線的精度觀測12測回，測角中誤差為1，由于要顧及到斜井插網觀測的方便并受地形的限制，導線邊長較短，平均邊長在1km左右，邊長觀測的精度為3mm+2ppm，主導線共有28個點。斜井各控制點均連到主導線上，構成插網，插網邊長比主導線短，角度觀測9個測回，測角中誤差為1.5，邊長精度為3mm+2ppm，除利用主導線個別點外，斜井

25、控制點另外有10個，整個導線網共有38個點，如圖1所示。圖1 導線網略圖GPS測量由于無需通視，因此只需布設個洞口直接服務于進洞測量的點位，每個洞口有三到四個點，形成了由23個點組成的隧道GPS網，如圖2所示。圖2 GPS網點位分布圖GPS網中各洞口點間的相互基線均有相互獨立的觀測值，相鄰洞口的獨立基線不少于4條，進口與出口也進行了直接聯(lián)測，以分析GPS在長隧道控制測量中的應用能力。觀測時采用4臺Leica 200GPS接收機，選擇良好的觀測窗口，對于相鄰洞口及同一洞口內的基線觀測一個時段，每時段1.5小時，對于進出口見得長基線，觀測兩個時段，每時段2小時。7.2導線網及GPS網外業(yè)成果的檢核

26、以進出口地平均高程為投影面，進口位于中線的控制點1為坐標原點，進口1到出口26主軸線方向為x軸正向，順時針轉90°為y軸正向建立隧道施工工程坐標系，投影面的大地高程為1407m，不同高度的邊長加入高程改正后改化到橢球面，以過原點的子午線為中央子午線。方向觀測值直接做為高斯面上的方向。導線網構成15個獨立閉合環(huán)，其相對閉合差最低達到20萬分之一，可見其精度較高。 GPS網選用相互獨立的基線構成36個獨立閉合環(huán)，由不同洞口點構成的閉合環(huán)其環(huán)的長度相對于由相同洞口點組成的環(huán)的長度要長，此類閉合環(huán)的結果統(tǒng)計如表7由各洞口內部點間構成的閉合環(huán)統(tǒng)計如表8從兩類閉合環(huán)統(tǒng)計結果可以看出GPS網外業(yè)觀

27、測結果是可靠的。表7 不同洞口點構成閉合環(huán)結果統(tǒng)計表8 內部點構成閉合環(huán)統(tǒng)計結果7.3導線網與GPS網觀測成果的比較分析7.3.1進洞方位值的比較進洞方位值直接影響到貫通的精度，表九是上述兩種方法的進洞方位值之差值。從表9見：兩者的差值較小，若按直線隧道對進洞方位精度的要求，將兩者之差取22為極限誤差，則所有的方位差值均能滿足鐵路測量規(guī)則的要求。7.3.2 橫向貫通誤差比較設進出口間無中間開挖面，直接貫通，貫通面位于中間，利用文獻（1）中的模型可以計算兩種方法以不同的進洞方向觀測其貫通誤差見表10表9 GPS與導線網進洞方位角之差值表10 進出口間長隧道GPS與導線網的貫通精度 若中間有斜井1、3、4、5，則把隧道分成5段，每段以不同的方位邊測量其貫通中誤差見表11表11 鄰開挖面GPS與導線網的貫通精度從表9、表10可以看出，無論長短隧道GPS網的貫通精度均優(yōu)于常規(guī)精密導線網，以貫通誤差較小的方位邊并顧及實地情況可進行最佳進洞方位的選擇。7.3.3 GPS短邊方位測定的精度分析進洞方位的精度直接影響到橫向貫通，由于隧道進洞方位邊均較短