雁門關(guān)隧道控制網(wǎng)的建立及精度分析

翟寶珍

(中鐵十七局一公司，山西 太原 030032)

徠卡測量新技術(shù)應(yīng)用專欄

雁門關(guān)隧道控制網(wǎng)的建立及精度分析

翟寶珍

(中鐵十七局一公司，山西 太原 030032)

論述了長大隧道洞外獨(dú)立控制網(wǎng)建立方法，將WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)無約束平差基線精度作為洞外獨(dú)立GPS控制網(wǎng)的精度指標(biāo)，并以WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)無約束平差結(jié)果作為工程獨(dú)立控制網(wǎng)的計(jì)算基準(zhǔn)來獲取二維工程平面坐標(biāo)。

WGS-84坐標(biāo)；工程獨(dú)立控制網(wǎng)建立；精度預(yù)計(jì)分析

北同蒲新建鐵路取直工程雁門關(guān)隧道是繼秦嶺隧道、烏鞘嶺隧道等特長隧道之后又一長大隧道，位于山西省代縣北部山陰縣南部雁門關(guān)山脈，全長14 085 m，隧道設(shè)斜井3座。

本文通過對(duì)雁門關(guān)隧道GPS數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)隧道獨(dú)立GPS控制網(wǎng)的建立和數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了全面了解，通過建立獨(dú)立控制網(wǎng)來滿足高精度施工放樣的需求；對(duì)長大隧道不同開挖面間貫通誤差進(jìn)行預(yù)測，以確保隧道貫通精度滿足規(guī)范要求。

1 雁門關(guān)隧道工程獨(dú)立坐標(biāo)系的建立

1.1 采用的參考橢球

控制網(wǎng)采用1954北京坐標(biāo)系參考橢球，其橢球參數(shù)為：長半軸a=6 378 245 m，扁率f=298.3，UTF為1.0。

1.2 工程獨(dú)立坐標(biāo)系的建立

雁門關(guān)隧道采用工程獨(dú)立坐標(biāo)系，首先基于施工控制網(wǎng)使用全站儀放樣隧道進(jìn)口線路上一點(diǎn)YM2，在隧道出口適當(dāng)里程位置放樣一點(diǎn)YM22。以YM2為坐標(biāo)起算原點(diǎn)，YM2到Y(jié)M22方向?yàn)閄軸的正方向，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°為Y軸，建立雁門關(guān)隧道工程獨(dú)立坐標(biāo)系。

1.3 貫通精度要求

根據(jù)貫通誤差要求進(jìn)行隧道平面和高程控制測量設(shè)計(jì)，隧道洞外、洞內(nèi)平面和高程控制測量誤差對(duì)貫通面上的貫通誤差影響應(yīng)符合表1要求。

表1

2 隧道洞外平面控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

隧道平面控制網(wǎng)設(shè)計(jì)根據(jù)隧道進(jìn)出口連線方向布設(shè)，共組成5個(gè)子網(wǎng)，分別為：隧道進(jìn)口控制網(wǎng)、隧道出口控制網(wǎng)、南寺斜井子控制網(wǎng)、后腰鋪斜井控制網(wǎng)和城上斜井控制網(wǎng)，每個(gè)子控制網(wǎng)控制點(diǎn)不少于4個(gè)，布設(shè)時(shí)考慮進(jìn)洞方便且選擇較長邊。

3 GPS獨(dú)立控制網(wǎng)的轉(zhuǎn)換

首先在WGS-84坐標(biāo)系下對(duì)觀測成果進(jìn)行三維無約束平差計(jì)算，求取YM2—YM22的基線向量，得到WGS-84三維自由網(wǎng)坐標(biāo)。

自由網(wǎng)平差采用的橢球?yàn)閃GS-84橢球參數(shù),而不是獨(dú)立坐標(biāo)系下的1954北京參考橢球，必須將WGS-84下的橢球轉(zhuǎn)換到地方橢球面上。采用雁門關(guān)隧道洞內(nèi)軌頂平均高程面作為投影面，投影面大地高程為H=1 174.44 m，根據(jù)設(shè)計(jì)院交樁資料采用1954北京橢球進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將高斯投影的中央子午線選擇在隧道中央，以避免測區(qū)基線邊變形較大，保證工程獨(dú)立控制網(wǎng)高斯投影邊長與實(shí)測邊長一致。獨(dú)立控制網(wǎng)起算點(diǎn)YM2為原點(diǎn)，坐標(biāo)選擇以其所在中線里程為DK111+579.5253建立坐標(biāo)原點(diǎn)(111 579.525 3,1 000.000 0)，按照基線YM2—YM22作為起始方位，建立獨(dú)立坐標(biāo)系。采用徠卡GPS后處理軟件LGO坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行二維約束平差轉(zhuǎn)換，得到每一個(gè)子控制網(wǎng)的二維平差坐標(biāo)。

4 洞外平面控制網(wǎng)精度分析

根據(jù)規(guī)范要求，洞外控制網(wǎng)檢測實(shí)施過程中，平面控制網(wǎng)檢測按《全球定位系統(tǒng)(GPS)鐵路測量規(guī)程》中B級(jí)GPS網(wǎng)的精度標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。洞外平面控制網(wǎng)檢測使用的儀器為4臺(tái)徠卡GS15 GNSS天線。

在整體隧道獨(dú)立控制網(wǎng)平差后，控制點(diǎn)的最大中誤差為1.7 mm(為YM17點(diǎn))，平均中誤差為1 mm，最弱邊的相對(duì)精度為1/392 157(為YN13—YM14邊)，基線邊方位角中誤差最大為±0.51 mm，為YM15—YM16方向，滿足規(guī)范規(guī)定的B級(jí)GPS控制網(wǎng)的要求。

5 采用全站儀測量基線邊及角度比較

采用徠卡TS60全站儀對(duì)隧道進(jìn)口和出口子控制網(wǎng)的平面點(diǎn)進(jìn)行檢核，以檢核控制網(wǎng)的可靠性。在隧道進(jìn)口和出口各選擇了一個(gè)三角形(△YM1—YM3—YM4和△YM19—YN21—YM24)進(jìn)行了角度和距離檢核，并進(jìn)行了比較和分析。角度觀測6個(gè)測回?cái)?shù)，距離往返觀測各6個(gè)測回?cái)?shù)，觀測距離投影到施工獨(dú)立控制網(wǎng)的投影面上，進(jìn)行距離歸化改正。比較結(jié)果見表2—表3。

表2 全站儀與GPS角度比較

將全站儀實(shí)測角值與GPS成果計(jì)算值進(jìn)行比較：最大較差2.90″，最小較差0.65″，較差算術(shù)平均值0.24″；全站儀實(shí)測角度平差值與GPS成果計(jì)算進(jìn)行比較：最大較差2.53″，最小較差0.55″；實(shí)測邊長與GPS成果計(jì)算進(jìn)行比較：最大較差2.4 mm，最小較差0.2 mm，較差算術(shù)平均值0.8 mm。對(duì)比結(jié)果表明，GPS平面控制測量精度滿足施工要求。

6 洞外控制測量對(duì)隧道橫向中誤差影響值的計(jì)算

洞外控制對(duì)隧道橫向貫通中誤差影響值是隧道洞外平面控制網(wǎng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，采用武漢大學(xué)科傻GPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析計(jì)算。通過控制網(wǎng)的平差計(jì)算獲得各點(diǎn)的坐標(biāo)的方差-協(xié)方差陣，根據(jù)現(xiàn)場確定使用的進(jìn)洞定向邊計(jì)算兩開挖洞口間的隧道洞外控制對(duì)橫向貫通中誤差的影響值。

根據(jù)兩相鄰開挖洞口子網(wǎng)中進(jìn)洞定向邊和相應(yīng)貫通面位置組成計(jì)算文件，共組成4個(gè)文件，計(jì)算洞外控制影響值90個(gè)；表4中列出了計(jì)算的各貫通面洞外控制對(duì)橫向中誤差最大影響值及限差。

表4 洞外控制測量對(duì)隧道橫向中誤差影響值

7 結(jié) 語

采用高精度徠卡TS60全站儀及GS15 GNSS天線對(duì)雁門關(guān)隧道進(jìn)行控制測量，通過GPS數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，隧道獨(dú)立GPS控制網(wǎng)建立和數(shù)據(jù)處理精度可靠，尤其對(duì)于高原地區(qū)長大隧道獨(dú)立控制網(wǎng)，滿足高精度施工放樣的需要及長大隧道高精度貫通要求。對(duì)長大隧道不同的開挖面間進(jìn)行貫通誤差的預(yù)計(jì)，可確保隧道觀測精度，來提高隧道貫通精度。