長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)布網(wǎng)方式研究

侯廣東

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

0 引言

長(zhǎng)大隧道作為高鐵建設(shè)中的關(guān)鍵控制性工程,直接影響著工程施工的質(zhì)量和進(jìn)度[1]。現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中,受各種因素的影響,整條隧道很難在同一時(shí)間段內(nèi)貫通,而隧道貫通后再進(jìn)行軌道施工往往面臨著巨大的工期壓力。因此,現(xiàn)場(chǎng)時(shí)常提出在隧道未貫通的情況下分階段實(shí)施軌道施工,這其中的關(guān)鍵在于線路控制網(wǎng)(CPⅡ)分段測(cè)設(shè)是否可行[2]。時(shí)速200 km及以下鐵路工程隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)采用自由測(cè)站邊角交會(huì)方法施測(cè)時(shí),為控制其橫向偏差需聯(lián)測(cè)斜井口基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ)控制點(diǎn),然而由于斜井內(nèi)坡度較大等問題,難以布設(shè)自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)。

針對(duì)上述問題,本文將在研究長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)常用布網(wǎng)方式的基礎(chǔ)上,探討高鐵長(zhǎng)大隧道交叉導(dǎo)線網(wǎng)分段測(cè)量及交叉導(dǎo)線網(wǎng)與自由測(cè)站邊角網(wǎng)混合網(wǎng)測(cè)量的可行性。

1 長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)常用布網(wǎng)方式

長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)通常采用交叉導(dǎo)線網(wǎng)的方式測(cè)設(shè),其多余觀測(cè)數(shù)多,控制網(wǎng)橫向擺動(dòng)能得到較好的控制,圖1為雙側(cè)點(diǎn)對(duì)交叉導(dǎo)線網(wǎng)布網(wǎng)示意。

圖1 雙側(cè)點(diǎn)對(duì)交叉導(dǎo)線網(wǎng)布網(wǎng)示意

近年來(lái),隨著自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)測(cè)量技術(shù)的廣泛應(yīng)用,有研究提出將其應(yīng)用于隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)測(cè)量中[3-4],該研究認(rèn)為相對(duì)于傳統(tǒng)洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量方式,自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)可提高洞內(nèi)控制網(wǎng)的橫向貫通精度,精度增加在20%以上。目前,新修版《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》已明確規(guī)定,對(duì)于時(shí)速200 km及以下鐵路工程,洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)可采用自由測(cè)站邊角交會(huì)方法施測(cè)。圖2為自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)示意。

圖2 自由測(cè)站邊角交會(huì)法觀測(cè)CPⅡ控制網(wǎng)示意

2 高鐵長(zhǎng)大隧道交叉導(dǎo)線網(wǎng)分段測(cè)量

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范,高鐵長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)需采用導(dǎo)線網(wǎng)的方式測(cè)量。針對(duì)隧道尚未貫通的情況下,分階段進(jìn)行軌道施工的需求,下文將探討交叉導(dǎo)線網(wǎng)分段測(cè)量的可行性,以進(jìn)行CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)設(shè)。

2.1 交叉導(dǎo)線網(wǎng)分段測(cè)量及搭接處理

長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)測(cè)量應(yīng)充分利用隧道進(jìn)出口及斜井口CPⅠ控制點(diǎn)作為起算點(diǎn),測(cè)量前需對(duì)隧道范圍內(nèi)CPⅠ控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè),針對(duì)破壞、丟失的控制點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)設(shè),對(duì)于復(fù)測(cè)坐標(biāo)及相對(duì)精度超限的控制點(diǎn)予以更新[5]。

洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)分段測(cè)量及搭接方案,需依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況確定,以圖3所示具有兩個(gè)斜井的隧道具體說(shuō)明。

圖3 隧道正洞及斜井分布示意

若中間段即1斜至2斜首先具備控制網(wǎng)觀測(cè)及軌道施工條件,則需在1斜與2斜之間的正洞洞內(nèi)布設(shè)交叉導(dǎo)線網(wǎng),同時(shí)通過(guò)交叉導(dǎo)線網(wǎng)的方式聯(lián)測(cè)兩個(gè)斜井口CPⅠ控制點(diǎn),以完成該段落CPⅡ控制網(wǎng)計(jì)算;待進(jìn)口段或出口段滿足條件后,則需聯(lián)測(cè)相應(yīng)進(jìn)出口CPⅠ控制點(diǎn),同時(shí)聯(lián)測(cè)1斜至2斜段正洞內(nèi)至少2對(duì)CPⅡ控制點(diǎn)以滿足平順搭接需求。

若進(jìn)口段及出口段首先具備控制網(wǎng)觀測(cè)及軌道施工條件,則需在正洞洞內(nèi)布設(shè)交叉導(dǎo)線網(wǎng),同時(shí)聯(lián)測(cè)隧道口及斜井口的CPⅠ控制點(diǎn),以完成該段落CPⅡ控制網(wǎng)計(jì)算;中間段CPⅡ控制網(wǎng)無(wú)須聯(lián)測(cè)斜井口CPⅠ控制點(diǎn),但為保證與相鄰段落的平順搭接,需聯(lián)測(cè)進(jìn)口段及出口段各至少2對(duì)CPⅡ控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)。

洞內(nèi)交叉導(dǎo)線網(wǎng)在施測(cè)的過(guò)程中,其精度受到多方面因素的影響,主要包括:測(cè)量?jī)x器及附屬設(shè)備;外業(yè)測(cè)量溫度、氣壓;隧道洞內(nèi)障礙物及旁折光影響等[6-7]。前兩條因素可通過(guò)加強(qiáng)儀器設(shè)備檢校,采用滿足要求的干濕溫度計(jì)準(zhǔn)確量取溫度、氣壓來(lái)有效消除;第三條因素,隧道導(dǎo)線點(diǎn)通常采用強(qiáng)制對(duì)中的方式布設(shè)在電纜槽頂面上,同時(shí)隧道尚未貫通,洞內(nèi)常停放較多的腳手架及臺(tái)車等難以移動(dòng)的障礙物,導(dǎo)線網(wǎng)按照?qǐng)D1所示雙側(cè)點(diǎn)對(duì)的形式布設(shè)時(shí),障礙物、兩側(cè)洞壁及電纜槽頂面旁折光對(duì)于觀測(cè)值的影響非常大[8-9],針對(duì)這一問題可采用單側(cè)點(diǎn)對(duì)交叉導(dǎo)線網(wǎng)來(lái)有效解決,同時(shí)測(cè)站點(diǎn)可架設(shè)三腳架以抬高視線,以進(jìn)一步消除電纜槽頂面旁折光的影響。圖4為單側(cè)點(diǎn)對(duì)交叉導(dǎo)線網(wǎng)示意。

圖4 單側(cè)點(diǎn)對(duì)交叉導(dǎo)線網(wǎng)布網(wǎng)示意

2.2 工程實(shí)例

某高速鐵路工程大梁山隧道全長(zhǎng)13.39 km,共設(shè)有五座斜井,沿線路方向分別為1號(hào)斜井、2號(hào)斜井、3號(hào)斜井、4號(hào)斜井及5號(hào)斜井,迫于線路通車工期的巨大壓力,在隧道尚未貫通的情況下,決定分階段進(jìn)行洞內(nèi)軌道工程施工,為滿足這一需求,CPⅡ控制網(wǎng)依據(jù)隧道洞內(nèi)貫通情況分為五段施測(cè),具體情況如表1所示。

根據(jù)施測(cè)順序,前三段為獨(dú)立段落,不涉及搭接,外業(yè)觀測(cè)時(shí),為克服隧道洞內(nèi)障礙物及兩側(cè)壁旁折光影響,采用圖4所示單側(cè)點(diǎn)對(duì)交叉導(dǎo)線網(wǎng)方式施測(cè),以聯(lián)測(cè)的斜井口及進(jìn)出口CPⅠ控制點(diǎn)起算,平差后具體精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

由前三段數(shù)據(jù)的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,將洞內(nèi)導(dǎo)線布設(shè)成單側(cè)點(diǎn)對(duì)交叉導(dǎo)線網(wǎng)的方式,可有效避免旁折光對(duì)觀測(cè)值的影響,短段落導(dǎo)線網(wǎng)精度均滿足隧道二等要求。第四、五段以聯(lián)測(cè)的相鄰段落各兩對(duì)導(dǎo)線點(diǎn)為起算點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算,精度統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 交叉導(dǎo)線網(wǎng)精度統(tǒng)計(jì)

后兩段為中間搭接段落,由表3中的計(jì)算結(jié)果可知,利用兩端相鄰段落各兩對(duì)導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行搭接計(jì)算,其精度指標(biāo)滿足隧道二等要求。

依據(jù)隧道洞內(nèi)貫通情況,合理安排施測(cè)順序,采用交叉導(dǎo)線網(wǎng)分段測(cè)量方法進(jìn)行洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)測(cè)設(shè),點(diǎn)位成果滿足CPⅢ控制網(wǎng)起算要求,有效緩解了該高鐵工程軌道施工的壓力。

3 自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)與交叉導(dǎo)線網(wǎng)混合網(wǎng)測(cè)量

相較于傳統(tǒng)邊角網(wǎng),將自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)應(yīng)用于CPⅡ控制網(wǎng)測(cè)設(shè)中,具有以下好處:測(cè)站點(diǎn)無(wú)需對(duì)中;測(cè)量點(diǎn)采用強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志,避免了棱鏡對(duì)中誤差;多余觀測(cè)次數(shù)較多,網(wǎng)形結(jié)構(gòu)強(qiáng);測(cè)站位置自由,可有效避免旁折光影響;控制點(diǎn)可埋設(shè)在隧道側(cè)壁上,不受限于洞內(nèi)排水溝及電纜槽施工情況[10-11]。

實(shí)際測(cè)設(shè)中,采用自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)往往會(huì)遇到以下問題:小半徑單線隧道洞內(nèi)通視情況較差,很難滿足點(diǎn)位埋設(shè)間距要求;長(zhǎng)大隧道為控制橫向偏差,需聯(lián)測(cè)斜井口CPⅠ控制點(diǎn),但斜井內(nèi)布設(shè)自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)困難。針對(duì)上述問題,下文以某鐵路工程蓮花山隧道為例，探討自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)與交叉導(dǎo)線網(wǎng)混合網(wǎng),測(cè)量的可行性。

3.1 工程概況

某鐵路工程蓮花山隧道全長(zhǎng)10.5 km,共設(shè)有2座斜井,是該鐵路工程中長(zhǎng)度最長(zhǎng)、施工條件最為復(fù)雜的控制性工程。由于該項(xiàng)目工期的緊迫性,需要在洞內(nèi)排水溝及電纜槽尚未開始施工的前提下,開展洞內(nèi)CPⅢ測(cè)設(shè)工作。

該鐵路工程設(shè)計(jì)時(shí)速160 km,隧道洞內(nèi)為無(wú)砟軌道,其整體位于直線段上,依據(jù)洞內(nèi)實(shí)際情況決定采用自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)施測(cè)CPⅡ控制網(wǎng),由于該隧道長(zhǎng)度較長(zhǎng),為保證控制網(wǎng)橫向精度,需聯(lián)測(cè)斜井口附近CPⅠ控制點(diǎn)。但該隧道兩個(gè)斜井均存在斷面小、坡度大及曲率半徑小等問題,通視條件較差,難以滿足自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)點(diǎn)位埋設(shè)及觀測(cè)要求,故斜井內(nèi)只能采用交叉導(dǎo)線網(wǎng)聯(lián)測(cè)CPⅠ控制點(diǎn)。

3.2 自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)與交叉導(dǎo)線網(wǎng)混合網(wǎng)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理

由于自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)相鄰控制點(diǎn)間沒有直接觀測(cè)值,故無(wú)法像交叉導(dǎo)線網(wǎng)一樣推算方位角閉合差,但可利用聯(lián)測(cè)的CPⅠ控制點(diǎn)的已知坐標(biāo)和推算坐標(biāo)計(jì)算方位角之差作為方位角閉合差,計(jì)算公式如下:

(1)

在控制網(wǎng)平差計(jì)算之前,按照上述公式計(jì)算已知點(diǎn)間的方位角閉合差,具體情況如表4所示。由表4可知,控制網(wǎng)方位角閉合差不僅滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,亦滿足導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量中隧道二等要求。控制網(wǎng)方位角指標(biāo)合格后,進(jìn)行自由網(wǎng)平差,并以聯(lián)測(cè)的CPⅠ及洞內(nèi)施工控制點(diǎn)進(jìn)行約束網(wǎng)平差,具體精度指標(biāo)如表5所示。

表4 方位角閉合差統(tǒng)計(jì)

表5 CPⅡ控制網(wǎng)精度統(tǒng)計(jì)

由表5可知,各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,混合網(wǎng)平差成果滿足CPⅢ控制網(wǎng)起算要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

為滿足工期要求,高鐵長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)CPⅡ交叉導(dǎo)線網(wǎng)可根據(jù)施工情況,充分利用進(jìn)出口及斜井口CPⅠ控制點(diǎn)進(jìn)行分段測(cè)量;相鄰段落搭接時(shí),應(yīng)至少聯(lián)測(cè)前一段2對(duì)CPⅡ控制點(diǎn)以保證段落間的平順銜接。

時(shí)速200 km及以下鐵路工程長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)采用自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)測(cè)量時(shí),針對(duì)斜井內(nèi)條件難以滿足要求,可采用交叉導(dǎo)線網(wǎng)的方式聯(lián)測(cè)斜井口CPⅠ控制點(diǎn),混合網(wǎng)平差后成果滿足規(guī)范要求。

綜上,文中以兩個(gè)長(zhǎng)大隧道工程為例,分別研究了交叉導(dǎo)線網(wǎng)分段測(cè)量和交叉導(dǎo)線網(wǎng)與自由測(cè)站邊角網(wǎng)混合網(wǎng)測(cè)量。研究結(jié)果表明,采用這兩種方法進(jìn)行CPⅡ控制網(wǎng)測(cè)設(shè),其成果滿足規(guī)范要求,可有效克服施工中面臨的工期壓力,具有較高的工程借鑒價(jià)值。