長(zhǎng)大隧道控制網(wǎng)分段建網(wǎng)方案對(duì)比分析

盧勇LU Yong

（中鐵八局集團(tuán)第二工程有限公司，成都 610097）

0 引言

為保證隧道可在預(yù)期的時(shí)間內(nèi)貫通，需要在隧道正洞內(nèi)進(jìn)行隧道施工測(cè)量。由于洞內(nèi)施工需要平面控制網(wǎng)CPIII，而隧道洞內(nèi)控制網(wǎng)CPII 是CPIII 控制網(wǎng)的基準(zhǔn)，在CPIII 控制網(wǎng)測(cè)量時(shí)需要聯(lián)測(cè)CPII 控制點(diǎn)，故CPII 控制點(diǎn)的精度直接影響CPIII 的精度。但隧道未貫通，隧道進(jìn)出口的CPI 無(wú)法為洞內(nèi)的CPII 提供約束條件，因此需要在不同的時(shí)間對(duì)隧道內(nèi)的CPII 控制點(diǎn)進(jìn)行分段布設(shè)。因此，對(duì)長(zhǎng)大隧道內(nèi)控制網(wǎng)分段建網(wǎng)的方案的可行性研究很有必要，并為之后研究長(zhǎng)大隧道分段架設(shè)控制網(wǎng)提供一定的參考依據(jù)。

在傳統(tǒng)的隧道控制網(wǎng)CPII 測(cè)量時(shí)，一般采用導(dǎo)線測(cè)量，其中附合單導(dǎo)線、導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)和交叉導(dǎo)線是常用的控制網(wǎng)架設(shè)方法[1]。附合單導(dǎo)線的控制網(wǎng)網(wǎng)型簡(jiǎn)單，外業(yè)操作簡(jiǎn)單，但其橫向擺動(dòng)較大，同時(shí)多余觀測(cè)量較少，網(wǎng)型強(qiáng)度較弱，不適合于長(zhǎng)大隧道的控制網(wǎng)架設(shè)；導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)的控制網(wǎng)網(wǎng)型相比于附合單導(dǎo)線的網(wǎng)型更復(fù)雜，強(qiáng)度也比附合單導(dǎo)線更高；交叉導(dǎo)線網(wǎng)相較于導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)網(wǎng)型更復(fù)雜，且網(wǎng)型強(qiáng)度更高，其對(duì)于橫向擺動(dòng)的控制能力也越強(qiáng)。所以交叉導(dǎo)線網(wǎng)常用于長(zhǎng)大隧道的控制網(wǎng)架設(shè)。因此構(gòu)網(wǎng)時(shí)選擇采用交叉導(dǎo)線法[2]。

1 隧道洞內(nèi)CPII 平面控制網(wǎng)布設(shè)

將該隧道分為兩段進(jìn)行測(cè)設(shè)，第一段是由3#斜井至出口段，第二段由進(jìn)口至3#斜井段。交叉導(dǎo)線網(wǎng)多余觀測(cè)條件多、圖形強(qiáng)度好，因此在完成隧道洞內(nèi)CPII 過(guò)程中，采用交叉導(dǎo)線網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)方法[3]，按邊角聯(lián)接方式構(gòu)網(wǎng)，形成由多個(gè)四邊形或多邊形組成的帶狀網(wǎng)。

隧道出口、進(jìn)口和3#斜井口均有2 個(gè)已知CPI 控制點(diǎn)，圖1 中三角形所示，分別為BCPI15-1、BCPI15-2 和WH301A、WH303A=CPI13-1B。隧道出口端導(dǎo)線附合于CPI 控制點(diǎn)BCPI15-1、BCPI15-2，3#斜井出口端導(dǎo)線附合于CPI 控制點(diǎn)CPI13-1B、WH301A。隧道洞內(nèi)以及斜井處采用的構(gòu)網(wǎng)方法均為交叉導(dǎo)線法。

圖1 隧道出口段控制網(wǎng)示意圖

每隔250 米至500 米在隧道內(nèi)兩側(cè)布設(shè)一對(duì)CPII 控制點(diǎn)，其中一個(gè)為主導(dǎo)點(diǎn)，另一個(gè)為副導(dǎo)點(diǎn)。在觀測(cè)過(guò)程中，儀器分別安置在主導(dǎo)點(diǎn)和副導(dǎo)點(diǎn)，對(duì)相鄰的主導(dǎo)點(diǎn)和副導(dǎo)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，形成多個(gè)閉合環(huán)，在隧道進(jìn)出口處聯(lián)測(cè)至CPI 或CPII 控制點(diǎn)上。

隧道進(jìn)口端導(dǎo)線附合于CPI 控制點(diǎn)BCPI11B、BCPI12B，3# 斜井端導(dǎo)線附合于洞內(nèi)CPII 控制點(diǎn)WHCPII27、WHCPII27-1、WHCPII28、WHCPII28-1。在分段測(cè)量時(shí)，只能從斜井的進(jìn)口處的CPI 控制點(diǎn)開(kāi)始，通過(guò)導(dǎo)線網(wǎng)聯(lián)測(cè)到斜井與正洞的入口處，再與洞內(nèi)的CPII 控制網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測(cè)[1]。

然后利用自由測(cè)站邊角交匯網(wǎng)[4]與施工控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，保證隧道設(shè)計(jì)中線和施工中線盡量重合。

由于傳統(tǒng)的交叉導(dǎo)線網(wǎng)需要對(duì)全站儀和棱鏡對(duì)中及整平，該過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)中誤差，從而對(duì)控制網(wǎng)的橫向精度產(chǎn)生一定影響。而采用自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)全站儀和棱鏡不需要對(duì)中，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)中誤差，且多余觀測(cè)數(shù)多，網(wǎng)形可靠性強(qiáng)，測(cè)站位置可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整，靈活性高[5]。（圖2）

圖2 自由設(shè)站邊角交匯控制網(wǎng)示意圖

2 洞內(nèi)建網(wǎng)方案對(duì)比分析

數(shù)據(jù)分析前，首先整理所有方案的觀測(cè)文件。其中整網(wǎng)的觀測(cè)文件由進(jìn)口到出口處結(jié)束，中間不聯(lián)測(cè)斜井口的已知點(diǎn)；整網(wǎng)含斜井的觀測(cè)文件由進(jìn)口到3#斜井口處，再由3#斜井口處到出口處，中間處聯(lián)測(cè)3#斜井口處的CPI已知點(diǎn)。各個(gè)方案的平差均采用同一平差軟件進(jìn)行。

整網(wǎng)數(shù)據(jù)由洞外CPI 控制點(diǎn)BCPI11B、BCPI12B 開(kāi)始，經(jīng)轉(zhuǎn)點(diǎn)ZD01 和ZD01-1 傳遞到洞內(nèi)控制點(diǎn)WHCPII01、WHCPII01-1，最后到出口處控制點(diǎn)WHCPII42、WHCPII42-1，由轉(zhuǎn)點(diǎn)Z05、Z05-1 與出口處的BCPI15、BCPI15、BCPI15-1、BCPI15-2 進(jìn)行聯(lián)測(cè)，構(gòu)成整網(wǎng)的CPII 控制網(wǎng)。

整網(wǎng)含斜井的數(shù)據(jù)在隧道正洞內(nèi)一樣，在三號(hào)斜井進(jìn)口處聯(lián)測(cè)洞外CPI 控制點(diǎn)CPI13-1B、WH301A，由四對(duì)轉(zhuǎn)點(diǎn)Z01、Z02、Z03、Z04、Z01 -1、Z02 -1、Z03-1、Z04-1 連接到隧道洞內(nèi)的WHCPII27、WHCPII28、WHCPII27-1、WHPII28-1 兩對(duì)CPII 控制點(diǎn)。（圖3）

圖3 整網(wǎng)含斜井控制網(wǎng)示意圖

由規(guī)范知，方位角閉合差限差為±5.2″，邊長(zhǎng)相對(duì)閉合差限差為1/100000。由表1 可知，三種方案的最大角度閉合差、最大邊長(zhǎng)相對(duì)閉合差和驗(yàn)后單位權(quán)中誤差均在限差范圍內(nèi)。說(shuō)明分段方案在長(zhǎng)大隧道中符合隧道二等測(cè)量的技術(shù)要求。

表1 限差統(tǒng)計(jì)表

為驗(yàn)證分段、整網(wǎng)、整網(wǎng)含斜井三種方案的精度，通過(guò)實(shí)測(cè)的某隧道進(jìn)行測(cè)試。利用點(diǎn)位精度、偏垂距之差和坐標(biāo)之差進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)采用某隧道三部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，第一部分為進(jìn)口段和出口段的CPII 控制網(wǎng)的分段平差，第二部分將進(jìn)口段和出口段的控制網(wǎng)合并起來(lái)但是不包含3#斜井到正洞處的控制網(wǎng)平差，第三部分是將進(jìn)口段和出口段合并起來(lái)并且包含3#斜井平差。

表2 為點(diǎn)位精度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由mx（縱坐標(biāo)中誤差）、my（橫坐標(biāo)中誤差）、mp（點(diǎn)位中誤差）描述。結(jié)果表明分段的mx、my、mp最大值和均值幾乎都比整網(wǎng)和整網(wǎng)含斜井的結(jié)果好，整網(wǎng)的mx、my、mp值最大。說(shuō)明分段方案效果最好。

表2 點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)表（mm）

坐標(biāo)之差對(duì)比是指，以其中一個(gè)方案為參照，分別用另兩個(gè)方案平差后的坐標(biāo)減去參照方案平差后的坐標(biāo)。因此將分三種情況，即以整網(wǎng)、整網(wǎng)含斜井和分段分別為參照進(jìn)行橫向偏差的對(duì)比。

控制點(diǎn)序號(hào)是由進(jìn)口到出口。主導(dǎo)線和副導(dǎo)線擬合較好。都有一個(gè)共同的趨勢(shì)，隧道出口及進(jìn)口處的橫向偏差較小，越靠近隧道中間，橫向偏差越來(lái)越大。這是因?yàn)樗淼莱隹谶M(jìn)口都存在控制點(diǎn)，因此能限制橫向偏差。

以整網(wǎng)含斜井為參照對(duì)比整網(wǎng)和分段方案的精度?？梢?jiàn)分段的坐標(biāo)差比整網(wǎng)的小。因?yàn)榉侄螘r(shí)聯(lián)測(cè)了斜井口的控制點(diǎn)，所以在斜井與正洞連接處的控制點(diǎn)橫向偏差較低。分段相較于整網(wǎng)有著更好的橫向精度。對(duì)比整網(wǎng)和整網(wǎng)含斜井方案的精度。整網(wǎng)含斜井的坐標(biāo)差小于整網(wǎng)。這是因?yàn)檎W(wǎng)含斜井聯(lián)測(cè)了3#斜井口的CPI 控制點(diǎn)，而整網(wǎng)沒(méi)有聯(lián)測(cè)斜井口的控制點(diǎn)，所以在隧道內(nèi)的橫向偏差較大。因此在進(jìn)行長(zhǎng)大隧道控制測(cè)量時(shí)，盡量在中間段去聯(lián)測(cè)已知控制點(diǎn)來(lái)控制橫向偏差。比較分段與整網(wǎng)含斜井的精度。兩種方案坐標(biāo)差結(jié)果相似度高，因?yàn)閮烧叨悸?lián)測(cè)了3#斜井口的CPI 控制點(diǎn)，但分段效果略次于整網(wǎng)含斜井。

以上分析知，長(zhǎng)大隧道分段測(cè)量控制網(wǎng)是可行的。聯(lián)測(cè)斜井口的分段和整網(wǎng)含斜井的橫向偏差都較小，整網(wǎng)相對(duì)較差。故應(yīng)盡量聯(lián)測(cè)已知控制點(diǎn)控制隧道的橫向偏差。

通過(guò)控制點(diǎn)與隧道中線的距離來(lái)分析控制網(wǎng)的橫向偏差，稱(chēng)為偏垂距之差。同樣按照坐標(biāo)之差的分析方案對(duì)偏垂距之差進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。分別以分段、整網(wǎng)、整網(wǎng)含斜井為參照，再減去另外兩種方案的偏垂距。在偏垂距分析時(shí)，采用的折線圖，為了防止出現(xiàn)鋸齒，將控制網(wǎng)的導(dǎo)線按照主導(dǎo)線和副導(dǎo)線分別進(jìn)行分析。

同樣圖4 整個(gè)趨勢(shì)中，越靠近隧道中段，整網(wǎng)的橫向精度就越差，而兩端的橫向精度高。圖4（a）以整網(wǎng)含斜井為參照，對(duì)比分段和整網(wǎng)的精度，分段的偏垂距之差在3#斜井口與正洞交接處控制點(diǎn)的橫向偏差小。整網(wǎng)在隧道進(jìn)出口處的橫向偏差精度較高?？煽闯龇侄蔚臋M向偏差比整網(wǎng)明顯較小。圖4（b）以分段為參考，對(duì)比整網(wǎng)和整網(wǎng)含斜井的精度。可看出整網(wǎng)含斜井比整網(wǎng)的橫向精度相對(duì)較高。圖4（c）以整網(wǎng)為參照對(duì)比整網(wǎng)含斜井和分段的精度。分段與整網(wǎng)含斜井的橫向偏差比較接近，兩者都聯(lián)測(cè)了3#斜井口處的CPI 控制點(diǎn)，且分段的橫向偏差較小，分段的橫向精度相較于整網(wǎng)含斜井更高。

圖4 偏垂距分析

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)比分段架設(shè)平面控制網(wǎng)、整網(wǎng)和整網(wǎng)含斜井的方案，分析選出最優(yōu)方案。主要得出以下的兩個(gè)結(jié)論：通過(guò)對(duì)比分段、整網(wǎng)、整網(wǎng)含斜井三種建網(wǎng)方案，從方向閉合差、邊長(zhǎng)閉合差的計(jì)算分析中，分段的各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足隧道二等測(cè)量的規(guī)范要求，成果可應(yīng)用于施工測(cè)量中；從坐標(biāo)之差及偏垂距之差可知，分段和整網(wǎng)含斜井比整網(wǎng)的橫向偏差低。因?yàn)榉侄魏驼W(wǎng)含斜井都聯(lián)測(cè)了斜井處的CPI 控制點(diǎn)，因此效果均比整網(wǎng)的好。綜上所述分段方案的效果最優(yōu)。在架設(shè)長(zhǎng)大隧道平面控制網(wǎng)時(shí)，不管是分段架設(shè)還是整網(wǎng)架設(shè)，最好是聯(lián)測(cè)到斜井口的已知CPI 控制點(diǎn)去約束隧道的橫向偏差，這樣可以高效地控制隧道的橫向精度。