高速公路定測中特長隧道獨立控制網的建立方法及應用

摘要：文章詳細介紹了高速公路中特長隧道獨立控制網的建立方法。該方法通過改變中央子午線或投影面的方式，減少了投影變形對控制點精度的影響；利用“一點一方向”平差方法，提高了控制網內部的精度。文章結合實際的工程項目，情況對所提方法的實用性和有效性進行了分析說明。

關鍵詞：特長隧道；獨立控制網；投影變形；“一點一方向”

中圖分類號：TB22文獻標志碼：A

1 工程概況

義龍慶高速公路義烏至龍泉（金華段）的起點位于甬金高速徐村互通處，路線呈東北至西南走向，全長約105.5 km，項目路線如圖1所示。全線共設11條隧道，其中特長隧道3條，長隧道4條，中短隧道4條。在隧道工程建設中，為了保證隧道的順利貫通，需要對隧道布設滿足《公路勘測規范》要求的獨立控制網［1］。本文以南巖山特長隧道為例，主要對高速公路特長隧道的平面獨立控制網的建立方法進行詳細探討。該隧道起點位于東谷坑西側，終點位于東湖坑北側，隧道全長約為7.8 km。

2 特長隧道控制點的布設

在高速公路初測階段，項目已完成南巖山隧道進、出洞口各1個必要控制點（NYSII03、NYSII05）的布設工作（點位埋石標準按平面二等為依據），并將其納入公路全線四等全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）控制網中進行施測。定測階段，將南巖山隧道布設成二等獨立控制網，平面控制點和高程控制點采用共點布設。隧道獨立控制網的等級是依據隧道貫通長度來確定的，隧道控制測量等級選用如表1所示。

南巖山隧道獨立控制網由6個二等GNSS控制點組成，進、出洞口各布設3個，并保證進、出洞口各有1對通視邊。該布設方式主要目的在于：（1）所提方案可對通視點進行全站儀邊長測量，用以檢測控制點點間精度是否滿足相應等級的要求；（2）在施工階段，所提方式便于利用全站儀進行導線加密；（3）所提方式能夠避免因個別控制點的破壞，導致已有控制數據利用困難，增加補測的工作量。

3 投影變形的計算分析

在高速公路初測階段，公路全線平面坐標系統采用國家2000橢球參數，中央子午線120°，投影面為大地高150 m，投影長度變形值最大為1.74 cm/km，最小為0.07 cm/km，分析僅滿足“選擇路線平面控制測量坐標系時，應使測區內投影長度變形值不大于2.5 cm/km”的要求，南巖山隧道邊長投影變形分析如表2所示。在高速公路定測階段，為了使南巖山隧道獨立控制網滿足“大型構造物平面控制測量坐標系，其投影長度變形值不大于1 cm/km”的要求，將該區段的投影面大地高調整為200 m，而中央子午線保持不變，南巖山隧道邊長投影變形分析如表3所示。投影變形值可通過改變中央子午線或投影面的方式進行，其計算公式如下：

4 GNSS控制網

4.1 GNSS控制網外業觀測

本文采用6臺雙頻大地型GNSS接收機Trimble R10進行外業觀測，儀器均經計量監督檢測機構專用儀器計量站檢定，且在檢定有效期內。天線高度在每時段前、后各量取一次，互差小于3 mm，取平均值記入觀測手簿。

南巖山隧道獨立控制網共觀測4個時段，每個觀測時段長度均大于240 min，數據采樣間隔率為10 s，從而保證了較好的星座圖形強度和數據采集量。GNSS控制網觀測要求執行如表4所示。

4.2 GNSS基線解算與網平差

在GNSS外業觀測結束后，研究先進行數據的傳輸和檢查，再對觀測的數據進行處理。南巖山隧道的觀測數據采用華測導航CGO進行數據處理。在數據導入CGO軟件前，系統可利用Convert To RINEX軟件將T02/T04格式的原始觀測數據文件轉換成RINEX標準數據文件。經基線解算和自由網平差后，重復基線、同步環、異步環、最弱點、最弱邊等相關精度指標均能夠滿足《公路勘測規范》的要求。

4.3 “一點一方向”平差

WGS84（World Geodetic System 1984）坐標系下經自由網平差后，將各合格基線導入由武漢大學測繪學院研制的CosaGPS平差軟件中實現“一點一方向”平差。“一點一方向”即固定一點的坐標和該點至另一點的方向來建立獨立坐標系，其中方向由坐標方位角體現，固定點的坐標及方位角易于獲得，可采用2個已知的控制點經坐標反算計算得到［2］。

“一點一方向”平差的具體過程如下。

（1）新建工程項目文件，并設置相關參數，如圖2所示。

（2）使用高速公路初測階段的南巖山隧道進出洞口的2個已知四等控制點NYSII03和NYSII05作為控制起算點，其中NYSII03為固定點，NYSII05為方位點。平差參數設置如圖3所示。

（3）經“一點一方向”平差后，最弱點、最弱邊的精度指標滿足相關規范要求，如表5—6所示。

4.4 精度分析

為了驗證“一點一方向”平差結果的精度可靠性，研究使用Leica TS06-2″ULTRA全站儀對南巖山隧道進、出洞口的2條通視邊進行平距檢測。2條通視邊均往返觀測各4個測回點，并對測距進行儀器加乘常數改正、氣象改正、傾斜改正和投影改正［3］，全站儀測距邊與隧道獨立控制網坐標反算距離對比如表7所示。由表7可知，“一點一方向”平差后的坐標反算邊長以及全站儀實測邊長的相對誤差均小于1/100000。

綜上可知，“一點一方向”平差具有以下優缺點：（1）所提方法能夠以低等級控制起算點實現高等級隧道獨立控制網；（2）所提方法能夠保持隧道整體坐標系統的一致，避免了隧道中線坐標的轉換問題；（3）所提方法解決了投影變形超限的問題；（4）所提方法會將投影變形誤差傳遞到隧道的另一端。

5 結語

本文結合實際的工程應用，詳細地介紹了在高速公路定測中特長隧道獨立控制網的建立方法。通過高精度全站儀實測邊長對比，研究驗證了在起算點精度等級較低的情況下，利用“一點一方向”平差實現高等級隧道獨立控制網的建立。雖然此方法能保證路線與南巖山隧道進洞口的正常銜接，但是由于投影變形誤差的傳遞影響，在隧道另一端與路線存在一定程度上的偏差。所提方法可以通過控制點的聯測及曲線調整或設置路線斷鏈2種方法保證施工順接［4］。

參考文獻

［1］中交第一公路勘察設計研究院.公路勘測規范：JTG C10—2007［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］錢健龍.采用CosaGPS軟件“一點一方向”平差控制投影長度變形的方法探討［J］.港工技術與管理，2023（2）：48-51.

［3］張宗營，鄭干，張紫良.利用“一點一方向”平差方法建立GPS獨立控制網的研究及應用［J］.礦山測量，2021（4）：99-103.

［4］陳以軍.長大隧道洞外平面控制網測量方法研究及應用［J］.鐵道勘察，2014（2）：11-14.

Establishment method and application of independent control network for extra-long tunnel

in highway location survey

Abstract：The establishment method of independent control network for extra-long tunnel in highway is introduced in this paper in detail. The impact of projection distortion on the accuracy of control point is reduced by changing the central meridian or projection plane. And the “one point， one direction” adjustment method is used to improve the accuracy within the control network. It is analyzed and explained for the practicality and efficiency of the proposed method in combination with the actual project situation.

Key words： extra-long tunnel; independent control network; projection distortion; “one point， one direction”