隧道施工控制网布设

GPS控制网的精度 无论GPS网取什么形状，最终都应达到 隧道贯通对坑口控制点的精度要求，为此目 的，可将坑口控制点的坐标精度m2，用GPS的 观测精度用m0表示之：
式中，m0——GPS接收机的测量误差， 由仪器的性能所决定； Q——设计的GPS网的图形强度，由网 的几何形状所决定，或由GPS网矢量的协方差
但由于当今，铁路、公路都在高速发展，而且线路长和直是其 特点，因此大量建筑长隧道也在所难免，传统的隧道控制测量方 法费事和速度慢，而用于需要大量进行洞口区域连测的GPS隧道测 量却可以缩短工期获得很高的效益，同时能够保证隧道贯通的精 度和建筑物的精度。
• 隧道洞内控制网的布设 隧道洞内狭长形状的空间使洞内控制网的设计没有选择的余 地，只能采用支导线的形式。为了进行检核,一般布设两个等级的 导线。在掘进的同时首先布设施工导线,为掘进指明方向,为其他 施工提供依据；当隧道掘进至1～2km时，布设边长较长的,具有较 高精度的主导线，用于检核及修正施工导线。隧道在曲线部分时, 可以跳站观测，构成跳点,最后在新点处交会,它不但能使测量数 据有足够的可靠性,还可以提高导线的精度。例如在我国晋南的云 台山隧道，全长8.1公里，施测了GPS控制网,同地面控制网的坐标 比较,较差小于10mm:又如奥地利在一条6公里长的公路隧道上,为 了与地面测量比较,又用了GPS重测了ROPPEN隧道网,结果与地面网 比较坐标互差为16mm:此外,日本山梨大隧道35公里,英吉利海峡大 隧道,也都施测了GPS控制网.因此现在一般都采用GPS控制网。
因此，m0用GPS接收机的标称精度表示，即
为了实现隧道网的布设和精度设计，可以根据 隧道总长度和测区地形及各坑口的初步位置，以不 同边长模拟几种GPS测量网的方案，根据图形和他的 GPS矢量的协方差矩阵解求Q值，并求出坑口控制点 的精度，选择既满足精度又具有高效率的网作为优 化方案。
为保证观测值成果精度及质量可靠性，GPS工程网选点 及布网需要遵循如下原则： ①当利用城市已有控制点时，应检查该点的稳定性及 完好性。 ②地面上的控制点应选在利于保存、施测方便的地方 。 ③控制点上应视野开阔，并避开多路径效应的影响， 在10～15高度角以上不能有成片的障碍物。 ④控制点应远离高压输电线和无线电发射装置，其间 距分别不小于50ｍ和200ｍ。 ⑤控制点应埋设牢固并应绘制点之记。
二、隧道施工控制网的布设
• 隧道工程施工的特点
隧道工程施工，是一个复杂的系统工程，其特 点是除洞口和洞门是在露天施工外，余各项工程 都在地下进行施工作业。由于它空间有限，工作 面狭小，光线暗，劳动条件差，施工难度较大。 而长隧道的施工需要通过竖向或侧向的通道（竖 井、斜井、平峒）增加工作面，加快施工进度。 很多工作面同时施工时，测量人员应保证隧道最 后正确贯通。
GPS控制网的精度设计 隧道测量最终的要求是保证相向开挖的隧道正确贯通 , 因此，GPS网的设计也必须满足这一要求。 坑口控制点的精度 按隧道规范规定:当隧道长 L ≤4 km,其横向贯通误 差的限差应 ≤10 cm,即中误差 mσ ≤±5 cm;当隧道长 4～8 km 时,其横向限差应 ≤15 cm, mσ ≤±7. 5 cm; 当 L > 8 km 时,限差还可放宽一些。显然,贯通误差是 由洞外控制测量误差与洞内导线测量误差所引起。因此, 其横向贯通中误差 mσ 的计算式为 式中: 为洞内导线的测量误差, 为坑口控制点误差。 技术参数如下表
隧道施工控制网的布设
一、隧道概述
• 简介隧道 隧道是指修建在地层中的地下工程建筑物。它被广泛 用于公路、铁路、矿山、水利、市政和国防等方面。在高 等公路建设中，为了满足技术标准，克服地形和高程上的 障碍，改善公路的平面线形、提高车速、减少对植被的破 坏、保护生态环境，避免山区公路的各种病害(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 证线路平顺，行车安全，提高舒适性和节省运费，又能增 加隐蔽性，提高防护能力和不受气候影响。 • 隧道分类 铁路隧道：500m以下为短隧道，500～3000m中隧道，3000 ～10000m长隧道，10000m 特长隧道 公路隧道：500m以下为短隧道，500～1000m为中隧道， 1000～3000m为长隧道，3000m以上为特长隧道
2边连式 边连式是指同步图形之间由一条公共基线连接。这种布 网方案，网的几何强度较高有较多的复测边和非同步图形 闭合条件。在相同的仪器台数条件下，观测时段数将比点 连式大大增加。这种布网方式在网点数较少，对于精度要 求较高的情况下，如水库施工测量，高等级的城区控制网 测量等，都可以采用这种布网方式。
GPS短边方位观测的中误差为
解算得到士0.68″，当然这里只计算了偶然误差的影响， 方位测量的精度中有可能还会受到系统误差的影响，但可 以看出GPS短边方位测量具有很高的精度，可以在隧道测量 中大显身手。 从长梁山铁路隧道GPS网和精密导线网的比较分析中可 以看出，利用GPS布设隧道洞外平面控制网不仅能满足隧道 施工的要求，与常规方法相比具有 1点数少：整个导线网共有38个点,GPS网共23个点； 2工期短，精度高等优点，可大大提高经济和社会效益，可 以认为GPS是布设隧道洞外平面控制的理想方法； 所以，可以认为GPS是布设隧道洞外平面的理想方法。
• 隧道施工测量的主要任务 隧道施工测量的主要任务是保证对向开挖的隧道能 按照规定的精度贯通并使各建筑物按照设计的位置修建 放样过程中仪器所标出的方向距离都是依据控制网和图 纸上设计的建筑物计算出来的，因而在施工放样之前需 建立具有必要精度的施工控制网。
• 隧道地面控制网的布设
隧道施工控制网的地面部分用以确定洞口点，竖井 近井点和方向照准点之间的相对位置，作为洞内控制网 的真实数据。网的图形向隧道轴线方向延伸，布网形式 常采用以下几种形式： 1 狭长的三角网 2 边角混合网或环形导线网 3 GPS控制网等
GPS 网选用相互独立的基线构成 36 个独立闭合环，由 不同洞口点构成的闭合环其环的长度相对于由相同洞口 点组成的环的长度要长，此类闭合环的结果统计如表 7 由各洞口内部点间构成的闭合环统计如表 8 从两类闭合 环统计结果可以看出GPS网外业观测结果是可靠的。
• GPS短边方位测定的精度分析 进洞方位的精度直接影响到横向贯通，由于隧道进洞方位 边均较短，因此对GPS短边方位测定的精度探讨是非常重要 的。在长梁山隧道进行的试验中共有六个洞口，每个洞口 均有3个控制点且边长均较短，一般在300~500m，在这些点 上均有常规导线及GPS的观测成果，常规导线验后方向中误 差为士0.8″，每个洞口短边按9个测回观测，则验后方向 中误差为士1.0″，角度中误差为士1.4″，由GPS观测得到 各条基线，不进行平差处理而直接由观测基线转化到高斯 平面而得到由观测值算得的不同方向间的角度，各洞口导 线及GPS观测的角度可算出两者之差的中误差：
3网连式
网连式是指相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连 接，这种方法需要4台以上的接收机。这种布图方法的几何 强度和可靠性指标相当高，但花费的经费和时间较多，一 般仅用于高精度的控制测量，在一般的测量工作中不建议 采用 。 4边点混连式 边点混连是指把点连式和边连式有机的结合起来，组成GPS 网，既能保证网的几何强度，提高网的可靠指标，又能减 少外业工作量，降低成本，是一种较为理想的布网方法。
Leabharlann Baidu
三、隧道GPS控制网
GPS定位作业模式
GPS 定位作业模式可按照基准点的不同分为绝对定位模式和 相对定位模式。绝对定位是相对于GPS坐标系统（如WGS-84系 ）而言的，其观测值结果为三维坐标X,Y,Z；而相对定位是测 站相对于某一点的定位，其观测值结果为GPS坐标系下的基线 向量（三维坐标差）；又可根据定位观测过程中天线所处状 态（运动或静止）划分为动态定位或静态定位。动态定位时 观测天线处于运动中，定位结果实时计算输出或显示，但定 位精度较静态低；静态定位在观测过程中，GPS接收机天线位 置是不动的，其观测数据离线后处理，后获取定位结果。
GPS网中各洞口点间的相互基线均有相互独立的观测 值，相邻洞口的独立基线不少于 4 条，进口与出口也进 行了直接联测，以分析 GPS 在长隧道控制测量中的应用 能力。观测时采用 4 台 Leica 200GPS 接收机，选择良好 的观测窗口，对于相邻洞口及同一洞口内的基线观测一 个时段，每时段 1.5 小时，对于进出口见得长基线，观 测两个时段，每时段2小时。
⑥各开挖口德控制点及洞口投点高差不宜过大，尽量减小垂 涎偏差的影响。 ⑦GPS控制网必须由非同步独立观测边构成闭合环或附合路线 （按长边和短边分别连接），每个闭合环或附合路线中的边 数应符合本规范表
四、实例分析
• 简介长梁山隧道及控制网布设 长梁山隧道是一长约 13km 的直线隧道位于山西省朔黄铁 路线上，是目前我国较长的铁路隧道之一 ，在隧道进出口间 布设有四个斜井，以提高施工进度和质量.在定测的基础上于 实地标定进出口及各斜井进洞控制点位,然后布设隧道洞外控 制网。 GPS 测量由于无需通视，因此只需布设个洞口直接服务 于进洞测量的点位，每个洞口有三到四个点，形成了由23个 点组成的隧道GPS网，如图
GPS控制网的布设应满足的要求 ① 控制网由隧道各开挖口德控制点点群组成，每个开挖口至 少应布测4个控制点。GPS定位点之间，一般不要求通视，但 不设同一洞口控制点时，考虑到用常规测量方法检测，加密 或恢复的需要，应当通视。 ② 基线最长不宜超过30km，最短不宜短于300m。 ③ 每个控制点有3个或3个以上的边与其连接，极个别的点才 允许由两个边连接。 ④ 点位上空视野开阔，保证至少能接受到4颗卫星的信号。 ⑤测站附近不应有对电磁波有强烈吸收或反射影响的金属及 其它物体。
3 控制点间无需通视。可直接把隧道两洞口投点联系起 来，从而大大减少地面控制点的数量。 4 GPS定位相对精度高，尤其采用较长长度（≥1000m） 测量基线边构成的控制网。 5 全天候作业。自动化程度高，作业简便。速度快。 6 控制网的图形结果简单，相应地观测工作量较常规测 量手段大为减少。 7 因5、6特点，可大幅度缩短测量生产工期，提高经济 效益。 • GPS网形分类 GPS 网的图形设计主要取决于用户的要求、经费、时间 、人力和仪器等条件。根据用途的不同，GPS网的图形可设 计为点连式，边连式、网连式和边点混连四种。 1 点 连 式 点连式是指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接 。这种方式布点所构成的图形几何强度很弱，没有或极少 有非同步图形闭合条件，一般不单独使用，多是和边连式 一起使用。
GPS测量特点 1 GPS测量定位是借助后方距离空间交会原理定位。进行精 密控制测量至少需要使用3台或以上GPS接收机进行同步观测4 颗以上卫星，通过实时或后处理观测数据获取定位结果。
2 具有实时绝对定位和实时相对定位特点。用于隧道控制 因为其相对精度高和可靠性高的要求，故予采用GPS静态相对 定位方法实施。
GPS的基准设计 GPS 测量的直接观测量不是测点间的边长和角度，且其直 接观测成果是属于WGS-84系下的，施工实用的坐标系统一般 为地方坐标系的坐标值，因此，GPS网平差后需要把GPS网成 果转化为地方坐标系中的坐标成果。GPS网应明确其所用位置 基准（起算点坐标）、方位基准（已知边方位角）和尺度基 准（已知边距离及统一的距离度量单位），且同测区实际相 符。 隧道控制测量坐标系统 可以是国家高斯平面坐标系统（如北京54，西安80等）或任 意经度的中央子午线高斯平面坐标系统，但一般仍较多采用 独立坐标系统。通常规测量网一样为了施工方便，常以隧道 主轴线进口至出口方向为X轴正向，隧道的某一线路中线里程 为X坐标系统起算值，右旋90°确立Y坐标轴，坐标原点处。 坐标值可以为正常数，也可以为0。取隧道设计路面的平均高 程为坐标系统投影面。