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隧道GNSS施工控制网复测若干问题探讨

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第61卷第1期 铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN V01.61 NO.1 2017年1月 Jun.20l7 文章编号:1004—2954(2O17)01—0060~05 隧道GNSS施工控制网复测若干问题探讨 陈光金 ,刘海江 ,付宏平 ,李春雷 (1・中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安710054;2.大西铁路客运专线有限责任公司太原,030027) 摘要:隧道GNSS施工控制网是保证隧道准确贯通的基础,施.7-过程中要对其进行周期性复测确保其成果的稳 ,定性,但目前没有一套合适的复测成果可靠性评价指标可供参考。利用多个已建成和在建隧道施工控制网测量实 践数据,对隧道施工控制网的复测方法、复测精度、控制点稳定性评价指标等问题进行分类统计比较和分析探讨, 提出采用绝对位置法与相对关系法相结合的综合判断法甄别不稳定控制点,并给出控制网复测精度及控制点稳定 性判别指标,为隧道GNSS施工控制网复测标准修订提供借鉴参考。 关键词:工程测量;隧道;GNSS;施工复测 中图分类号:U455 文献标识码:A DOI:1O.13238/i.issn.1004—2954.2017.O1.O13 Discussion on Repetition Survey of Tunnel COnstructiOn GNSS Control Network CHEN Guang—jin ,LIU Hai—jiang ,FU Hong—ping ,LI Chun—lei (1.China Railway The First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi’an 710043,China 2.Datong-Xi’an Railway Dedicated Passenger Line Co.,Ltd.,Taiyuan 030027,China) Abstract:GNSS control network for tunnel construction is to ensure accurate holing—through of a tunnel and it needs to be periodically rechecked in the tunneling period to ensure the stability of the survey results,but by far,there are no reference indexes for reliability evaluation of the checked results.Based on the data measured by the control survey networks from several completed tunnels and tunnels under-construction,repetition survey method,repetition survey accuracy,stability evaluation indexes for contro1 point survey are classified and analyzed.The results show that the comprehensive evaluation method in combination with absolute position method can be employed to identify unstable control points and provide indexes for evaluation of repetition survey accuracy and control point stability,and provide reference for revising the repetition survey criterion of GNSS contro1 network for tunnel construction. Key words:Engineering survey;Tunnel;GNSS;Construction repetition survey 误,造成隧道不能准确贯通,因此必须对隧道施工控制 1 概述 网进行周期性复测。与线路CP I、CP11控制网比较, 隧道施工控制网边长短(300—500 m),控制网精度难 GNSS技术在隧道施工控制网中得到广泛应用, 施工控制网复测是施工单位必须遵循的一种工程惯 例 。隧道施工过程中大量施工机械进出隧道,爆破 施工也会产生较强振动,地表稳定性受到一定影响,使 隧道洞外施工控制点受到影响,可能发生扰动甚至移 于提高,二者采用的坐标系不同,因此,隧道施工控制 网复测评价不宜套用线路CP I、CP 1I控制网的复测 指标。隧道施工控制网复测在现行《铁路工程测量规 范》(TBl0l01—2009)中没有明确规定,实际作业中各 单位没有统一标准可以遵循,采用不同的复测标准进 行控制网复测评价,复测成果的可靠性不能得到有效 保障。因此,有必要对隧道施工控制网的复测周期、复 测方法、复测精度、控制点稳定性评价指标等问题进行 探讨。 动。一旦控制点发生变化而未及时发现,仍按变化了 的点位和原成果数据继续放样,就会发生隧道放样错 收稿日期:2016~O6—14;修回日期:2016—07—17 作者简介:陈光金(1962一),男,教授级高级工程师,1984年毕业于昆 明理工大学工程测量专业,E-mail:764022824@qq.COB。 第1期 陈光金,刘海江,付宏平,等一隧道GNSS施工控制网复测若干问题探讨 61 2 关于控制网的复测周期 隧道施工控制网复测周期需要根据隧道所处地 区、隧道长度、现场施工条件等因素统筹决定。复测周 期如果长了,不能及时发现控制点是否稳定,如果采用 点位已发生变动的成果数据施工,会严重影响隧道施 工质量。如果复测周期短了,则会无形加大施工单位 测量工作量和费用,造成测量工作浪费。 控制网的复测周期:根据以往多条隧道施工控制 网复测实践经验,建议洞外施工控制网复测周期应至 少每年开展1次 。 施工期间除按周期定期开展控制网复测外,还应 加强日常施工检测,发现控制点有位移或沉陷时,应立 即进行全面复测,更新成果E 2]。日常施工检测指使用 全站仪在洞口控制点上设站进洞,对联测的洞外已知 点进行检测,检查洞口子网控制点间的角度和距离。 对8座铁路隧道控制网短边以及观测条件良好的4条 城市地铁控制网短边全站仪检测统计数据表明:61个 全站仪测量角度与GPS反算角度较差,最大较差均在 6”以内(59个),占97%;101条全站仪检测边,边长较 差大于13 mm的仅2条。 日常施工检测标准:角度较差宜小于6 ,距离较 差宜小于14 mm。 3关于控制网复测方法 控制网复测前应检查标石的完好性,对丢失和破 损较严重的标石应按原测标准增补,保证洞口平面控 制点、水准点数量不少于3个 若水准点位置不适宜 时,应予以移设 。 定期复测应按时进行,采用整网测量方式,对隧道 进出口控制点、斜井控制点进:,亍全面复测。当隧道由 多家施工单位承建时,各施工单位应加强沟通,商定复 测方式,数据共享,采用整体平差成果评价控制点的稳 定性。 控制复测采用同精度、同网型、复测方法及技术要 求与原测保持一致,控制网的起算点应与原网一致,保 持位置基准、方向基准、尺度基准和高度基准不 变¨ 。施工控制网的复测,若采用与原测相同 建网的方法建立复测网,则可能因为测量误差影响导 致位置变化由进口~出口呈现逐步变大的系统性趋 势,出口端位置差整体较大的:现象,与实际情况不符。 因此,在复测计算时,应选用进出口稳定控制点进行约 束平差,能够比较客观反映隧道控制网点位变化情况。 隧道控制网属于小范围的局域网,不再强调以独 立基线构网,复测可采用自动:处理方式计算全部基线 构成整体网,是基于整体基线网与基线网的平差 结果差异小,经过2座特长隧道(9.3、13.1 km)观测数 据的处理比较,整体基线网与基线网的坐标成果 差异在3.7 mm以内,控制点间相对位置影响的距离 较差在3.4 mm以内,与边长观测精度相当,对隧道工 程使用没有影响,可减少手工组成基线网的巨大 工作量,方便实际作业习惯,提高工作效率。 4关于控制网复测精度 在《铁路工程测量规范》(TB10101—2o09)中对 6~20 km隧道均要求采用一等GNSS测量(方位精度 1.0”,边长相对中误差1/250 000) ,在《铁路工程卫 星定位测量规范》(TB10054--2009)中,一等网主要是 按特大桥控制网精度设置,其地势开阔,控制网边长较 长(一般在500 m以上),控制点采用强制对中方式, 控制网精度能够达到要求。而对于隧道控制测量,隧 道口位于深山峡谷,地形条件困难,边长一般较短(短 于300 m),采用一等网精度指标明显偏严。表1为 14座已贯通隧道和8座在建隧道控制网实测精度统 计情况。 从表1可以看出:在《铁路工程测量规范》 (TB10101—2009)标准中,无控制网方位精度指标,若 以定向边精度作为控制网精度,22座隧道方位角精度 小于1.0”的仅9个,合格率仅41%;边长精度在 1/250 000的边有4个,合格率仅18%,《铁路工程测量 规范》(TB10101—2o09)洞外测量采用一等网精度指 标偏严,不合理。 以往特长隧道施工控制网的时段长度、平差精度 统计结果表明,隧道施工控制网复测精度按二等网要 求实施,能够满足隧道贯通精度要求 。为了能够与 洞外线路控制网精度匹配,隧道施工控制网的最低精 度为三等网精度,以满足轨道铺设的精度需要。 洞外GNSS控制网引起的横向贯通中误差按下式 计算 ] M =m +m +f ) +( ) 式中 m 、m ——进、出口GPS控制点的y坐标误差; 、 ——进、出口GPS控制点至贯通点的 长度; m m ——。进、出口GPS联系边的方位中误差; 0、 ——进、出口控制点至贯通点连线与贯 通点线路切线的夹角。 直线隧道,后两项也可以由下式算得 ^ mc , m 定向 62 铁道标准设计 第61卷 从上式可以看出:隧道平面控制测量引起的横向 贯通中误差与进洞联系边的方位角精度有关,与联系 边的边长相对精度无关。因此,隧道施工控制网的建 立与复测可采用GNSS等级标准匹配、边长相对中误 相对精度与边长长短强相关,隧道洞口附近,选点困 难,边长一般较短,很难达到边长大于500 m的要求, 距离精度无法提高,可采用按边长范围规定最弱边边 长相对中误差方式,根据隧道已经贯通的控制网实测 差符合隧道实际情况的原则确定,按照隧道控制网 “隧道进洞后视边的边长精度不影响隧道的贯通误 精度制定。隧道施工控制网及复测技术要求可采用表 2数值。 差”的特点,可适当降低边长相对精度。控制网边长 表2 隧道施工控制网与复测网技术要求 测量部位 髓方法 洞外 卫星测量 等级 芰 车 鸶进 囊皇 向 >500 1.3 1.O 最弱边边长 相对中误差 l/l8O 000 1/150 000 1/13O 000 1/18O 000 1/l50 000 1/13O 000 300—500 <300 >500 4一lO 300—500 <30O <4 l/l0O 000 5 控制网复测点位稳定性评价标准 隧道洞口附近地形困难,洞口子网的边长较短,一 (1)复测坐标较差评价标准(绝对位置法) 通过对1个小型区域控制网的10个控制点10次 周期性重复测量统计表明:计算的坐标中误差最大值 m :--.5 mm,m =±4 ITlm,m自=±6.4 mm;对20多个工 般在300~500 Hi。经过以往隧道控制测量分析比较, 若按线路控制网相对坐标精度方式作为控制点稳定性 点区域型控制网(特长隧道、特大桥、城市立交控制 网)统计表明:控制点点位中误差在10 mm以内;对近 年已贯通的11座特长隧道控制网统计表明:控制点点 位中误差在8 IIlm以内,坐标中误差在6 mm左右。采 用同精度复测,取2倍中误差作为限差,则坐标复测较 评价不能有效判断控制点的稳定性,限差标准不合理。 复测网控制点稳定性分析应采用绝对位置法与相对关 系法(角度法、边长法)互相结合的综合判断,甄别出 不稳定点 。 第1期 陈光金,刘海江,付宏平,等一隧道GNSS施工控制网复测若干问题探讨 63 差限差为16mm,实际取15 mm,与线路CPII控制网的 复测坐标较差一致。 对各洞口子网三角形(或大地四边形)逐站采用 相对关系法比较计算,根据以往18座隧道的复测资料 统计分析,在 、y同时达到15 mm的I临界值时,按照 坐标法、角度法、边长法判断结果匹配一致的原则,确 统计兰渝线、西成线、黄韩侯铁路等18座隧道复 测网336个控制点复测资料,坐标较差大于15 mm的 控制点l9个,合格率94.6%,说明指标比较合理。 复测坐标较差评价标准:坐标复测较差限差为 15 mrfl o 定角度复测较差采用值为7.0 。在角度复测较差计算 时,为了避免后视点选择不合理,对一测站相邻2个方 向间的角度进行比较。表3为某一隧道的坐标、角度 匹配方式。 (2)角度较差评价标准(相对关系法) 表3 隧道控制网复测坐标法、角度法匹配比较 注:“ ”表不隐去的相关数据,复测坐标较差因取位不一致导致误差。 统计兰渝线、西成线、黄韩侯铁路等18座隧道复 测网348个角度的复测资料,角度较差大于7”有 差作为限差标准,考虑到施工复测与设计单位建网的 仪器标称精度可能不一致,按照误差理论,复测边长较 14个,合格率96.0%。按《铁路工程卫星定位测量规 范》(TB10054--2009)GNSS控制网方位角中误差 1.3”,角度中误差1.8”,角度较差2.6”,考虑控制网复 测与原测间隔时间较长,取3倍中误差作为角度复测 较差时为7.8”,二者基本是一致的。说明角度较差指 差△ ≤±2√m 原+m。2复(m。为仪器标称精度)。复测 边长不仅检查洞口子网短边,对长度5 km以下的洞口 间联系边也应进行复测边长比较检查。边长比较检查 也可采用无约束的空间边长进行…。 统计兰渝线、西成线、黄韩侯铁路等18座隧道复 测网946条观测边复测资料,超限20条,超限比例占 2%,能够比较准确地反映点位变化,边长较差指标比 较合理。 标比较合理,不会造成大量返:【。 角度较差评价标准:角度较差不大于7”。 (3)边长较差评价标准(相对关系法) 在GNSS观测时,不同时段观测要求重新设站独 立观测,GNSS网的复测与其相当。因此,控制网的复 测较差按照GNSS的时段较差标准执行,取2倍中误 边长较差评价标准:AS≤±2√m2。原+m2。复(m。为 仪器标称精度)。 当全部控制点的坐标变化小于8.5 mm,绝对位置 64 铁道标准设计 第61卷 法与相对关系法的判断结论一致,可不进行相对关系 差方式。 法的比较分析,以提高作业效率。 6 结语 (4)隧道施工控制网复测控制点稳定性分析应采 用绝对位置法与相对关系法(角度法、边长法)互相结 合的综合判断,甄别出不稳定点。控制网复测评价指 标:坐标复测较差限差为15 inlll;角度较差不大于7 ; 本文基于多个已建成和在建隧道施工控制网测量 实践数据,对隧道GNSS施工控制网复测方法、复测精 度、稳定性评价体系等方面进行研究,提出采用绝对位 置法与相对关系法(角度法、边长法)互相结合的综合 判断法,甄别不稳定控制点,并给出了控制网复测精度 及控制点稳定性判别指标,体现了较强的生产应用特 边长较差评价标准AS≤±2√m 原+m2。复(m。为仪器标 称精度)。 参考文献: [1] 中华人民共和国铁道部.TB10054--2010铁路工程卫星定位测 量规范[S].北京:中国铁道出版社,2010. 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