CN103196425B - 特长隧道横向贯通误差的估测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特长隧道横向贯通误差的估测方法。隧道施工开挖中，洞外、洞内施工控制测量误差不可避免，导致隧道相向开挖存在贯通误差。本发明建立洞外平面控制网，由进口点、出口点和定向点得贯通点坐标，按微分公式法估测洞外平面控制测量误差引起的横向贯通误差；再建立隧道洞内导线网，按等边长模拟设计出从进、出口到贯通面的导线网，按坐标差统计法估测洞内导线测量误差引起的隧道横向贯通误差。本发明在无实测数据的情况下进行洞外GPS网和洞内导线网模拟和平差，估测任意长度隧道洞外GPS网测量误差引起的横向贯通误差和洞内导线网测量误差引起的横向贯通误差，解决了特长隧道控制测量横向贯通误差估测和控制网的优化设计问题。

Description

特长隧道横向贯通误差的估测方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种特长隧道横向贯通误差的估测方法。

背景技术

隧道施工的特点要么是从两个洞口相向开挖，要么是从几个洞口（包括横洞、斜井、竖井、平行导坑）开始，深入到线路中线位置后，再沿线路中线相向开挖。也就是目前普遍采用的“长隧短打”的施工方法。无论哪种施工方法，其隧道贯通误差均是评估隧道施工建设质量的一个重要指标。尽管在隧道施工前已建立了高精度的洞外、洞内独立施工控制网，由于洞外施工控制测量、洞内施工测量误差不可避免的存在，导致相向开挖的隧道均存在一定的贯通误差，包括横向贯通误差、高程贯通误差、纵向贯通误差以及方位角贯通误差。就目前的测量技术水平和工程要求而言，高程贯通误差、纵向贯通误差以及方位角贯通误差相对容易解决，横向贯通误差是要着重考虑的方面。

现有《高速铁路工程测量规范》中对特长隧道（20公里及以上）贯通误差未做明确规定，路内各设计院、施工单位、各大专院校方面目前没有针对20公里及以上特长隧道横向贯通误差这一问题进行过全面、系统的研究，其贯通误差的估测及限差在各类规范中也没有给出一个明确的值。随着高标准大规模铁路建设的不断推进，20公里及以上特长隧道已越来越多，开展特长隧道贯通误差研究，解决特长隧道横向贯通误差估测以及误差控制问题，对于高速铁路以及其它项目特长隧道的施工具有广泛的借鉴意义和参考价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种特长隧道横向贯通误差的估测方法，可在无实测数据的情况下，通过模拟设计、平差计算、统计分析的手段来估测隧道洞外、洞内的横向贯通误差大小。

本发明所采用的技术手段是：

特长隧道横向贯通误差的估测方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：隧道洞外控制测量引起的横向贯通误差估测：

（1）建立隧道洞外平面控制网坐标轴，横轴为隧道轴线，贯通面与纵轴平行；

（2）根据进口点J和定向点A，经洞内导线推算得贯通点P_j的坐标，根据出口点C和定向点B，经洞内导线推算得贯通点P_c的坐标，不考虑隧道进出口进洞联系角β_j、β_c的误差和联系边S_jp、S_cp的误差，隧道洞外平面控制测量误差所引起的横向贯通误差即贯通点P_c、P_j的横坐标差△y_p的中误差，对△y_p进行全微分，可得：

（1-1）

式中，方向系数如a_ja、b_ja按下式计算：

（1-2）

由控制网的近似坐标求得（1-1）全微分式的系数，根据广义误差传播律计算出隧道洞外平面控制测量误差所引起的横向贯通误差；

步骤二：隧道洞内控制测量引起的横向贯通误差估测：

（1）建立隧道洞内导线网：设横轴为隧道轴线，贯通面与纵轴平行，且位于中间，按等边长模拟设计从进、出口到贯通面的洞内六边形的双导线网；

（2）对模拟设计的进、出口洞内双导线网分别进行平差，计算出位于贯通面上同一点的X、Y坐标，X坐标差即为洞内导线网测量误差的纵向贯通误差影响值，Y坐标差即为洞内导线测量误差所引起的隧道横向贯通误差。

步骤一（1）中，隧道洞外平面控制网通过GPS卫星定位技术建立，采用高精度双频GPS接收机进行观测。

步骤二（2）中，隧道洞内导线网的模拟设计的参数确定：

隧道长度可为任意长度，平均边长一般为400～500m，方向中误差、测角中误差、边长固定误差、比例误差可根据测量精度进行设置或调整。

步骤二（2）中，对进、出口洞内的双导线网分别进行平差，计算出的位于贯通面上同一点的X、Y坐标，模拟计算数组，对X坐标差值和Y坐标差值作统计计算，其均值分别为洞内导线网测量误差所引起的纵向贯通误差和横向贯通误差。

本发明具有以下优点：

本发明提出的特长隧道横向贯通误差的估测方法，即根据网点的近似坐标、观测方案和设计的观测精度，在无实测数据的情况下，进行洞外GPS网和洞内导线网模拟设计和平差计算，并估测一个或多个贯通面情况下，任意洞外GPS网测量误差所引起的贯通误差和洞内导线网测量误差所引起的隧道贯通误差。通过对不同观测精度、观测方案的比较，可实现洞外、洞内隧道测量控制网的优化设计。从而指导特长隧道控制网的设计，进而控制隧道横向贯通误差。本发明提出的隧道横向贯通误差影响值可作为将来制定规范或修订规范时的参考依据。本发明可以很好地解决特长隧道贯通控制测量问题，对于高速铁路以及其它项目特长隧道的施工具有广泛的借鉴意义和参考价值。本发明经大量工程项目计算验证后，可以在特长隧道项目中大力推广，应用前景将非常广泛，产生的经济和社会效益十分巨大。

附图说明

图1为贯通误差影响值估测示意图。

图2为隧道洞外GPS平面控制网布设示意图。

图3为坐标差统计法原理图。

图4为隧道洞内导线网设计图。

图5为隧道进、出口端洞内导线网设计图。

图6为洞内导线网布设示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明所涉及的隧道横向贯通误差估测，包括隧道洞外和洞内两个部分，传统的隧道洞外、洞内横向贯通误差估测方法有导线法、误差来源分析法、权函数法，相关文献报道的近似的估测方法有简化公式法、平均相对误差估计法、设计尺寸法。本发明提出一种特长隧道横向贯通误差估测的新方法——微分公式法和坐标差统计法，分别用于隧道洞外、洞内控制测量误差所引起的隧道横向贯通误差的估测。

1、隧道洞外控制测量引起的横向贯通误差估测：

对于隧道洞外控制测量引起的横向贯通误差估测，本发明在过去传统的估测方法即权函数法的基础上，提出一种适合特长隧道洞外横向贯通误差估测的方法——微分公式法，可扩展到GPS控制网。

隧道洞外控制测量引起的误差分边角全测和边长方位角全测两种情况，边角全测采用全站仪（TPS）测量，边长方位角全测采用GPS测量。按微分公式法估测洞外控制测量误差所引起的隧道横向贯通中误差。根据施工方法不同，贯通误差估测分两种情形，即一个贯通面时的贯通误差估测以及多个贯通面的贯通误差估测。其过程如下：

建立隧道洞外平面控制网坐标轴，横轴为隧道轴线，贯通面与纵轴平行，如图1所示。根据进口点J和定向点A，经洞内导线推算得贯通点P_j的坐标，根据出口点C和定向点B，经洞内导线推算得贯通点P_c的坐标，不考虑隧道进出口进洞联系角β_j、β_c的误差和联系边S_jp、S_cp的误差，则隧道洞外平面控制测量误差所引起的横向贯通误差即贯通点P_c、P_j的横坐标差△y_p的中误差，对△y_p进行全微分，可得：

（1-1）

式中，方向系数如a_ja、b_ja按下式计算：

（1-2）

由控制网的近似坐标求得（1-1）全微分式的系数，根据广义误差传播律计算出隧道洞外平面控制测量误差所引起的横向贯通误差。

由上述公式可见，隧道洞外平面控制测量误差所引起的横向贯通误差与隧道两相向开挖洞口的洞口点、定向点的位置及其精度有关，与贯通点的位置有关。对于20km及以上特长隧道，无论有多少个贯通面，都可按（1-1）计算出隧道洞外平面控制测量误差所引起的横向贯通误差。

参照隧道洞外平面控制测量误差所引起的横向贯通误差的估测方法，计算隧道洞外平面控制测量误差所引起的纵向贯通误差，全微分式为：

（1-3）

对于隧道洞外GPS控制网，我们可以将其看成是边角全测的全边角网，或边长、方位角全测的控制网，因此，可以用上述全微分式估测隧道洞外GPS控制测量引起的隧道横向贯通误差。

一般而言，20公里及以上特长隧道洞外控制网只能采用GPS（GNSS）卫星定位技术建立,GPS网的布设主要需遵循以下几点：

（1）按精度要求设计GPS网的网型。特长隧道洞外控制网对于精度要求很高，需采用高精度GPS接收机（标称精度5mm+1ppm及以上）按网连式构网，最好在任意一点上，有三条或三条以上的独立基线通过，整个网要有足够的多余观测，但一个点上的独立基线条数也不宜太多，如多余8～10条。

（2）网点位置以工程要求为主布设，对于直线型隧道，若只有一个贯通面，需布设隧道两端进出口附近，以进口点到出口点的方向为X轴方向，与之相垂直的方向为Y轴方向，在进、出口线路中线上布设进、出口点（J、C），进、出口宜各布设2～3个定向点（如J1、J2、J3和C1、C2、C3），进、出口点与相应定向点之间应通视；为减小垂线偏差的影响，点之间的高差不宜相差太大，进洞联系边最大俯仰角不宜大于5°，各洞口GPS控制点应方便用常规测量方法检测、加密、恢复和向洞内引测。因受隧道地形条件影响，洞口处的GPS基线不可能很长，一般要求300～500m，若小于该值，宜设强制对中装置。隧道洞外GPS平面控制网布设示意图见图2。

贯通面位于隧道中央且与Y轴平行，由于进出口点之间的边长很长，网的边长相差很大，图形也很差，因此要有足够的多余观测基线。“长隧短打”时会有多个贯通面，则需在竖井、斜井处，同进、出口一样布设洞口点和定向点。

（3）特长隧道洞外GPS控制网设计好后，根据网点的近似坐标、各设计贯通面上贯通点的设计坐标、观测方案和事先确定的观测精度，在无实测数据的情况下，进行网的模拟设计和平差计算，估测洞外GPS网测量误差所引起的贯通误差，通过对不同观测精度、观测方案的比较，可实现特长隧道洞外测量控制网的优化设计。

（4）网的外业观测要组织得当。不要考虑同步观测，不必同时开机、关机，只要有两台仪器架设好了，就应开机观测，其他仪器到站架好后即开机，以最后一台仪器为准，计算任意两站间的观测时间，按边长设计观测时段的时间，例如，对于小于300～500m的基线，以1小时为一个时段，对于20公里以上的基线，可按8～24小时为一个时段进行观测，“长隧短打”时，有5～10km的基线，可按4～6小时为一个时段进行观测。在4台接收机的情况下，可在进出口端各放置一台接收机作长时段观测，再各设一台接收机作短时段观测，多余4台仪器时，作业效率将会提高。

（5）网的内业数据处理要花大力气。长边应采用专用软件解算基线，短边可采用随机软件解算，长短边的基线解算都要细致一些，如时段长度选取、不良时段去除、解算时的人工控制等。对于独立基线选取、同步环、异步环闭合差计算等都要认真考虑和仔细分析。要用专用网平差软件进行平差计算。

微分公式法理论严密，可用于洞外边角网（对于不能布设GPS控制网时有意义，如战争等非常时期，GPS卫星信号锁闭），也可扩展到洞外GPS控制网。适合各种情况，同时易于编程实现，估测结果可作为制定规范的依据。

2、对于隧道洞内控制测量引起的横向贯通误差估测，本发明提出一种隧道洞内横向贯通误差估测的新方法——坐标差统计法。根据网点的近似坐标、观测方案和设计的观测精度，在无实测数据的情况下，进行洞内导线网模拟设计和平差计算，并估测一个或多个贯通面情况下，任意洞内导线网测量误差所引起的隧道横向贯通误差。

其过程见图3。首先，建立隧道洞内导线网：设横轴为隧道轴线，贯通面与纵轴平行，且位于中间，可按一定长度的等边长模拟设计从进、出口到贯通面的洞内六边形的双导线网；建立隧道洞内导线网，设横轴为隧道轴线，贯通面与纵轴平行。对特长直伸隧道，设只有一个贯通面，且位于中间，按等边（如500m）设计并模拟从进、出口到贯通面的洞内导线网，如设计成六边形的双导线网，如图4所示。进行隧道洞内导线网的模拟设计，例如按隧道长50km，平均边长500m，按方向中误差为1.0″，测角中误差1.4″，边长固定误差为2mm，比例误差为2mm进行模拟。对模拟设计的进、出口洞内双导线网分别进行平差，计算出的位于贯通面上同一点的X、Y坐标，X坐标差即为洞内导线网测量误差的纵向贯通误差影响值，Y坐标差即为洞内导线测量误差所引起的隧道横向贯通误差。对进、出口洞内的双导线网分别进行平差，计算出的位于贯通面上同一点的X、Y坐标，模拟计算20组或更多，对X坐标差值和Y坐标差值作统计计算，其均值分别为洞内导线网测量误差所引起的纵向贯通误差和横向贯通误差。

对于隧道洞内平面控制网设计，一般情况下，在洞外GPS平面控制网的基础上，洞内控制网只能采用布设导线网的形式。洞内导线网的设计可分由大地四边形构成的全导线网和交叉双导线网两种形式，长导线边按500m设计，大地四边形的两条短边可用钢尺量取且不作方向观测。由于大地四边形全导线网的观测量大，且靠近洞壁的侧边易受旁折光影响，所以采用交叉双导线网更好。为增加检核，应每隔一条侧边闭合一次，成为由重叠四边形构成的交叉双导线网，如图6所示。本发明将洞内导线网设计成如图4所示的六边形的双导线网，较全导线网和交叉双导线网图形差一些，因此偏于安全。

根据广义可靠性理论，在施工阶段，随着特长隧道的不断向前掘进，要对洞内交叉双导线网作经常性的复测，复测需从进出口点开始，宜采用测量机器人（如TCA2003、TCRP1200系列等）作自动化观测，并且应作重复观测。

对于采取多个开挖面进行施工的特长隧道，因为开挖长度缩短了，按照规范规定的各分段相应长度规定的贯通误差进行控制，理论上应该是安全的。需要注意的一个问题是，应确保各个子贯通面的贯通误差尽可能最小，同时贯通点尽可能位于隧道设计理论中线附近，只有这样，才可以使整个隧道满足相应贯通误差规定。为了满足这个要求，提高贯通测量精度，必须高度重视以下几个方面:

（1）注意对原始测量资料的可靠性检查，确保起算数据准确无误。

（2）各项测量工作均要有可靠的独立检核，进行复测复算，防止产生粗差。

（3）条件允许时，应适当加测陀螺定向边；尽可能增大洞内导线边长，对于短边要设法提高仪器和目标的对中精度，采用固定观测墩或三架法测量。

（4）对施测成果要及时进行精度分析，与原贯通误差预计的精度要求进行对比，必要时返工重测。

（5）贯通掘进过程中，要及时进行测量分析，并根据测量成果适时调整掘进方向和角度。

坐标差统计法的特点是原理简单，易于程序实现，适合各种隧道洞内导线的横向和纵向贯通误差影响值计算。子样越大，统计计算的结果越可靠。而且将进出口洞内导线网作为一个独立的影响因子一起估测，在方法上是创新。

实施例：

（1）本发明分别对20km、25km、30km、35km、40km、45km、50km的特长隧道进行模拟设计计算，分边角全测和边长方位角全测两种情况，按微分公式法估测洞外控制测量误差所引起的隧道横向贯通中误差，估测结果列于表1。

表1不同长度隧道洞外GPS网测量误差所引起的横向贯通误差估测值

按坐标差统计法估测洞内控制测量误差所引起的隧道横向贯通中误差，模拟18组以上，则可得36个以上的不同长度隧道贯通面上点的Y坐标差子样，统计计算坐标差的均值和中误差，可得不同长度隧道洞内导线网测量误差引起的横向贯通误差估值及其中误差。估测结果列于表2。

表2不同长度隧道洞内导线网测量误差引起的横向贯通误差估值及其中误差

对于“长隧短打”的多个贯通面情况，则以全长20.05km的乌鞘岭特长隧道实测网为例，按微分公式法估测洞外控制测量误差所引起的隧道多个贯通面上的横向贯通误差。该隧道采用“长隧短打”的形式施工，其中右线有8个贯通面，左线有7个贯通面，可模拟计算出每个短隧道洞外测量引起的贯通误差。在模拟计算时，可采用两种不同的形式，一种是将其模拟成GPS网，即将GPS控制网看作是观测了边长及其方位角的全边全方位角边角网。通过编制GFA文件，已知网点近似坐标和GPS控制网设计方案的基础上，进行模拟计算，按微分公式法计算GPS网测量误差所引起隧道贯通误差。另一种是将其模拟成边角全测的地面控制网的形式，通过编制FA2文件，在已知网的近似坐标基础上对其进行平差计算。估测结果列于表3。

表3乌鞘岭特长隧道洞外GPS控制测量引起的隧道多个贯通面上的横向贯通误差（右线）

隧道长度（m）	进口	出口	选取值（mm）
				1030	WS01	WS20	2.0
3430	WS20	WS24	10.0
				2100	WS24	WS25	9.0
2400	WS25	WS52	28.0
				1900	WS52	WS46	16.0
4300	WS46	WS10	12.0
				2400	WS10	WS39	8.0
2500	WS39	WS13	8.0

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (1)

1.特长隧道横向贯通误差的估测方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：隧道洞外控制测量引起的横向贯通误差估测：

（1）建立隧道洞外平面控制网坐标轴，横轴为隧道轴线，贯通面与纵轴平行；隧道洞外平面控制网通过GPS卫星定位技术建立，采用高精度双频GPS接收机进行观测；

（2）根据进口点J和定向点A，经洞内导线推算得贯通点P_j的坐标，根据出口点C和定向点B，经洞内导线推算得贯通点P_c的坐标，不考虑隧道进出口进洞联系角β_j、β_c的误差和联系边S_jp、S_cp的误差，隧道洞外平面控制测量误差所引起的横向贯通误差即贯通点P_c、P_j的横坐标差△y_p的中误差，对△y_p进行全微分，可得：

（1-1）

式中，方向系数如a_ja、b_ja按下式计算：

（1-2）

由控制网的近似坐标求得（1-1）全微分式的系数，根据广义误差传播律计算出隧道洞外平面控制测量误差所引起的横向贯通误差；

步骤二：隧道洞内控制测量引起的横向贯通误差估测：

（1）建立隧道洞内导线网：设横轴为隧道轴线，贯通面与纵轴平行，且位于中间，按等边长模拟设计从进、出口到贯通面的洞内六边形的双导线网，所述六边形由一侧的三段边长、对侧的一段边长、以及连接两侧的两段斜边长组成，两侧各段边长长度相等；

隧道洞内导线网的模拟设计的参数确定：

隧道长度可为任意长度，平均边长为400～500m，方向中误差、测角中误差、边长固定误差、比例误差可根据测量精度进行设置或调整；

（2）对模拟设计的进、出口洞内双导线网分别进行平差，计算出位于贯通面上同一点的X、Y坐标，X坐标差即为洞内导线网测量误差的纵向贯通误差影响值，Y坐标差即为洞内导线测量误差所引起的隧道横向贯通误差；

对进、出口洞内的双导线网分别进行平差，计算出的位于贯通面上同一点的X、Y坐标，模拟计算数组，对X坐标差值和Y坐标差值作统计计算，其均值分别为洞内导线网测量误差所引起的纵向贯通误差和横向贯通误差。