CN109459765A

CN109459765A - 基于已有gnss控制网的高精度隧道独立控制网建立方法

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Publication number: CN109459765A
Application number: CN201811518513.6A
Authority: CN
Inventors: 段太生; 郭平; 王靠省; 周适; 江华; 刘立正; 杨维裕; 何军
Original assignee: China Railway No 2 Engineering Group Co Ltd
Current assignee: Sichuan Chengzheng Engineering Testing Technology Co ltd; China Railway No 2 Engineering Group Co Ltd
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2019-03-12
Anticipated expiration: 2038-12-12
Also published as: CN109459765B

Abstract

本发明属于工程测量领域，特别涉及基于已有GNSS控制网的高精度隧道独立控制网建立方法。通过减少使用原设计GNSS控制点坐标作为平差约束点，改变原设计投影面高程来建立隧道独立控制网，包括以下步骤：已知点选择步骤；控制网建立步骤；投影面推算步骤；控制点衔接步骤：使隧道独立控制网与原设计GNSS控制网实现契合，与隧道进出口相邻工程平滑连接，完成高精度隧道独立控制网建立。有益的效果是：既提高了隧道独立控制网的精度，保证隧道工程贯通精度，又能与隧道两端既有设计工程顺利连接，适合所有已有GNSS控制网的高精度隧道独立控制网建立。

Description

基于已有GNSS控制网的高精度隧道独立控制网建立方法

技术领域

本发明属于工程测量领域，特别涉及基于已有GNSS控制网的高精度隧道独立控制网建立方法。

背景技术

一条铁路在勘测设计初期，平面控制测量应按逐级控制的原则布设，原设计一般在长大隧道都单独划分投影带建立独立工程坐标系，给出了坐标系中央子午线和投影面高度，每个洞口设计有2～3个GNSS控制点(CPI、CPII)，两端洞口控制点或延伸一段控制点作为公共点与相邻投影带坐标系控制点衔接，施工单位在按规范复测原设计控制点后加密施工控制网，建立隧道GNSS独立控制网，作为隧道施工的依据。

因初期用途和测量精度上有差异，设计交付的大量隧道GNSS网多年来现场实测结果，很多时候不能满足规范要求的精度、有时虽然满足规范复测技术要求精度，但不能满足长大隧道高精度控制网的要求。

在目前技术水平和测量设备的背景下，高程控制测量精度对隧道控制测量及保证隧道高程贯通精度已不再是难题，本发明所说控制网均不含高程测量相关内容，本发明文件里所说控制网均指平面控制网，所说贯通误差均指平面贯通误差。

现在建立隧道独立控制网方法有以下两种：

第一种：择优选取部分满足复测要求的设计院控制点，将隧道控制网整体强制约束平差得到隧道控制网坐标成果，这种处理方式的缺陷是：要与原设计控制点过多的契合，降低了控制网本身精度，内符合性相对较差，全站仪测边成果往往还会和GNSS测量反算边长成果出现系统差，部分已知点本身包含误差可以影响到隧道贯通误差大小，特别是隧道设有斜井施工时，会造成贯通误差过大甚至超限，这种处理方式的优点是：可以与隧道两端既有设计工程顺利衔接。

第二种：在隧道的一端择优选取一个原设计控制点作为已知点，在隧道另一端择优选一个原设计控制点，两点的连线方位作为已知方位，即传统的GNSS一点一方位进行平差，得到隧道控制网坐标成果。这种处理方式的缺陷是：会将原控制网的误差集中推到隧道的一端，与隧道另一端相邻控制点间会形成断链，需要在衔接部分控制点出现一个点位两套坐标成果的情况，对现场施工测量造成诸多不便，极易用混坐标造成事故，后期还需要通过设计单位推算统一里程才能消除断链的不利影响。这种处理方式的优点是：隧道独立控制网本身精度得到提高，内符合性比较好，能保证隧道在独立坐标系统内很好的贯通。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述控制网本身精度低、相邻控制点间会形成断链和不能很好与既有工程衔接的不足，提供一种既能提高隧道独立控制网精度，又能保证隧道独立控制网与隧道两端既有设计工程连接的基于已有GNSS控制网的高精度隧道独立控制网建立方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

基于已有GNSS控制网的高精度隧道独立控制网建立方法，包括以下步骤：已知点选择步骤：依据隧道设计GNSS控制点复测结果，在隧道进出口两端各选取1个设计GNSS控制点，作为隧道独立控制网的已知点；控制网建立步骤：以已知点选择步骤中的已知点为依据，约束平差得到包含设计GNSS控制点和施工加密控制点的隧道独立控制网坐标；投影面推算步骤：测定各隧道洞口通视的控制点间边的水平距离；计算出各水平距离投影改正后与各反算GNSS坐标得到的距离吻合时的投影面高程的算术平均值得到投影面高程值，根据该高程值得到隧道独立控制网投影面；控制点衔接步骤：将隧道独立控制网与隧道进出口相邻工程控制点进行衔接，完成高精度隧道独立控制网建立。

作为本发明的优选方案，已知点选择步骤中，优选已知点是根据设计已有GNSS控制点复测结果与原成果比较，坐标较差小、边长相对精度高、方位误差较小、相邻控制点搭接影响较小等综合指标优选。

作为本发明的优选方案，投影面推算步骤中使用全站仪测定各隧道洞口通视的控制点间边的水平距离。

作为本发明的优选方案，投影面推算步骤中，得到的隧道独立控制网投影面，在后续隧道控制测量使用全站仪测量的导线边长均需投影到此投影面上后，用于平差计算隧道洞内导线的坐标。

作为本发明的优选方案，控制点衔接步骤中，用隧道独立控制网的控制点坐标和设计GNSS控制网的控制点坐标约束平差计算得到衔接点的坐标，做平滑平差处理，实现隧道独立控制网与隧道进出口相邻工程衔接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本方法建立的隧道独立控制网，解决了现有两种常用方法建立隧道独立控制网的缺陷，保留了该两种方法的优点，既提高了隧道独立控制网的精度，又能与隧道两端既有设计工程顺利衔接，本发明不仅限于用在铁路隧道洞外平面控制测量，同样适合所有已有GNSS控制网的高精度隧道独立控制网建立。

附图说明：

图1为实施例1中已有GNSS控制网示意图；

图2为实施例1中已有GNSS控制网和隧道加密点的隧道独立控制网示意图；

图3为实施例1中高精度隧道独立控制网建立方法的流程图；

图4为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

第一步：依据隧道原设计GNSS控制点复测结果，根据与设计坐标较差小、边长相对精度高、方位误差较小和相邻控制点搭接影响较小作为指标，在隧道进出口两端各选取1个原设计GNSS控制点，作为隧道独立控制网的已知点。

见图1，为铁路设计院已建好的GNSS控制网其中一段，CPI038～CPI041为长隧道控制范围，CPI038、CPI041分别与隧道进出口两端其他控制点衔接。

原设计GNSS控制网坐标系参数为：北京54坐标系，中央子午线经度113°30′00＂，投影面大地高100m，投影面正常高115m，平均高程异常-15m。

将已有GNSS控制网复测拟稳平差后与原设计成果比较如下：

从以上比较表可以看出，原设计GNSS网包含的误差足以对隧道贯通精度造成影响，经与设计坐标较差、边长相对精度、方位较差和相邻控制点搭接影响等综合指标比较，择优选取隧道进口CPI038和隧道出口CPI041两个原设计GNSS控制点，作为隧道独立控制网的已知点。

第二步：用第一步择优选出的2个设计GNSS控制点作为已知点，约束平差得到包含设计GNSS控制点和施工加密控制点的隧道独立控制网坐标成果，作为隧道洞内导线测量引测进洞的依据。

见图2，图中CPI038、CPI039为隧道进口位置，在此设加密点JK0，XCPI023、XCPI024为1号斜井位置，在此设加密点JM1-1，XCPI025、XCPI026-1为2号斜井位置，在此设加密点JM2-2，CPI040、CPI041为隧道出口位置，在此设加密点JM-C1，所有设计GNSS控制点和加密点组成本隧道独立控制网。

用第一步择优选出的CPI038、CPI0412设计GNSS控制点作为已知点，对隧道独立控制网进行约束平差，得到隧道独立控制网坐标成果。

将得到的隧道独立控制网坐标与原设计控制网坐标比较如下：

从比较表可以看出，隧道独立控制网坐标与原设计控制网坐标差异明显，洞外GNSS控制点的误差随隧道洞内导线长度的增加成比例扩大，原控制网包含的误差足以对隧道贯通误差大小造成影响。

第三步：用全站仪精确测定各隧道洞口通视的控制点间边长水平距离。

用经检校合格的全站仪，精确测定隧道进口、1号斜井、2号斜井、出口互相通视的GNSS控制网边水平距离，所测距离是经过温度、气压、仪器加常数、乘常数改正后的水平距离S_AB。

第四步：假设GNSS坐标反算距离和全站仪测量水平距离结果均准确，忽略正常情况下的测量误差，反算出每条全站仪测量距离投影改正后与GNSS坐标反算距离完全吻合时的投影面高程。

计算需要的每个GNSS控制点高程值，可由GNSS测量数据里提取大地高进行换算，H_大地高＝H_正常高+ζ_高程异常，计算出每个控制点H_正常高。也可采用水准测量、三角高程测量成果。

按公式1进行隧道GNSS独立控制网坐标反算距离计算：

按公式2进行全站仪测量水平距离计算高斯投影和高程投影改正：

式中：S_测量——改正后全站仪测量点A到点B边长水平距离，单位m

H_AB——实测边长AB的平均高程面，单位m；

H_m——隧道独立坐标系统投影面高程，单位m；

R_m——参考椭球面在地面边AB中点的平均曲率半径，单位m；

S_AB——测量点A到点B边长水平距离，单位m。

Y_m——点A、B近似横坐标平均值，(此处应减去为了避免横坐标出现负值的加常数500km)，单位m；YA、YB分别为A、B横坐标。

将全站仪测量距离全部投影到设计坐标系所给投影面高程115米时距离比较:

从表列数据中距离较差可以看到，投影到设计投影面115米上时距离有非常明显的差异。

忽略正常情况下的测量误差，假设S_GNSS＝S_全站仪，根据公式2的已知数据反算出当此等式成立时每条边对应的投影面高程H_mi。

测边	反算投影面高程H<sub>mi</sub>(m)
		CPI038～CPI039	41.3
CPI038～JK0	63.9
		JK0～CPI039	45.9
XCPI023～XCPI024	49.0
		XCPI023～JM1-1	45.2
JM1-1～XCPI024	49.3
		XCPI025～CPI026-1	50.3
XCPI025～JM2-2	54.0
		JM2-2～CPI026-1	81.0
CPI040～CPI041	55.4
		CPI040～JM-C1	41.1
JM-C1～CPI041	49.4

第五步：将多条边对应的投影面高程求算术平均值，作为隧道GNSS独立控制网和洞内导线的投影面高程值，在后续做洞外、洞内控制测量时，所有全站仪测量的导线边长投影到本投影面上后，用于平差计算导线坐标。

将反算出的每条边对应的投影面H_mi取算术平均值，作为本隧道GNSS独立控制网投影面高程。

H_m＝(H_m1+H_m2……H_m9)/9＝52.1(m)

在后期做隧道洞内控制测量时，所有全站仪测量的导线边长投影到52.1m投影面上后，用于平差计算导线坐标。

用此反算确定的投影面高程对全站仪测量距离重新投影计算比较如下：

表列数据证明，此时全站仪测量距离经投影改正后，与GNSS结果吻合精度非常高，能够满足隧道高精度贯通需要。

第六步：视隧道进出口相邻原设计GNSS控制点坐标差异大小往两边延伸2～3个控制点做平滑平差处理，与相邻控制点衔接。

用隧道独立控制网的CPI038、CPI039和原设计GNSS控制网的CPI038-1约束平差计算CPI038-2的坐标，做平滑平差处理，实现隧道进口与相邻控制点衔接。

用隧道独立控制网的CPI040、CPI041和原设计GNSS控制网的CPI043约束平差计算CPI042的坐标，做平滑平差处理，实现隧道出口与相邻控制点衔接。

CPI038-2平滑平差处理结果：

CPI042平滑平差处理结果：

点名	X(m)	Y(m)	Mx(mm)	My(mm)	Mp(mm)	E(mm)	F(mm)	T(d.ms)
									CPI042	3130644.7759	518911.6631	1.35	1.47	2.00	1.49	1.34	70.3660
CPI040	3128804.3086	515028.4093	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.0000
									CPI041	3129145.4191	515754.3755	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.0000
CPI043	3132214.5227	521397.8005	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.0000

CPI038-2、CPI042平滑平差处理结果与设计坐标成果对比：

由上比较表可以看出，平滑平差处理后衔接点坐标成果与原设计成果差值最大仅3.2mm，对于隧道进出口外的路基、桥梁工程来说，此影响完全可以忽略，说明隧道进出口与两侧既有设计工程完全衔接。

至此，基于已有GNSS网的高精度隧道独立控制网建立完成，隧道独立控制网实际采用坐标系参数变为：北京54坐标系，中央子午线经度113°30′00＂，投影面大地高37.1m，投影面正常高52.1m，平均高程异常-15m，后续的隧道测量工作均使用此隧道独立坐标系参数进行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.基于已有GNSS控制网的高精度隧道独立控制网建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

已知点选择步骤：在隧道两端的进出口处各选取1个设计GNSS控制点，作为隧道独立控制网的已知点；

控制网建立步骤：以已知点选择步骤中的已知点为依据，采用常规的隧道独立控制网建立方法，得到包含设计GNSS控制点和施工加密控制点的隧道独立控制网坐标；

投影面推算步骤：测定各隧道洞口通视的控制点间边长的水平距离；当该边长水平距离与通过对应GNSS控制点坐标计算得到的距离相等时，反算得到与各边长对应的投影面高程；将各边长对应的投影面高程值进行算数平均值计算，得到隧道独立控制网的投影面高程值；

控制点衔接步骤：将所述隧道独立控制网与隧道进出口相邻工程控制点连接，完成高精度隧道独立控制网建立；

其中，所述控制点衔接步骤中，用隧道独立控制网的控制点坐标和设计GNSS控制点坐标进行约束平差计算，得到连接点的坐标，以实现隧道独立控制网与隧道进出口相邻工程的衔接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述投影面推算步骤中使用全站仪测定各隧道洞口通视的控制点间边的水平距离。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述投影面推算步骤中，得到的隧道独立控制网投影面，在后续隧道控制测量使用全站仪测量的导线边长均需投影到此投影面上后，用于平差计算隧道洞内导线的坐标。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，控制点衔接步骤中，对所述衔接点的坐标做平滑平差处理。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制网建立步骤中通过约束平差的方式得到包含设计GNSS控制点和施工加密控制点的隧道独立控制网坐标。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述已知点选择步骤中选取所述已知点的依据是设计GNSS坐标、边长相对精度、方位和/或相邻控制点。

7.根据权利要求1-6中任一项中所述的方法，其特征在于，所述投影面推算步骤中：

隧道GNSS独立控制网坐标距离计算公式：

式中：S_GNSS——隧道GNSS独立控制网坐标距离；

X_终点——隧道GNSS独立控制网坐标终点在X轴上对应的值；

X_起点——隧道GNSS独立控制网坐标起点在X轴上对应的值；

Y_终点——隧道GNSS独立控制网坐标终点在Y轴上对应的值；

Y_起点——隧道GNSS独立控制网坐标起点在Y轴上对应的值；

隧道独立坐标系统投影面高程计算公式：

式中：S_测量——改正后测量测量点A到点B边长水平距离，单位m；

H_AB——实测边长AB的平均高程面，单位m；

H_m——隧道独立坐标系统投影面高程，单位m；

R_m——参考椭球面在地面边AB中点的平均曲率半径，单位m；

S_AB——测量点A到点B边长水平距离，单位m。

Y_m——点A、B近似横坐标平均值，单位m；Y_A、Y_B分别为A、B横坐标。