馬 嵩
(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢430063)
在高速鐵路建設(shè)過程中,橋梁和隧道在整條線路中占有非常大的比重。由于隧道工程的特殊性,與路基橋梁段相比,隧道內(nèi)的精測(cè)網(wǎng)建網(wǎng)具有其獨(dú)特性。CPII控制網(wǎng)是高速鐵路建設(shè)中一級(jí)重要的平面控制網(wǎng),稱為線路平面控制網(wǎng)。該控制網(wǎng)的精確測(cè)量,能夠?yàn)镃PIII控制網(wǎng)提供高精度的起算數(shù)據(jù),從而為高速鐵路的高平順性提供必要的條件。對(duì)于隧道外的CPII控制網(wǎng),可以利用GPS方法進(jìn)行高精度的測(cè)量,一般都能夠得到所需的精度。然而,對(duì)于隧道洞內(nèi)的CPII控制網(wǎng),無(wú)法利用GPS方法進(jìn)行測(cè)量,故傳統(tǒng)的做法是采用導(dǎo)線網(wǎng)的形式(導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)或交叉導(dǎo)線網(wǎng))利用全站儀進(jìn)行測(cè)量[1]。隨著測(cè)量技術(shù)的不斷更新與進(jìn)步,自由測(cè)站的方法已經(jīng)被運(yùn)用到高速鐵路隧道洞內(nèi)CPII控制網(wǎng)的建網(wǎng)測(cè)量之中。
研究表明,附合單導(dǎo)線網(wǎng)、導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)和交叉導(dǎo)線網(wǎng)等幾種傳統(tǒng)的導(dǎo)線測(cè)量方式中,交叉導(dǎo)線網(wǎng)在網(wǎng)型強(qiáng)度以及控制導(dǎo)線網(wǎng)橫線擺動(dòng)等方面是最優(yōu)的。以具有代表性的交叉導(dǎo)線網(wǎng)為例,對(duì)利用交叉導(dǎo)線網(wǎng)法和自由測(cè)站的方法建立洞內(nèi)CPII控制網(wǎng)進(jìn)行了定性分析,并利用這兩種方法分別對(duì)建立隧道洞內(nèi)CPII控制網(wǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬計(jì)算,從定量的角度對(duì)交叉導(dǎo)線網(wǎng)法和自由測(cè)站方法進(jìn)行分析。
交叉導(dǎo)線網(wǎng)的控制點(diǎn)均成對(duì)布設(shè)在靠近隧道雙側(cè)壁附近的仰拱上,其采用如圖1所示的網(wǎng)型進(jìn)行外業(yè)測(cè)量。沿隧道洞內(nèi)每隔300~400m布設(shè)一對(duì)CPII控制點(diǎn),各個(gè)控制點(diǎn)均需要架設(shè)全站儀和棱鏡進(jìn)行交錯(cuò)長(zhǎng)邊聯(lián)測(cè),因此每一條導(dǎo)線邊都有往返測(cè)觀測(cè)值。
圖1 交叉導(dǎo)線網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)示意圖
依據(jù)文獻(xiàn)[2],交叉導(dǎo)線網(wǎng)應(yīng)采用全圓方向距離觀測(cè)法進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)。一般采用智能型全站儀(測(cè)角精度±0.5"或±1.0",測(cè)距精度±1 mm +1 ppm)進(jìn)行外業(yè)測(cè)量,外業(yè)方向距離觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該滿足表1中的規(guī)定。洞內(nèi)CPII導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量的主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該滿足表2中的規(guī)定。
表1 測(cè)站方向距離外業(yè)觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)[2]
表2 洞內(nèi)CPII導(dǎo)線測(cè)量主要技術(shù)指標(biāo)[2]
使用自由測(cè)站邊角交會(huì)法對(duì)高鐵隧道洞內(nèi)CPII控制網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí),需要將洞內(nèi)CPII控制點(diǎn)按點(diǎn)對(duì)布設(shè)。根據(jù)隧道的線性特征以及隧道內(nèi)的通視情況,沿隧道洞口向內(nèi)每隔240~360 m左右布設(shè)一對(duì)控制點(diǎn)。洞內(nèi)CPII控制點(diǎn)埋設(shè)在隧道內(nèi)左、右兩側(cè)的電纜槽頂面以上30~50 cm的邊墻內(nèi)襯上,使用的控制點(diǎn)標(biāo)志為洞內(nèi)CPIII控制點(diǎn)強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志。
隧道內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志布設(shè)好以后,在每一個(gè)自由測(cè)站前后各兩對(duì)CPII控制點(diǎn)的強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志上安裝好檢定合格的棱鏡,便可以進(jìn)行CPII控制網(wǎng)的測(cè)量。CPII控制點(diǎn)的坐標(biāo)即為棱鏡中心的坐標(biāo),自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)測(cè)量采用如圖2所示的測(cè)量網(wǎng)型。按300 m左右的測(cè)站間距,將全站儀架設(shè)在線路中線附近進(jìn)行自由測(cè)站觀測(cè),每一站觀測(cè)儀器前后各2對(duì)CPII控制點(diǎn)[3],在隧道兩端進(jìn)出口處,將洞內(nèi)CPII控制網(wǎng)附合至隧道洞外高等級(jí)控制點(diǎn)上,對(duì)洞內(nèi)CPII控制網(wǎng)進(jìn)行平差計(jì)算。
圖2 洞內(nèi)CPII自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)觀測(cè)方法示意圖
自由測(cè)站邊角交會(huì)方法測(cè)量洞內(nèi)CPII控制網(wǎng)每一測(cè)站應(yīng)進(jìn)行3測(cè)回的全圓方向距離外業(yè)觀測(cè)。其外業(yè)方向距離觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該滿足表3中的規(guī)定。自由測(cè)站邊角交會(huì)方法測(cè)量CPII網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)也應(yīng)該滿足表1中的規(guī)定。
表3 自由測(cè)站邊角交會(huì)方法測(cè)量CPII網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)[2]
與使用交叉導(dǎo)線網(wǎng)進(jìn)行建網(wǎng)測(cè)量相比,利用自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)對(duì)洞內(nèi)CPII控制網(wǎng)建網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn):
1)自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)采用自由測(cè)站的方法進(jìn)行觀測(cè),因此全站儀只需整平不需要對(duì)中,從而消除了儀器的對(duì)中誤差。觀測(cè)點(diǎn)均采用強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè),故也沒有對(duì)中誤差[4]。而使用交叉導(dǎo)線進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要在每個(gè)控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀和棱鏡,從而產(chǎn)生儀器和棱鏡的對(duì)中誤差,對(duì)中誤差的不斷累積會(huì)降低整個(gè)控制網(wǎng)的精度。
2)自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)網(wǎng)形對(duì)稱,具有比交叉導(dǎo)線網(wǎng)更多的觀測(cè)值,整個(gè)控制網(wǎng)的點(diǎn)位精度比較均勻[5]。
3)自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)控制點(diǎn)布設(shè)在隧道雙側(cè)壁邊墻內(nèi)襯上,點(diǎn)位穩(wěn)定而且不易受到施工的影響或遭到破壞。
4)交叉導(dǎo)線網(wǎng)在外業(yè)測(cè)量時(shí),需要將儀器和棱鏡架設(shè)在控制點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)。因此,測(cè)量員需要攜帶多個(gè)腳架、基座。由于隧道內(nèi)施測(cè)環(huán)境惡劣,視線經(jīng)常會(huì)受到二襯臺(tái)車等其他大件施工設(shè)備的遮擋[6],影響測(cè)量的效率。而自由測(cè)站的方法只需攜帶一個(gè)腳架,不用攜帶基座,而且受施工影響較小。
5)該CPII控制點(diǎn)采用和CPIII控制點(diǎn)相同的強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志,在后續(xù)的CPIII控制網(wǎng)測(cè)量中可以將CPII控制點(diǎn)用作CPIII控制點(diǎn),實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)多用。相比交叉導(dǎo)線網(wǎng),節(jié)約了更多的資源,避免了不必要的浪費(fèi)[7]。
通過上述分析可以看出,相比交叉導(dǎo)線網(wǎng),自由測(cè)站的方法建立洞內(nèi)CPII控制網(wǎng)具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn),能夠顯著提高工作效率并且節(jié)約人力物力資源。
在模擬試驗(yàn)計(jì)算中,按照高鐵隧道二等的精度要求,將隧道長(zhǎng)度設(shè)定為10 km,其洞內(nèi)CPII控制點(diǎn)按每350 m布設(shè)一對(duì)點(diǎn),在距離隧道進(jìn)出口1 km處各布設(shè)一對(duì)高等級(jí)GPS控制點(diǎn)。使用交叉導(dǎo)線網(wǎng)方法對(duì)洞內(nèi)CPII控制點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)時(shí),在每個(gè)CPII控制點(diǎn)上均需架設(shè)全站儀和棱鏡進(jìn)行觀測(cè),因此交叉導(dǎo)線網(wǎng)方法的模擬試驗(yàn)計(jì)算中應(yīng)加入觀測(cè)誤差以及全站儀和棱鏡的對(duì)中誤差。在使用自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)對(duì)洞內(nèi)CPII控制點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)時(shí),使用的測(cè)量標(biāo)志為強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)標(biāo)志,因此在該方法的模擬試驗(yàn)計(jì)算中只需要加入觀測(cè)誤差。其中,對(duì)中誤差按0.5 mm、方向觀測(cè)誤差按中誤差0.92"、測(cè)距誤差按2 mm+2 ppm計(jì)算。
自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)不能直接按傳統(tǒng)導(dǎo)線網(wǎng)的方法計(jì)算表2中的方位角閉合差和導(dǎo)線全長(zhǎng)閉合差兩項(xiàng)精度指標(biāo)。如圖2所示,在該洞內(nèi)CPII自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)中,先用進(jìn)洞口的兩個(gè)控制點(diǎn)(GPS01、GPS02)約束整個(gè)控制網(wǎng),則可以得到出洞口控制點(diǎn)GPS03、GPS04在GPS01、GPS02約束之下的坐標(biāo)。此時(shí)控制點(diǎn)GPS03、GPS04具有兩套不同的坐標(biāo)值,分別可以計(jì)算出兩個(gè)不同的方位角,兩個(gè)方位角之差即為該控制網(wǎng)的方位角閉合差。如前所述,洞口兩個(gè)控制點(diǎn)各有兩個(gè)不同的坐標(biāo)值,任選其中的一個(gè)坐標(biāo),按下式即可計(jì)算得到該控制網(wǎng)的全長(zhǎng)閉合差。
式中,fs為全長(zhǎng)坐標(biāo)閉合差;s為本次測(cè)量的CPII控制網(wǎng)全長(zhǎng)(約等于隧道的平面里程);ΔX為同一個(gè)點(diǎn)的兩套X坐標(biāo)較差,ΔY為同一個(gè)點(diǎn)的兩套Y坐標(biāo)較差。
根據(jù)模擬試驗(yàn)要求,對(duì)交叉導(dǎo)線網(wǎng)和自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)各進(jìn)行了10次獨(dú)立模擬試驗(yàn)計(jì)算,其精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。從模擬試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果可以看出,按交叉導(dǎo)線網(wǎng)方法進(jìn)行測(cè)設(shè)時(shí),精度指標(biāo)中導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差有4次沒有達(dá)到隧道二等1/100 000的精度要求;按自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)方法進(jìn)行測(cè)設(shè)時(shí),控制網(wǎng)的各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足高鐵隧道二等的精度要求,且各項(xiàng)精度均比使用交叉導(dǎo)線網(wǎng)方法測(cè)設(shè)時(shí)要高。
表4 兩種CPII控制網(wǎng)建網(wǎng)方法模擬計(jì)算精度統(tǒng)計(jì)表
在隧道洞內(nèi)CPII控制網(wǎng)建網(wǎng)測(cè)量時(shí),自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)相比交叉導(dǎo)線網(wǎng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。不僅具有比交叉導(dǎo)線網(wǎng)更高的精度,而且節(jié)省了人力物力,提高了測(cè)量效率。從仿真結(jié)果看出,在建立洞內(nèi)CPII控制網(wǎng)(大于7 km)時(shí),自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)確實(shí)比交叉導(dǎo)線網(wǎng)具有更高的精度,均不存在相應(yīng)指標(biāo)超限的情況。因此,自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)值得在隧道洞內(nèi)CPII控制網(wǎng)的建網(wǎng)測(cè)量中應(yīng)用。
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