陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西西安 710002
摘要：本文对引水隧洞施工贯通地面控制网的建立方法进行了研究，特别是针对引水隧洞贯通中误差估算及地面控制网测量等级的选取方法进行了探讨，为类似工程施工贯通地面控制网的建立提供理论基础和技术支持。
关键词：施工贯通；地面控制网；贯通中误差估算；测量等级选取
1概述
某引水隧洞全长68km，主洞设计比降为1/2500，全线共布设了17个支洞，相向开挖长度最长段为6.4km,最短段为3.5km。
本文主要研究了引水隧洞施工贯通地面控制网建立中的布网方案、贯通中误差估算、测量等级选取及数据处理方法，为类似工程施工贯通地面控制网的建立提供理论基础和技术支持。
2 布网方案优化设计
该引水隧洞全长68km，全线共布设了17个支洞，贯通面较多，如何建立既满足施工贯通精度需求又能节省费用、缩短工期的测量方案优显重要。本文从工程建设实际出发，力求探索出符合上述需求的最优方案。
方案1：骨架网和局部网相结合。首先沿引水线路布设骨架网，在骨架网的基础上加密局部网。该方案的优点是骨架网控制点只需满足建筑物落地放样和引水线路设计比降的精度要求即可，局部网控制点精度可根据各隧洞段相向开挖长度进行估算，骨架网和局部网精度相对较低，技术难度小。缺点是重复设站多，工期和生产成本增大。
方案2：整体网。沿引水线路布设整体网。该方案的优点是一次布网，作业方便。缺点是整体网精度不仅要满足建筑物落地放样和引水线路设计比降的`要满足各隧洞段施工贯通的需要，控制网的精度相对较高。同时，由于该隧洞段线路长、支洞多，沿线布设的控制点较多，精度难以保证。
方案3：骨架网和整体网相结合。该方案的高程控制网仍采用整体网。平面控制网采用骨架网和整体网相结合的布网形式。该方案可有效降低生产成本和工期，同时也解决了支洞多，精度难以保证的技术问题。该项目最终采用方案3进行生产作业，即：隧洞进出口、各支洞口布设的控制点共同构成一个GPS平面控制整体网和一个几何水准高程控制整体网。同时为了提高控制点的点位中误差和联系边方位中误差，以满足隧洞贯通的需要，在平面控制整体网的基础上建立骨架网（国家B级GPS精度）。
3 控制网等级的选取
根据隧洞相向开挖长度、不同等级的精度指标，对各个隧洞段的贯通中误差进行估算，估算结果应符合《水利水电工程施工测量规范》（SL 52-2015）的规定（下表1）。由于纵向贯通误差不会对隧洞的贯通产生影响，因此只进行横向和竖向贯通中误差的估算。
3.1 竖向贯通中误差的估算
每段隧洞两端高程进洞点的高程中误差（分别为m1和m2）应满足下式要求：
m2贯通中误差≥m21+m22
此处m贯通中误差取15mm，计算得m1和m2不应大于±11mm。
洞外几何水准网最长附合线路长度约120km（含引测），最弱点点位中误差按下面公式计算：
经计算：采用二等几何水准测量时最弱点点位中误差为±11mm，基本满足贯通需求，同时考虑到地下高程精度经估算有富裕，洞外高程控制测量等级选用二等是经济合理的。
3.2 横向贯通中误差的估算
方法1：参照《铁路工程测量规范》（TB10101-2009）中的相关公式进行计算。
洞外（GPS）横向贯通误差估算根据定向边方位中误差、点位中误差按下式进行：
m洞外=±
式中
mj、mc进、出口GPS控制点的Y坐标中误差；
mG GPS测量定向联系边方向误差；
L 相向开挖长度。
一般情况下，平面施工控制网最弱点点位中误差要求不大于10mm，本次贯通中误差估算时GPS网网点的点位中误差取10mm，GPS测量定向联系边方向误差分别取1.0"、1.3"、1.7"，依次对最大相向开挖段和最小相向开挖段进行贯通中误差估算，计算结果如下表2：
方法2：参照国际“欧洲隧道公司”横穿英吉利海峡的“欧洲隧道”的分析方法，用控制网的平均边长相对中误差估算。
s×m≤±20mm（或±30mm）
式中：
s为隧洞相向开挖长度，mm；
m 为控制网的平均边长相对中误差。
经计算：控制网的平均边长相对中误差为1/250 000时即可满足上式要求，即平面控制网可采用二等GPS网。
方法3：用近似方法进行估算
m洞外 = s×mβ/ρ
式中：
s为隧洞相向开挖长度，mm；
mβ为GPS测量定向联系边方向误差，（"）；
ρ取206265。
经计算，横向贯通中误差估算结果见下表3
以上三种估算方法结果基本一致：洞外GPS控制测量应采用二等网技术要求观测，二等GPS网最弱点点位中误差不大于10mm，GPS测量定向联系边方向误差不大于1.0"。
4 外业观测
外业观测技术要求按照相应的测量规范执行。
5 数据处理
5.1 GPS网数据处理
5.1.1 B级GPS骨架网数据处理
（1）委托国家测绘地理信息局大地测量数据处理中心完成基线处理，并最终提供采用精密星历解算的基线文件。
（2）三维无约束平差
以隧洞中部一点的WGS-84系的大地坐标及大地高为起算点，以该点的经度为中央子午线经度，利用精密星历解算的基线数据，进行三维无约束平差。
（3）固定一点一方位的平差
在1980西安大地坐标系下，以该项目初步设计阶段留设的隧洞中部一点（B级GPS骨架网网点）的坐标为起算点数据、该点至隧洞一端的一点（B级GPS骨架网网点）的方位为起算方位、中央子午线经度和投影面高程与该项目初步设计阶段一致，按固定一点一方位平差方法进行平差计算。
平差结果均符合规范要求。
5.1.2 二等整体网数据处理
（1）使用软件
基线解算采用随机商用软件Trimble Business Center（TBC），采用“GPS工程测量网通用平差软件包（CosaGPS V5.20）”进行平差计算。
（2）外业观测数据的验算
在单条基线解算结果符合规范要求后，对复测基线、同步环、异步环等各项闭合差进行检验，检验结果符合规范要求。
（2）GPS网平差
a）三维无约束平差
以骨架网中一点的三维无约束平差结果为起算数据，中央子午线经度与B级GPS骨架网的中央子午线经度相同进行三维无约束平差。平差结果均符合规范要求。
b）二维约束平差
在1980西安坐标系下，以骨架网的6个控制点为起算点，采用其固定一点一方位平差成果，进行二维约束平差。二维约束平差后，其最弱边相对中误差小于1/150000，最弱点点位中误差小于10mm，最大方位角中误差小于1.0"。
平差结果均符合技术设计要求。
5.2 高程网数据处理
测段高差加入水准标尺长度改正、水准标尺温度改正、正常水准面不平行改正，验算往返测高差较差、路线闭合差、每千米水准测量的偶然中误差等限差指标，符合要求后，采用 《工程测量控制网平差系统（NASEW）》软件进行平差计算。平差后最弱点高程中误差小于±11mm，符合技术设计要求。
5.3 二等GPS网精度检测
为了检测二等整体网的精度，采用TCA2003全站仪（测距精度1mm+1ppm，测角精度0.5"）按二等测量精度对网中的部分边长和角度进行了实测，实测结果与二等GPS网的平差结果进行了比较，二者的较差应符合下式要求：
△较差≤△限=±2
式中：
m1为GPS网的测角或测距中误差
m2为全站仪实测的测角或测距中误差
（1）角度检测△限计算
检测结果应符合上述要求。
6结论
（1）GPS技术以其独有的优势在长距离输水线路施工控制网测量中得到了广泛应用，提高了水利工程的施工精度和工作效率。
（2）以贯通中误差的估算确定合理的控制网测量等级时应综合考虑地面和地下贯通中误差，既要满足隧洞贯通的需要，又要符合项目实际情况，以达到方案科学、经济、合理。
（3）数据处理时应选择合适的起算点、中央子午线及高程投影面，建立适合项目的独立坐标系。
（4）B级骨架网的建立虽然对整体网的精度没有质的提高，但可有效地确保控制网可靠性，以保证工程建设的质量。
（5）GPS测量定向联系边方向的精度对隧洞的顺利贯通起到决定性的作用，应作为隧洞贯通地面施工网的一个重要精度指标加以控制。
参考文献：
【1】周忠谟，易杰军.GPS卫星测量原理与应用（修订版）﹝M﹞.北京：测绘出版社，2004.
【2】魏二虎，黄劲松.GPS测量操作与数据处理﹝M﹞.武汉：武汉大学出版社，2004.
【3】SL 52-2015水利水电工程施工测量规范.中国水利水电出版社.
【4】TB10101-2009铁路工程测量规范.中国铁道出版社.
【5】刘忠强.特长引水隧洞GPS施工控制网建立技术研究.水利水电测绘，2017（1）：26-28.
论文作者:杨磊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/17
标签：误差论文; 隧洞论文; 测量论文; 精度论文; 骨架论文; 高程论文; 数据处理论文; 《基层建设》2018年第22期论文;