长大隧道控制网分段建网方案对比分析

卢勇LU Yong

（中铁八局集团第二工程有限公司，成都 610097）

0 引言

为保证隧道可在预期的时间内贯通，需要在隧道正洞内进行隧道施工测量。由于洞内施工需要平面控制网CPIII，而隧道洞内控制网CPII 是CPIII 控制网的基准，在CPIII 控制网测量时需要联测CPII 控制点，故CPII 控制点的精度直接影响CPIII 的精度。但隧道未贯通，隧道进出口的CPI 无法为洞内的CPII 提供约束条件，因此需要在不同的时间对隧道内的CPII 控制点进行分段布设。因此，对长大隧道内控制网分段建网的方案的可行性研究很有必要，并为之后研究长大隧道分段架设控制网提供一定的参考依据。

在传统的隧道控制网CPII 测量时，一般采用导线测量，其中附合单导线、导线环网和交叉导线是常用的控制网架设方法[1]。附合单导线的控制网网型简单，外业操作简单，但其横向摆动较大，同时多余观测量较少，网型强度较弱，不适合于长大隧道的控制网架设；导线环网的控制网网型相比于附合单导线的网型更复杂，强度也比附合单导线更高；交叉导线网相较于导线环网网型更复杂，且网型强度更高，其对于横向摆动的控制能力也越强。所以交叉导线网常用于长大隧道的控制网架设。因此构网时选择采用交叉导线法[2]。

1 隧道洞内CPII 平面控制网布设

将该隧道分为两段进行测设，第一段是由3#斜井至出口段，第二段由进口至3#斜井段。交叉导线网多余观测条件多、图形强度好，因此在完成隧道洞内CPII 过程中，采用交叉导线网构网方法[3]，按边角联接方式构网，形成由多个四边形或多边形组成的带状网。

隧道出口、进口和3#斜井口均有2 个已知CPI 控制点，图1 中三角形所示，分别为BCPI15-1、BCPI15-2 和WH301A、WH303A=CPI13-1B。隧道出口端导线附合于CPI 控制点BCPI15-1、BCPI15-2，3#斜井出口端导线附合于CPI 控制点CPI13-1B、WH301A。隧道洞内以及斜井处采用的构网方法均为交叉导线法。

图1 隧道出口段控制网示意图

每隔250 米至500 米在隧道内两侧布设一对CPII 控制点，其中一个为主导点，另一个为副导点。在观测过程中，仪器分别安置在主导点和副导点，对相邻的主导点和副导点进行观测，形成多个闭合环，在隧道进出口处联测至CPI 或CPII 控制点上。

隧道进口端导线附合于CPI 控制点BCPI11B、BCPI12B，3# 斜井端导线附合于洞内CPII 控制点WHCPII27、WHCPII27-1、WHCPII28、WHCPII28-1。在分段测量时，只能从斜井的进口处的CPI 控制点开始，通过导线网联测到斜井与正洞的入口处，再与洞内的CPII 控制网进行联测[1]。

然后利用自由测站边角交汇网[4]与施工控制点进行联测，保证隧道设计中线和施工中线尽量重合。

由于传统的交叉导线网需要对全站仪和棱镜对中及整平，该过程中会产生对中误差，从而对控制网的横向精度产生一定影响。而采用自由测站边角交会网全站仪和棱镜不需要对中，不会产生对中误差，且多余观测数多，网形可靠性强，测站位置可以根据现场情况调整，灵活性高[5]。（图2）

图2 自由设站边角交汇控制网示意图

2 洞内建网方案对比分析

数据分析前，首先整理所有方案的观测文件。其中整网的观测文件由进口到出口处结束，中间不联测斜井口的已知点；整网含斜井的观测文件由进口到3#斜井口处，再由3#斜井口处到出口处，中间处联测3#斜井口处的CPI已知点。各个方案的平差均采用同一平差软件进行。

整网数据由洞外CPI 控制点BCPI11B、BCPI12B 开始，经转点ZD01 和ZD01-1 传递到洞内控制点WHCPII01、WHCPII01-1，最后到出口处控制点WHCPII42、WHCPII42-1，由转点Z05、Z05-1 与出口处的BCPI15、BCPI15、BCPI15-1、BCPI15-2 进行联测，构成整网的CPII 控制网。

整网含斜井的数据在隧道正洞内一样，在三号斜井进口处联测洞外CPI 控制点CPI13-1B、WH301A，由四对转点Z01、Z02、Z03、Z04、Z01 -1、Z02 -1、Z03-1、Z04-1 连接到隧道洞内的WHCPII27、WHCPII28、WHCPII27-1、WHPII28-1 两对CPII 控制点。（图3）

图3 整网含斜井控制网示意图

由规范知，方位角闭合差限差为±5.2″，边长相对闭合差限差为1/100000。由表1 可知，三种方案的最大角度闭合差、最大边长相对闭合差和验后单位权中误差均在限差范围内。说明分段方案在长大隧道中符合隧道二等测量的技术要求。

表1 限差统计表

为验证分段、整网、整网含斜井三种方案的精度，通过实测的某隧道进行测试。利用点位精度、偏垂距之差和坐标之差进行评价。实验采用某隧道三部分数据进行测试，第一部分为进口段和出口段的CPII 控制网的分段平差，第二部分将进口段和出口段的控制网合并起来但是不包含3#斜井到正洞处的控制网平差，第三部分是将进口段和出口段合并起来并且包含3#斜井平差。

表2 为点位精度的统计结果，由mx（纵坐标中误差）、my（横坐标中误差）、mp（点位中误差）描述。结果表明分段的mx、my、mp最大值和均值几乎都比整网和整网含斜井的结果好，整网的mx、my、mp值最大。说明分段方案效果最好。

表2 点位精度统计表（mm）

坐标之差对比是指，以其中一个方案为参照，分别用另两个方案平差后的坐标减去参照方案平差后的坐标。因此将分三种情况，即以整网、整网含斜井和分段分别为参照进行横向偏差的对比。

控制点序号是由进口到出口。主导线和副导线拟合较好。都有一个共同的趋势，隧道出口及进口处的横向偏差较小，越靠近隧道中间，横向偏差越来越大。这是因为隧道出口进口都存在控制点，因此能限制横向偏差。

以整网含斜井为参照对比整网和分段方案的精度。可见分段的坐标差比整网的小。因为分段时联测了斜井口的控制点，所以在斜井与正洞连接处的控制点横向偏差较低。分段相较于整网有着更好的横向精度。对比整网和整网含斜井方案的精度。整网含斜井的坐标差小于整网。这是因为整网含斜井联测了3#斜井口的CPI 控制点，而整网没有联测斜井口的控制点，所以在隧道内的横向偏差较大。因此在进行长大隧道控制测量时，尽量在中间段去联测已知控制点来控制横向偏差。比较分段与整网含斜井的精度。两种方案坐标差结果相似度高，因为两者都联测了3#斜井口的CPI 控制点，但分段效果略次于整网含斜井。

以上分析知，长大隧道分段测量控制网是可行的。联测斜井口的分段和整网含斜井的横向偏差都较小，整网相对较差。故应尽量联测已知控制点控制隧道的横向偏差。

通过控制点与隧道中线的距离来分析控制网的横向偏差，称为偏垂距之差。同样按照坐标之差的分析方案对偏垂距之差进行实验分析。分别以分段、整网、整网含斜井为参照，再减去另外两种方案的偏垂距。在偏垂距分析时，采用的折线图，为了防止出现锯齿，将控制网的导线按照主导线和副导线分别进行分析。

同样图4 整个趋势中，越靠近隧道中段，整网的横向精度就越差，而两端的横向精度高。图4（a）以整网含斜井为参照，对比分段和整网的精度，分段的偏垂距之差在3#斜井口与正洞交接处控制点的横向偏差小。整网在隧道进出口处的横向偏差精度较高。可看出分段的横向偏差比整网明显较小。图4（b）以分段为参考，对比整网和整网含斜井的精度。可看出整网含斜井比整网的横向精度相对较高。图4（c）以整网为参照对比整网含斜井和分段的精度。分段与整网含斜井的横向偏差比较接近，两者都联测了3#斜井口处的CPI 控制点，且分段的横向偏差较小，分段的横向精度相较于整网含斜井更高。

图4 偏垂距分析

3 结论

本文通过对比分段架设平面控制网、整网和整网含斜井的方案，分析选出最优方案。主要得出以下的两个结论：通过对比分段、整网、整网含斜井三种建网方案，从方向闭合差、边长闭合差的计算分析中，分段的各项精度指标均满足隧道二等测量的规范要求，成果可应用于施工测量中；从坐标之差及偏垂距之差可知，分段和整网含斜井比整网的横向偏差低。因为分段和整网含斜井都联测了斜井处的CPI 控制点，因此效果均比整网的好。综上所述分段方案的效果最优。在架设长大隧道平面控制网时，不管是分段架设还是整网架设，最好是联测到斜井口的已知CPI 控制点去约束隧道的横向偏差，这样可以高效地控制隧道的横向精度。