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长大隧道贯通误差的预计方法及其程序实现

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分享到: 本站编辑:admin 日期: 2012-02-09 23:07 点击:

  摘要:文章研究了国内隧道贯通误差理论,对洞外GPS控制测量和洞内导线测量对横向贯通误差影响值的估算方法进行了分析,实现了用MATLAB编程估算洞外GPS控制测量和洞内导线测量对横向贯通误差的影响值。
  关键词:贯通误差GPS控制测量 导线测量
  Estimation Theory of Tunnel Link-up Error and Realization
  Liu Jing Zhou Liang
  Department of Geotechnical Engineering, TongJi University, No 1239. Siping Road. Shanghai City,200092
  Abstract: This article studys the tunnel link-up error theory, analyses the way to evaluate GPS control survey and traverse survey’s influence to transverse weight of link-up error, use MATLAB programming for evaluating traverse survey’s influence to transverse weight of link-up error.
  Keywords: link-up error; control survey; traverse survey
  隧道施工中常常采用对向掘进施工,或者通过竖井、斜井进行地下双向开挖施工[1]。贯通误差包括横向、纵向和竖向3个分量。从现有的测量技术水平来看,纵向贯通误差、竖向贯通误差方面的要求较容易满足,而满足横向贯通误差要求是其中的关键[2]。横向贯通误差的来源有:洞外地面控制测量的误差、联系测量的误差、洞内导线测量的误差和施工误差。洞外平面控制测量误差是横向贯通误差的主要来源[2]。本文据实际工作要求,结合目前国内的高速铁路项目,介绍隧道贯通误差理论,分析洞外GPS控制测量和洞内导线测量对横向贯通误差影响值的估算方法,用MATLAB程序实现洞内导线测量对横向贯通误差影响值的估算,并对该方法的有效性进行验证,从而能对隧道洞内导线测量的方法和等级提出建议。
  1 隧道贯通误差控制理论及实际应用
  隧道贯通误差的控制主要从洞外平面网和洞内导线网两方面着手。
  1.1 洞外GPS控制网的布设
  隧道开挖及洞口子网布设示意图如图1 所示。此图是斜井A、B间的一段,中间竖线是该段贯通面位置G,两台掘进机分别由A、B斜井洞口进入,双向掘进,在贯通面G处重合。在斜井洞口均布设洞口子网,各子网间进行联测,且与高等级的国家控制点联测。
  
  图1 隧道开挖及洞口子网布设示意图
  由斜井A掘进到G时,实际位置设为Gˊ,由斜井B掘进到G时,实际位置设为G〞。
  由于存在贯通误差,显然Gˊ与G〞不重合,矢量GˊG〞就是贯通误差,其横向分量是我们最关注的。
  平面控制网测量应采用GPS静态测量模式,隧道长度在4~6㎞按二等网精度要求进行测量,长度大于6㎞的按一等网精度要求进行测量, GPS接收机的精度指标符合5㎜±1ppm[3]。为了满足隧道洞外控制测量需要,平面控制网应采用隧道工程坐标系,以隧道线路中线前进方向为X轴正方向,X轴顺时针旋转90°为Y轴,建立隧道工程独立坐标系。
  洞外平面控制网原则上沿隧道进出口连线方向布设,控制线路中线,平面控制网由洞口子控制网和洞口子网间的联系网组成,同时应考虑GPS观测对控制点的要求。洞口子网一般应由三角形、大地四边形、中点多边形等强度较高的网形构成,子网内相互通视的边应采用GPS直接观测基线;联系网均应由图形强度较高的三角网构成。洞口投点应与子网的其他两个控制点通视。为保证精度,使用全站仪检核子网中的若干个三角形的角度和边长。
  1.2洞内导线的施测
  由于隧道洞内断面有限,洞内导线网只能布设成狭长形,测角误差成为横向贯通误差的最大来源。洞内导线应直接将洞口控制点作为起始点,宜沿线路中线布设,也可侧移中线适当距离布设;若洞口投点未纳入洞口控制网时,可以直接将洞口控制点作为起始点。洞内导线均宜布设两组导线进行测量,布设成多边形闭合导线环[2]。
  对于狭长且较窄的隧道,地下控制网常常只能以支导线的形式布设。在很多情况下,支导线长达数百米以至数千米,且无任何约束条件,为了检核,我们可以建立二、三级导线。低级导线布设和隧道开挖一起进行,作为开挖过程的连续控制。由于大气折光、灰尘及其他障碍的影响,这种导线边长一般只有几十米,当隧道开挖到1~2㎞以上时就要建立更高精度的导线,它能检验低级导线的最后点位置,必要时对其进行改正,随着距离的加长就要建立第三根更高精度的导线,边长150~800m,最后对隧道轴线改正进行计算,并且改正应来自所有导线的加权平均,而不是把最高级导线作为无误差量,从而使低级导线的改正等于高级导线与低级导线的差值[1]。
  洞内导线的边长,应根据测量设计的要求并考虑到实际通视条件,宜选择长边,导线边长不宜短于300m。导线点应布设在施工干扰小、稳固可靠的地方,点间视线应离开洞内设施0.2m以上。
  2 横向贯通误差的估算方法[4,5]
  2.1 洞外GPS测量横向贯通误差影响值计算
  长度大于4㎞的隧道,其洞外横向贯通误差影响值主要是根据GPS测量的洞口联系边测量精度及其定位点坐标精度,通过下式求得
  
  式中,后两项也可以由下式算得:
  式中, --GPS方向误差对贯通误差的影响; --GPS测量定向联系边方向误差(〞),为隧道设计时的先验值; =206265〞; --相向开挖隧道计算设计长度,考虑到洞外GPS控制点位(引测边)布设离洞口有一定距离的因素,取隧道路线长度加1㎞。
  根据目前《铁路卫星定位测量规范》,GPS控制测量的相邻点间的相对点位精度为10㎜,鉴于山岭隧道测量的复杂性和特长隧道GPS边较长等因素,可以取20㎜(也可根据隧道长短酌取)。
  2.2 隧道洞内导线测量横向贯通误差影响值计算
  (1)洞内导线测角引起的贯通误差
  
  式中:
   ---测角中误差
  
   ---各导线点至贯通面的垂直距离
  (2)洞内导线测边引起的贯通误差
  
  式中:
   ---测边的相对中误差
   ---各导线边在贯通面上的投影长度
  洞内导线测量误差对横向贯通精度的总影响值按下式计算:
  
  上式是按支导线推导的,实际的导线控制网是布设为双导或者网形,双导的横向贯通精度的总影响值计算公式为:
  
  若布设成更复杂的网型,平差后测边、测角误差都会产生增益,故按上式进行横向贯通误差的估算将偏于安全。
  3 算例及分析
  3.1 洞外GPS控制测量误差对横向贯通精度影响值的计算
  根据以上理论与实践经验,用MATLAB编程实现洞内导线测量误差对横向贯通精度影响值的估算,程序框图如图2所示。
  
  图2 洞外测量影响值计算程序框图
  下面利用国内高铁建设中的3个长大隧道群数据,用所编程序计算洞外控制测量各种控制点组合对横向贯通误差的影响值,表1是其均值情况。
  表1 洞外测量对各贯通段影响值计算均值/㎜
  
  
  
  
  3.2 洞内导线测量误差对横向贯通精度影响值的计算
  根据以上理论与实践经验,用MATLAB编程实现洞内导线测量误差对横向贯通精度影响值的估算,程序框图如图3所示。
  
  图3 洞内测量影响值计算程序框图
  下面利用国内两个在建隧道数据,来验证程序的正确性。
  d隧道为国内铁路工程中重点长大隧道工程,隧道设计为双洞单线,全长12800m;e隧道为单洞双线,全长10615m。两隧道均设4个斜井。已知数据有:起终点坐标、置镜点坐标、后视点坐标、贯通面坐标、斜井井口坐标、斜井与中线交点坐标、导线平均边长、测角精度、测距精度等。
  以前在计算该影响值时采用在EXCEL中手动输入各段所需数据,费时费力;现在的MATLAB程序可以自动读取数据。隧道各贯通段影响值计算结果对比表如表2所示。从表中可以得出,MATLAB程序的计算结果与原方法的计算结果差值能控制在3㎜以内,因此能够正确估算洞内导线测量误差对横向贯通精度影响值。
  表2 导线测量对各贯通段影响值计算结果对比表(双导)/㎜
  
  
  
  4 结语
  文中阐述了隧道贯通误差理论,尤其是如何布设和施测洞外GPS控制网与洞内导线来达到控制贯通误差的目的,分析了洞外GPS控制测量和洞内导线测量对横向贯通误差影响值的估算方法。用MATLAB编程实现洞外GPS控制测量和洞内导线测量误差对横向贯通精度影响值的自动化估算,大大提高了工作效率,以若干国内在建隧道的数据为例,验证了程序的正确性。
  参考文献
  [1]韩群柱. 地下工程贯通精度的优化设计[J]. 西北农林科技大学学报, 2005,33(11):141 –144.
  [2]张正禄,张松林,伍志刚等. 20-50km超长隧道(洞)横向贯通误差允许值研究[J]. 测绘学报,2004, 33 (1) :83-88.
  [3]中华人民共和国铁道部. TB10601-2009/J962-2009. 高速铁路工程测量规范[S]. 北京:中国铁道出版社,2010.
  [4]李致宇,孙海燕. 隧道工程测量的精度分析与测量方案设计[J]. 湖北民族学院学报, 2010, 28 (1) : 93–97.
  [5]中华人民共和国铁道部. TB10101-2009/J961-2009.铁路工程测量规范[S]. 北京:中国铁道出版社,2010.
  作者简介:刘 靖,男,汉族,1986-09,硕士研究生在读,就读于同济大学地下建筑工程系,上海市四平路1239号岩土楼329C,200092。
  
  注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

  

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