雁门关隧道控制网的建立及精度分析

翟宝珍

(中铁十七局一公司，山西 太原 030032)

徕卡测量新技术应用专栏

雁门关隧道控制网的建立及精度分析

翟宝珍

(中铁十七局一公司，山西 太原 030032)

论述了长大隧道洞外独立控制网建立方法，将WGS-84坐标系统无约束平差基线精度作为洞外独立GPS控制网的精度指标，并以WGS-84坐标系统无约束平差结果作为工程独立控制网的计算基准来获取二维工程平面坐标。

WGS-84坐标；工程独立控制网建立；精度预计分析

北同蒲新建铁路取直工程雁门关隧道是继秦岭隧道、乌鞘岭隧道等特长隧道之后又一长大隧道，位于山西省代县北部山阴县南部雁门关山脉，全长14 085 m，隧道设斜井3座。

本文通过对雁门关隧道GPS数据的统计分析，对隧道独立GPS控制网的建立和数据处理进行了全面了解，通过建立独立控制网来满足高精度施工放样的需求；对长大隧道不同开挖面间贯通误差进行预测，以确保隧道贯通精度满足规范要求。

1 雁门关隧道工程独立坐标系的建立

1.1 采用的参考椭球

控制网采用1954北京坐标系参考椭球，其椭球参数为：长半轴a=6 378 245 m，扁率f=298.3，UTF为1.0。

1.2 工程独立坐标系的建立

雁门关隧道采用工程独立坐标系，首先基于施工控制网使用全站仪放样隧道进口线路上一点YM2，在隧道出口适当里程位置放样一点YM22。以YM2为坐标起算原点，YM2到YM22方向为X轴的正方向，顺时针旋转90°为Y轴，建立雁门关隧道工程独立坐标系。

1.3 贯通精度要求

根据贯通误差要求进行隧道平面和高程控制测量设计，隧道洞外、洞内平面和高程控制测量误差对贯通面上的贯通误差影响应符合表1要求。

表1

2 隧道洞外平面控制网设计

隧道平面控制网设计根据隧道进出口连线方向布设，共组成5个子网，分别为：隧道进口控制网、隧道出口控制网、南寺斜井子控制网、后腰铺斜井控制网和城上斜井控制网，每个子控制网控制点不少于4个，布设时考虑进洞方便且选择较长边。

3 GPS独立控制网的转换

首先在WGS-84坐标系下对观测成果进行三维无约束平差计算，求取YM2—YM22的基线向量，得到WGS-84三维自由网坐标。

自由网平差采用的椭球为WGS-84椭球参数,而不是独立坐标系下的1954北京参考椭球，必须将WGS-84下的椭球转换到地方椭球面上。采用雁门关隧道洞内轨顶平均高程面作为投影面，投影面大地高程为H=1 174.44 m，根据设计院交桩资料采用1954北京椭球进行转换，将高斯投影的中央子午线选择在隧道中央，以避免测区基线边变形较大，保证工程独立控制网高斯投影边长与实测边长一致。独立控制网起算点YM2为原点，坐标选择以其所在中线里程为DK111+579.5253建立坐标原点(111 579.525 3,1 000.000 0)，按照基线YM2—YM22作为起始方位，建立独立坐标系。采用徕卡GPS后处理软件LGO坐标转换功能进行二维约束平差转换，得到每一个子控制网的二维平差坐标。

4 洞外平面控制网精度分析

根据规范要求，洞外控制网检测实施过程中，平面控制网检测按《全球定位系统(GPS)铁路测量规程》中B级GPS网的精度标准执行。洞外平面控制网检测使用的仪器为4台徕卡GS15 GNSS天线。

在整体隧道独立控制网平差后，控制点的最大中误差为1.7 mm(为YM17点)，平均中误差为1 mm，最弱边的相对精度为1/392 157(为YN13—YM14边)，基线边方位角中误差最大为±0.51 mm，为YM15—YM16方向，满足规范规定的B级GPS控制网的要求。

5 采用全站仪测量基线边及角度比较

采用徕卡TS60全站仪对隧道进口和出口子控制网的平面点进行检核，以检核控制网的可靠性。在隧道进口和出口各选择了一个三角形(△YM1—YM3—YM4和△YM19—YN21—YM24)进行了角度和距离检核，并进行了比较和分析。角度观测6个测回数，距离往返观测各6个测回数，观测距离投影到施工独立控制网的投影面上，进行距离归化改正。比较结果见表2—表3。

表2 全站仪与GPS角度比较

将全站仪实测角值与GPS成果计算值进行比较：最大较差2.90″，最小较差0.65″，较差算术平均值0.24″；全站仪实测角度平差值与GPS成果计算进行比较：最大较差2.53″，最小较差0.55″；实测边长与GPS成果计算进行比较：最大较差2.4 mm，最小较差0.2 mm，较差算术平均值0.8 mm。对比结果表明，GPS平面控制测量精度满足施工要求。

6 洞外控制测量对隧道横向中误差影响值的计算

洞外控制对隧道横向贯通中误差影响值是隧道洞外平面控制网的一项重要指标，采用武汉大学科傻GPS数据处理软件进行分析计算。通过控制网的平差计算获得各点的坐标的方差-协方差阵，根据现场确定使用的进洞定向边计算两开挖洞口间的隧道洞外控制对横向贯通中误差的影响值。

根据两相邻开挖洞口子网中进洞定向边和相应贯通面位置组成计算文件，共组成4个文件，计算洞外控制影响值90个；表4中列出了计算的各贯通面洞外控制对横向中误差最大影响值及限差。

表4 洞外控制测量对隧道横向中误差影响值

7 结 语

采用高精度徕卡TS60全站仪及GS15 GNSS天线对雁门关隧道进行控制测量，通过GPS数据的统计分析，隧道独立GPS控制网建立和数据处理精度可靠，尤其对于高原地区长大隧道独立控制网，满足高精度施工放样的需要及长大隧道高精度贯通要求。对长大隧道不同的开挖面间进行贯通误差的预计，可确保隧道观测精度，来提高隧道贯通精度。