长大隧道洞内CPⅡ控制网布网方式研究

侯广东

(中国铁路设计集团有限公司, 天津 300251)

0 引言

长大隧道作为高铁建设中的关键控制性工程,直接影响着工程施工的质量和进度[1]。现场施工过程中,受各种因素的影响,整条隧道很难在同一时间段内贯通,而隧道贯通后再进行轨道施工往往面临着巨大的工期压力。因此,现场时常提出在隧道未贯通的情况下分阶段实施轨道施工,这其中的关键在于线路控制网(CPⅡ)分段测设是否可行[2]。时速200 km及以下铁路工程隧道洞内CPⅡ控制网采用自由测站边角交会方法施测时,为控制其横向偏差需联测斜井口基础平面控制网(CPⅠ)控制点,然而由于斜井内坡度较大等问题,难以布设自由测站边角交会网。

针对上述问题,本文将在研究长大隧道洞内CPⅡ控制网常用布网方式的基础上,探讨高铁长大隧道交叉导线网分段测量及交叉导线网与自由测站边角网混合网测量的可行性。

1 长大隧道洞内CPⅡ控制网常用布网方式

长大隧道洞内CPⅡ控制网通常采用交叉导线网的方式测设,其多余观测数多,控制网横向摆动能得到较好的控制,图1为双侧点对交叉导线网布网示意。

图1 双侧点对交叉导线网布网示意

近年来,随着自由测站边角交会网测量技术的广泛应用,有研究提出将其应用于隧道洞内CPⅡ控制网测量中[3-4],该研究认为相对于传统洞内导线测量方式,自由测站边角交会网可提高洞内控制网的横向贯通精度,精度增加在20%以上。目前,新修版《铁路工程测量规范》已明确规定,对于时速200 km及以下铁路工程,洞内CPⅡ控制网可采用自由测站边角交会方法施测。图2为自由测站边角交会网示意。

图2 自由测站边角交会法观测CPⅡ控制网示意

2 高铁长大隧道交叉导线网分段测量

根据现行规范,高铁长大隧道洞内CPⅡ控制网需采用导线网的方式测量。针对隧道尚未贯通的情况下,分阶段进行轨道施工的需求,下文将探讨交叉导线网分段测量的可行性,以进行CPⅢ控制网测设。

2.1 交叉导线网分段测量及搭接处理

长大隧道洞内CPⅡ控制网测量应充分利用隧道进出口及斜井口CPⅠ控制点作为起算点,测量前需对隧道范围内CPⅠ控制网进行复测,针对破坏、丢失的控制点进行补设,对于复测坐标及相对精度超限的控制点予以更新[5]。

洞内CPⅡ控制网分段测量及搭接方案,需依据现场施工情况确定,以图3所示具有两个斜井的隧道具体说明。

图3 隧道正洞及斜井分布示意

若中间段即1斜至2斜首先具备控制网观测及轨道施工条件,则需在1斜与2斜之间的正洞洞内布设交叉导线网,同时通过交叉导线网的方式联测两个斜井口CPⅠ控制点,以完成该段落CPⅡ控制网计算;待进口段或出口段满足条件后,则需联测相应进出口CPⅠ控制点,同时联测1斜至2斜段正洞内至少2对CPⅡ控制点以满足平顺搭接需求。

若进口段及出口段首先具备控制网观测及轨道施工条件,则需在正洞洞内布设交叉导线网,同时联测隧道口及斜井口的CPⅠ控制点,以完成该段落CPⅡ控制网计算;中间段CPⅡ控制网无须联测斜井口CPⅠ控制点,但为保证与相邻段落的平顺搭接,需联测进口段及出口段各至少2对CPⅡ控制点作为起算点。

洞内交叉导线网在施测的过程中,其精度受到多方面因素的影响,主要包括:测量仪器及附属设备;外业测量温度、气压;隧道洞内障碍物及旁折光影响等[6-7]。前两条因素可通过加强仪器设备检校,采用满足要求的干湿温度计准确量取温度、气压来有效消除;第三条因素,隧道导线点通常采用强制对中的方式布设在电缆槽顶面上,同时隧道尚未贯通,洞内常停放较多的脚手架及台车等难以移动的障碍物,导线网按照图1所示双侧点对的形式布设时,障碍物、两侧洞壁及电缆槽顶面旁折光对于观测值的影响非常大[8-9],针对这一问题可采用单侧点对交叉导线网来有效解决,同时测站点可架设三脚架以抬高视线,以进一步消除电缆槽顶面旁折光的影响。图4为单侧点对交叉导线网示意。

图4 单侧点对交叉导线网布网示意

2.2 工程实例

某高速铁路工程大梁山隧道全长13.39 km,共设有五座斜井,沿线路方向分别为1号斜井、2号斜井、3号斜井、4号斜井及5号斜井,迫于线路通车工期的巨大压力,在隧道尚未贯通的情况下,决定分阶段进行洞内轨道工程施工,为满足这一需求,CPⅡ控制网依据隧道洞内贯通情况分为五段施测,具体情况如表1所示。

根据施测顺序,前三段为独立段落,不涉及搭接,外业观测时,为克服隧道洞内障碍物及两侧壁旁折光影响,采用图4所示单侧点对交叉导线网方式施测,以联测的斜井口及进出口CPⅠ控制点起算,平差后具体精度统计如表2所示。

由前三段数据的精度统计结果可知,将洞内导线布设成单侧点对交叉导线网的方式,可有效避免旁折光对观测值的影响,短段落导线网精度均满足隧道二等要求。第四、五段以联测的相邻段落各两对导线点为起算点进行平差计算,精度统计如表3所示。

表3 交叉导线网精度统计

后两段为中间搭接段落,由表3中的计算结果可知,利用两端相邻段落各两对导线点进行搭接计算,其精度指标满足隧道二等要求。

依据隧道洞内贯通情况,合理安排施测顺序,采用交叉导线网分段测量方法进行洞内CPⅡ控制网测设,点位成果满足CPⅢ控制网起算要求,有效缓解了该高铁工程轨道施工的压力。

3 自由测站边角交会网与交叉导线网混合网测量

相较于传统边角网,将自由测站边角交会网应用于CPⅡ控制网测设中,具有以下好处:测站点无需对中;测量点采用强制对中标志,避免了棱镜对中误差;多余观测次数较多,网形结构强;测站位置自由,可有效避免旁折光影响;控制点可埋设在隧道侧壁上,不受限于洞内排水沟及电缆槽施工情况[10-11]。

实际测设中,采用自由测站边角交会网往往会遇到以下问题:小半径单线隧道洞内通视情况较差,很难满足点位埋设间距要求;长大隧道为控制横向偏差,需联测斜井口CPⅠ控制点,但斜井内布设自由测站边角交会网困难。针对上述问题,下文以某铁路工程莲花山隧道为例，探讨自由测站边角交会网与交叉导线网混合网,测量的可行性。

3.1 工程概况

某铁路工程莲花山隧道全长10.5 km,共设有2座斜井,是该铁路工程中长度最长、施工条件最为复杂的控制性工程。由于该项目工期的紧迫性,需要在洞内排水沟及电缆槽尚未开始施工的前提下,开展洞内CPⅢ测设工作。

该铁路工程设计时速160 km,隧道洞内为无砟轨道,其整体位于直线段上,依据洞内实际情况决定采用自由测站边角交会网施测CPⅡ控制网,由于该隧道长度较长,为保证控制网横向精度,需联测斜井口附近CPⅠ控制点。但该隧道两个斜井均存在断面小、坡度大及曲率半径小等问题,通视条件较差,难以满足自由测站边角交会网点位埋设及观测要求,故斜井内只能采用交叉导线网联测CPⅠ控制点。

3.2 自由测站边角交会网与交叉导线网混合网测量及数据处理

由于自由测站边角交会网相邻控制点间没有直接观测值,故无法像交叉导线网一样推算方位角闭合差,但可利用联测的CPⅠ控制点的已知坐标和推算坐标计算方位角之差作为方位角闭合差,计算公式如下:

(1)

在控制网平差计算之前,按照上述公式计算已知点间的方位角闭合差,具体情况如表4所示。由表4可知,控制网方位角闭合差不仅满足现行规范要求,亦满足导线网测量中隧道二等要求。控制网方位角指标合格后,进行自由网平差,并以联测的CPⅠ及洞内施工控制点进行约束网平差,具体精度指标如表5所示。

表4 方位角闭合差统计

表5 CPⅡ控制网精度统计

由表5可知,各项精度指标均满足规范要求,混合网平差成果满足CPⅢ控制网起算要求。

4 结束语

为满足工期要求,高铁长大隧道洞内CPⅡ交叉导线网可根据施工情况,充分利用进出口及斜井口CPⅠ控制点进行分段测量;相邻段落搭接时,应至少联测前一段2对CPⅡ控制点以保证段落间的平顺衔接。

时速200 km及以下铁路工程长大隧道洞内CPⅡ控制网采用自由测站边角交会网测量时,针对斜井内条件难以满足要求,可采用交叉导线网的方式联测斜井口CPⅠ控制点,混合网平差后成果满足规范要求。

综上,文中以两个长大隧道工程为例,分别研究了交叉导线网分段测量和交叉导线网与自由测站边角网混合网测量。研究结果表明,采用这两种方法进行CPⅡ控制网测设,其成果满足规范要求,可有效克服施工中面临的工期压力,具有较高的工程借鉴价值。