精密导线测量在隧道定向中的应用

唐江波 王永定 樊涛

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摘要：隧道是高速公路、地铁等工程项目建设中的重要组成部分之一，隧道施工期间需要科学的进行隧道定向，通过有效的测量工作，确保隧道开挖符合设计要求。本文主要分析精密导线测量在隧道定向中的应用，全文结合某隧道施工中的定向问题，通过将GPS技术同精密导线测量技术相结合，保证测量结果准确性，为隧道施工奠定基础。

关键词：精密导线测量；隧道；定向；GPS；自动化

隧道在高速公路、铁路建设等方面均有重要应用，通过合理设置隧道，既可以保证线路的平顺性，同时还能缩短不同线路之间的距离。隧道施工期间会因为地质水文条件、自然环境因素等影响，存在一定的施工难度。隧道定向是隧道施工的一项重要内容，如果隧道定向出现偏差，则会影响到隧道两端的对接，影响隧道施工质量^[1]。通过加强精密导线测量研究可通过测量控制保证隧道定向准确性，为隧道安全施工提供依据。本文结合某工程实例，对精密导线测量在隧道定向中的应用问题分析如下。

1. 工程概况

该项目需要完成的隧道总长6.72Km，施工区域最高海拔3900m，埋深最大处为990m，整个隧道施工区域表面有大量植被覆盖，地形复杂，无法满足通视条件，增加了本次隧道施工难度，需要重视隧道施工测量方案研究与分析。结合本次工程特点，需要采取GPS与精密导线测量结合方法，两者的联合提高测量精度，实现对隧道施工的有效定向。

2. GPS测量技术分析

GPS系统包含了GPS卫星星座、地面监控系统以及GPS信号接收机三部分，当前GPS技术在测量中应用广泛，较多行业均有涉及，如高速铁路平面控制测量、地质勘探、防震减灾、地面沉降监测等。隧道控制测量中，GPS技术同样有着重要的应用价值。同常规测量技术方法相比，GPS技术测量具有较多优势，如操作简单、测量精确度高、能够不间断开展测量工作，同时获取的数据为三维坐标形式，能够同时兼顾平面测量与高程测量，有效的提高了测量的自动化，减少人为因素对测量结果的影响^[2]。

1、布设平面控制网

结合工程资料，隧道出口与入口位置均选择3个控制点，通过6个控制点初步完成控制网设计。表1所示为GPS测量控制网示意图，通过控制网为后续测量提供依据。

图1 GPS测量控制网示意图

2. 外业数据测量

隧道两个口之间有高山遮挡，通视条件较差，需要保证测量精度，应对观测时段长度予以延长，通过6台双频卫星接收机同时实施GPS测量。具体测量中设置为GPS静态模式，每个测段时间为3h，共完成2个测点后，测量时间对应清晨、傍晚，确保GPS测量中有足够的卫星。

2. 测量数据分析与处理

结合GPS测量控制网，全部测量涉及到基线30条，包括重复性线条12条，经过处理，可形成闭环130个，闭环检验中通过异步环精度分析整体测量精度。通过对基线与异步环精度分析，基线重复较差方面： X：0-1mm， Y：0-2mm， Z：0-25mm。异步环闭合差方面： X：-2-8mm， Y：5--23mm： Z：-1--18mm，进一步计算后可知最大异步环闭合差为31mm，规范中要求的是＜43mm，因而外业测量的不同数据符合精度要求。控制点解精度见表1。

表1 控制点解精度（m）

点名	Mx	My	Mz
JK01	0.0001	0.001	0.008
BM1	0.001	0.001	0.009
BM2	0.002	0.002	0.010
XGPS4	0.001	0.001	0.008

3. 隧道精密导线内测量分析

完成隧道外部控制网测量后，还需要对隧道内导线予以测量，进而建立隧道内控制网络，为隧道定向与施工提供依据。通过隧道内导线坐标，可为隧道中线测量、衬砌放线测量等创造条件，保证双向同时开挖的隧道能够顺利对接。隧道因为是封闭环境，导线测量工作需要随着隧道开挖进度逐步延伸与复核^[3]。

隧道内导线测量使用三联脚架法，该方法能可保证测角、测距的精准性。通过建立等级三角网、导线等完成多测回测角。不过因为人工测量操作频繁、需要反复进行测量，容易出现差错，而且隧道施工现场环境复杂，因而可参考基于PDA的测量机器人多测回测角软件，实现测量的自动化。实际测量中能够获取不同方向信息，包括测站名称、测回数、测高，测量数据能够及时记录。自动测量中则根据设定的测回数要求完成不同点的测量与数据分析，获取的数据还能够通过导出功能，便于对不同数据加以应用。

隧道内不同数据处理期间，应用支导线测量方法，获取数据可进入GNPS软件，导线定向边用XGPS4-XGPS1表示，洞内导线点可用D1……D12表示，具体测量方法为三联脚架法，全站仪架设位置在XGPS1，棱镜位置在D1和XGPS4位置，通过多测回测角软件完成隧道内导线测量。

获取的数据经过初步处理，之后可导入GNPS软件中，通过软件自动完成测量数据的分析处理。GNPS后处理软件可对测量中所获取的数据予以校核，保证不同观测数据准确性，数据符合要求的情况下进一步实施数据处理，主要进行边长、高差、点平面坐标等检核。表2所示为隧道-标导线检验结果。不同参数检验结果满足要求，可为隧道定向提供依据，保证隧道的顺利开挖。

表2 隧道-标导线检验结果分析（m）

点名	Dm	h	x	y
最小值	0.008	0.001	0.0061	0.018
最大值	0.018	0.006	0.0012	0.006

注：Dm是对向观测边长差， h是对向观测高差； x、 y是坐标差。

结束语

隧道施工中对隧道定向至关重要，本文通过运用GPS技术完成隧道外侧控制点数据测量，初步完成外部控制网络。通过精密导线测量结合多测回测角软件，提高了测量的自动化程度，确保不同导线定向边的准确性。软件的应用提高了测量的便捷性，能够克服在复杂环境下人工测量弊端，降低隧道两侧不通视复杂条件对施工的影响。依据实际案例证实了精密导线测量在隧道施工定向测量方面的应用效果，后续可不断积累测量经验。

参考文献

[1]胡玉祥,岳阳,张洪德,等.陀螺仪在长距离跨海地铁隧道定向测量中的应用[J].城市勘测,2019(06):172-175.

[2]时丕旭.高精度陀螺仪在超长铁路隧道贯通误差预计中的应用研究[J].铁道勘察,2019,45(03):25-29.

[3]梅凯.浅谈隧道两井定向和高程联系测量的方法[J].江西建材,2016(01):191.