1、隧道洞外控制测量

隧道洞外控制测量

QB/ZTYJGYGF-SD-0401-2011

第五工程有限公司谯生有

1 前言

1.1工艺工法概况

随着测量技术的发展和测量器具的更新，隧道洞外控制测量技术得到了日新月异的发展。隧道平面洞外控制测量最初是通过铟钢线尺测量基线然后用高精度经纬仪测角布设三角锁进行控制测量，70年代以来，随着红外测距仪广泛应用于测量领域，精密导线测量逐渐取代劳动强度大的三角锁测量而成为隧道洞外控制测量的主要方法，90年代以后，GPS静态精密定位技术逐渐应用于隧道洞外平面控制测量，目前，隧道平面控制测量优先选用GPS技术，只有部分中短隧道洞外平面控制测量使用导线测量。洞外高程控制测量长期以来一直采用几何水准测量的方法，红外测距仪、全站仪广泛使用后，光电测距三角高程广泛用于中长隧道高程控制测量，对于测量精度要求高的特长隧道目前仍然采用几何水准测量。

1.2工艺原理

通过在各开挖洞口布设控制点，并采用相应的测量设备和技术方法测量控制点的坐标及高程，从而建立隧道各开挖面之间的空间几何关系，为洞内控制测量提供测量基准，确保隧道施工过程中测量控制及贯通精度。

2 工艺工法特点

基于测量设备的更新换代，摒弃了选点困难劳动强度大的三角测量技术，优先采用GPS技术进行洞外平面控制测量，无需翻山越岭即可实现洞外平面控制测量，大大提高了测量效率，降低了测量成本。根据隧道贯通精度要求，在满足贯通精度的条件下，洞外高程控制测量采用光电测距三角高程测量，对精度要求高的特长隧道、高速铁路隧道，洞外高程控制测量采用精密几何水准测量，既能满足精度要求，又能最大限度提高测量效率。

3 适用范围

适用于铁路、公路、地铁、水利、水电、矿山等隧道工程洞外控制测量。

4 主要引用标准

《铁路工程测量规范》TB10101

《高速铁路工程测量规范》TB 10601

《城市轨道交通工程测量规范》GB50308

《公路勘测规范》JTG C10

《水利水电工程测量规范（规划设计阶段）》SL 197

《工程测量规范》GB 50026

5 洞外控制测量施测方法

洞外平面控制测量采用导线测量、GPS测量施测，高程控制测量采用光电测距三角高程或几何水准测量施测。中长隧道洞外控制网可布设为平面、高程三维网，平面控制网与光电测距三角高程网“两网合一”进行观测，导线网闭合环的边数宜为4～6条。隧道洞外平面控制测量应优先采用GPS测量，GPS测量点与点之间无需通视，在隧道各开挖洞口布设3个以上控制点，由大地四边形或三角形网构成GPS带状网。对精度要求高的特长隧道、高速铁路隧道，洞外高程控制测量采用精密几何水准测量方法施测。

6 工艺流程及操作要点

6.1量测工艺流程

洞外控制测量前应收集隧道设计资料，已有测量成果资料，并根据隧道规模、贯通精度要求等进行方案设计，确定控制测量方案。测量流程如图1：

图1 洞外控制测量流程

6.2操作要点

6.2.1收集资料

测量前，应收集有关规范、标准及隧道所在地区的大比例尺(1：2000～1：5000)地形图、隧道所在地段的线路平面图、隧道的纵横断面图，各竖井、斜井或水平坑道和隧道的相互关系位置图，隧道施工的技术设计以及各个洞口的机械、地面构筑物布置的总平面图等。其次还应收集勘测单位过去所完成的测量资料或巳做过的地面控制资料。最后还要收集隧道地区的气象、水文，地质以及交通运输等方面的资料。

等收集完资料后，测量人员就应该对该工程有了一个比较详细的了解，作到心中有数，控制网该怎么布设、采用什么仪器、控制网的等级、控制误差的调整等等。

6.2.2洞外控制测量方案设计

根据相应工程测量规范，按照横向贯通中误差进行平面控制网设计，估算洞外控制测量产生的横向贯通误差影响值，并进行洞内测量设计。水准路线大于5000m时，应根据高程贯通中误差进行高程控制网设计。测量设计应结合隧道长度、平面形状、辅助坑道位置及线路经过的位置以及线路通过地区的地形和环境条件、测量设备、人员情况，以满足隧道洞外控制测量精度为主要指标选择合理的测量方法，确定测量技术指标及技术要求。

1 隧道贯通误差的分类及其限差

隧道的贯通误差包括：纵向贯通误差、横向贯通误差、高程贯通误差。其在线路中线方向的投影长度称为纵向贯通误差，在垂直于中线方向的投影长度称为横向贯通误差，在高程方向的投影长度称为高程贯通误差。

在测量过程中，最重要的是横向误差和高程贯通误差，根据两开挖洞口间的长度,《铁路工程测量规范》规定横向贯通误差和高程贯通误差的限差如表1。

表1 贯通误差的限差

注：本表不适用于利用竖井贯通的隧道，利用竖井贯通的隧道还应考虑竖井联系测量误差的影响；相向开挖长度大于20km的隧道应作特殊设计。

2 洞外控制网技术设计内容

1）根据洞外控制测量的横向贯通中误差，结合实际布网条件估算贯通误差，设计洞外平面控制网的精度等级。

2）根据洞外控制测量精度估算贯通误差，估算洞外控制网测量的横向贯通误差影响值。

3）高程控制网测量设计应根据勘测选的洞外高程路线长度和洞内贯通长度，估算洞外高程贯通误差，确定洞外高程测量精度。

3 洞外平面控制网设计要素

表2 洞外平面控制网设计要素

4 洞外高程控制网设计要素

表3 洞外高程控制网设计要素

6.2.3现场踏勘

为了具体了解实地情况，必须沿隧道线路方向，对隧道所穿越的地区进行详细踏勘，

观察和了解隧道两侧的地形及道路交通分布情况。踏勘时，应特别注意隧道进出口、竖井、斜井、平洞洞口位置，以及洞口地形与施工设施的布置情况。

6.2.4选点埋石

结合现场踏勘情况及施测方法来选定洞外控制网的布设方案，根据线路走向、隧道的进出口、斜井及平洞等的位置进行选点，必要时可用全站仪现场测设隧道洞口位置。一般，应在每个洞口附近布设不少于3个平面控制点和2个水准点，长大隧道洞口宜布设4个平面控制点和3个水准点。控制点埋设深度不小于1m，冻土地段应埋设至冻土线一下0.3m，埋设为混凝土桩，并用φ20的不锈钢柱上刻“+”做测量标志，桩顶规格为400mm×400mm。

采用导线控制的隧道，导线网应沿两洞口连线方向布设成多边形闭合导线环。

控制点应布设在洞口附近土质坚实、视野开阔、通视良好，施测方便、便于保存且高程适宜之处。每个洞口的两个水准点间的高差，宜安置一次水准仪即可联测，视线应超越和旁离障碍物1m以上。通过水田、沙滩时应适当增加视线高度。

隧道控制点应埋设混凝土不锈钢金属标志，水准点可以在稳固基岩上刻凿。采用导线测量的隧道隧道过渡点设木桩小钉即可。

对于桥隧紧密相连或隧道紧密相连的情况，要布设统一的控制网，以利于线路中线的正确连接。

向洞内传算方位的定向边长度不宜小于300m。

洞口GPS控制点应方便用常规测量方法检测、加密、恢复和向洞内引测，洞口子网各控制点间应尽量通视。

选择布设哪种控制网为宜，应根据各单位所拥有的仪器情况，隧道横向贯通误差要求的大小，隧道线路通过地区的地形情况以及建网费用等方面进行综合考虑，对于长度大于4km的长大隧道应采用GPS定位技术进行控制测量。用GPS进行隧道洞外控制测量，只需在洞口处布点，埋石与常规方法的要求相同，但选点位置直接影响GPS测量的观测质量，因此GPS点位应埋设在开阔地带，远离高压线、发射塔、树木、房屋等遮盖物。点位务必选在高度角15°以上无障碍物遮挡的地方。

6.2.5 平面控制测量

1 GPS测量

1）GPS网形布设

隧道洞外GPS网应联测足够数量的线路控制点以建立隧道控制网与线路控制网之间的关系。若设计单位布设的洞外控制网满足隧道贯通精度要求，施工单位应以同网、同精度原则对设计单位布设的控制网进行复测，复测设计单位控制点满足要求时以设计单位成果作为洞内控制测量依据，若设计单位未对隧道进行控制测量，则施工单位应按照精度要求对隧道洞外进行控制测量。

GPS主网应布设成三角形或大地四边形，由洞口子网和联系子网的主网构成，隧道每个开挖洞口的子网一般布设4个稳定可靠的GPS控制点并互相通视组成大地四边形，控制点与洞口投点的高差不宜过大，GPS控制网进洞联系边最大俯仰角不宜大于5°。

当洞口子网采用GPS测量困难时，可以测量一条GPS定向边，子网的其他控制点采用全站仪测量。

2）GPS测量主要技术指标

铁路GPS控制网测量等级共分五等，各等级GPS测量主要技术指标应符合表4规定：

表4 各等级GPS控制网测量的主要技术要求

注：当基线长度短于500m时，一、二、三等边长中误差应小于5mm，四等边长中误差应小于7.5mm，五等边长中误差应小于10mm。

3）各等级GPS测量作业的基本技术要求应符合下表5规定：

表5 各等级GPS测量作业的基本技术要求

4）GPS外业观测技术要求

Ⅰ观测过程中应严格执行作业调度计划，按规定时间进行同步观测，不得中途随意更改作业计划，特殊情况需要变更作业计划的必须经带队组长同意；

Ⅱ同步观测时段数及时段长度、采样间隔应符合规范要求；

Ⅲ作业过程中，天线安置严格整平、对中，每时段观测前后分别量取天线高，两次测量互差小于2mm，取两次平均值作为最终结果；

Ⅳ同一时段观测过程中不得关闭并重新启动仪器，不得改变仪器的参数设置，不得转动天线位置；

Ⅴ作业过程中中使用对讲机时，应远离GPS接收机10m以外；

Ⅵ一个时段观测结束后，应改变仪器高度重新对中整平仪器，进行第二时段的观测；

Ⅶ观测过程中应按规定填写观测手簿，详细记录观测点名、仪器高、仪器型号、出厂编号、观测时间及观测者姓名，并描绘点之记；

Ⅷ观测过程中若遇到雷雨、风暴天气应立刻停止当前观测，确保人员设备的安全。

5）GPS测量数据处理与平差

GPS测量数据处理与平差流程如图2：

图2 GPS测量数据处理与平差流程

2 导线测量

1）导线测量的技术要求应符合下表6规定：

注：表中n为测站数，D为测距边长，以千米计。

在直线隧道中，为了减少导线量距误差对隧道横向贯通的影响，应尽可能将导线沿着隧道的中线敷设。导线点数不宜过多（即在踏勘过程中将所选导线点边长尽量拉长），以减少测角误差对横向贯通的影响。对于曲线隧道而言，导线亦应沿两端洞口连线布设成直伸型导线为宜。

在设有横洞、斜井和竖井的情况下，导线应经过这些洞口。为了增加校核条件、提高导线测量的精度，都使其组成闭合环。为了便于检查，保证导线的测角精度，应增加闭合环个数以减少闭合环中的导线点数，以便将闭合差检查限制在较小范围内，每个导线环由4～6条边构成。按闭合导线要求施测全部边和角，这样可以提高导线网的可靠性，并且可以形成高程闭合环。为了减小仪器误差对导线角的影响，导线点间的高差不宜过大，视线应超越和旁离障碍物lm以上，以减小地面折光和旁折光的影响。对于高差大的测站，采用每次观测都重新整平仪器的方法进行多组观测，取多组观测值的均值作为

该站的最后成果。

2）水平角观测

导线环的水平角观测，应以总测回数的奇数测回和偶数测回分别观测导线前进方向的左角和右角，以左角起始方向为准配置度盘位置。

测站的圆周角闭合差=[左角]均+[右角]均-360°，应不大于限差，对于二、三、四等导线限差分别取±2.0”，±3.5”，和±5.0”。

导线环角度闭合差应小于限差

W 限=±2n m

式中，m 为设计所需的测角中误差，n 为导线环内角的个数。 导线环的测角中误差，可按下式估算：

[]N

n

f

m 2

β

β=

式中 f β——导线环（段）的角度闭合差（″）；

N ——导线环（段）的个数； n ——导线环（段）的角度个数。

由洞外向洞内的测角工作，宜在夜晚或阴天进行。 3）精密测角的一般原则：

Ⅰ 观测应在目标成像清晰、稳定的有利于观测的时间进行，以提高照准精度和减小旁折光影响。

Ⅱ 观测前认真调焦，消除视差。一测回内不得重新调焦，以免引起视准轴变动。 Ⅲ 按测回数进行配盘，以消除度盘分划误差，全站仪不存在该项误差。 Ⅳ 上下半测回之间倒转望远镜，以减弱视准轴误差、水平轴倾斜误差等。 Ⅴ 上下半测回照准目标的次序应相反。

Ⅵ 每半测回开始观测前，照准部按规定方向先转动1-2周。 Ⅶ 使用所有微动螺旋时，最后旋转方向均应为旋进。

Ⅷ 观测过程中，照准部水准气泡应始终居中。偏一格时，应在测回间重新整平仪器。 4）距离测量

导线的边长应根据贯通误差计算所要求的精度，采用经检定的全站仪进行。 斜距应加仪器常数改正和气象改正。一般在测站端量取，但在测距边高差很大的情

况下，应取测距边两端的平均值。改正后的斜距按竖直角换算成平距。

导线边长要根据观测条件、测距仪最佳测程，网形结构等因素统筹考虑，两相邻导线边长度不宜相差太悬殊。

边长超过全站仪有效测程或在洞内测量没有足够的回波信号强度时，可在中间加辅助点分两段观测。

测距工作完成后，根据坐标系的不同还应对边长进行投影改正。工程独立坐标系应将测距边投影至工程平均高程面上；国家坐标系应将测距边归算到参考椭球面上再投影至高斯平面。

5）平差计算及成果整理

控制网应采用严密平差进行平差计算。

6.2.6高程测量

隧道洞外高程测量一般可采用光电测距三角高程测量或者几何水准测量，三等或三等以下的高程测控可采用光电测距三角高程，三等以上精度的高程测量应采用几何水准。

1 水准测量

1）水准仪和水准标尺的检校

用于水准测量的仪器和标尺应送法定计量单位进行检定和校准，并在检定和校准的有效期内使用。

在作业期间，自动安平光学水准仪每天检校一次i角，气泡式水准仪每天上、下午各检校一次i角，作业开始后的7个工作日内，若i角较为稳定，以后每隔15天检校一次。数字水准仪整个作业期间应每天开测前进行i角测定。一、二等及精密水准测量i 角应小于15″，三、四等及五等水准测量i角应小于20″，超过要求应进行进行检校。

2）水准测量限差应符合下表7规定：

表7 水准测量限差要求单位：mm

注：1. K为测段水准路线长度，单位为km；L为水准路线长度，单位为km；R i为检测测段长度，以千米计；n为测段水准测量站数。

2. 当山区水准测量每公里测站数n≥25站以上时，采用测站数计算高差测量限差。

3）水准观测应符合下表8的规定：

表8 水准观测的主要技术要求单位：m

4）水准测量的观测方法应按下表9执行：

注：电子水准仪按表中顺序观测，对光学水准仪，返测时奇、偶测站标尺的顺序分别与往测偶、奇测站相同。

5）水准测量超限成果的取舍

测段往返测高差不符值超限时，应先就可靠程度较小的往测或返测进行整段重测，并按下列原则进行取舍：

Ⅰ若重测的高差与同方向原测高差的较差超过往返测高差不符值的限差，但与另一单程高差的不符值不超出限差，则取用重测结果；

Ⅱ若同方向两高差不符值未超出限差，且其中数与另一单程高差的不符值亦不超出限差，则取同方向中数作为该单程的高差；

Ⅲ若1中的重测高差（或2中两同方向高差中数）与另一单程的高差不符值超出限差，应重测另一单程；

Ⅳ若超限测段经过两次或多次重测后，出现同向观测结果靠近而异向观测结果间不符值超限的分群现象时，如果同方向高差不符值小于限差之半，则取原测的往返高差中数作往测结果，取重测的往返高差中数作为返测结果。

6）水准测量精度评定

根据往返测不符值计算的每千米高差偶然中误差应满足各等级水准测量精度要求，否则应重测返测不符值较大的测段。

2 光电测距三角高程测量

1）各等级光电测距三角高程测量的限差应符合下表10的规定：

表10 光电测距三角高程测量限差要求单位：mm

注：D为测距边长，Li为测段间累计测距边长，以千米计。

2）光电测距三角高程测量，宜布设成三角高程网或高程导线，视线高度和离开障碍物的距离不得小于1.2m。高程导线的闭合长度不应超过相应等级水准线路的最大长度。

3）光电测距三角高程测量观测的主要技术要求应符合下表11的规定：

表11 光电测距三角高程测量观测的主要技术要求

4）三等光电测距三角高程测量应按单程双对向或双程对向方法进行两组独立对向观测。测站间两组对向观测高差的平均值之较差不应大于±12D mm。

5）所使用的仪器在作业前应按规范中各项指标的规定进行检校，仪器检校的各项要求应符合规定。

6.2.7洞外控制测量提交成果

1洞外控制测量技术设计书。

2控制测量技术报告：包括隧道名称、进出口里程及长度、平面形状及辅助坑道分布、测量依据、采用的技术标准、布网情况、施测方法、仪器型号、平差方法、坐标系统、控制网与线路中线的关系、施测日期、特殊情况以及处理结果、施工注意事项、GPS 测量参考椭球及其基本参数、隧道中央子午线经度等。

3洞外控制测量布网及线路关系（里程及曲线要素）示意图。

4 GPS点、导线点、三角点的坐标、边长及方位角成果表。

5角度、边长和高程观测精度及其计算方法，平差后的精度。GPS控制测量独立基线闭合差计算结果、重复基线较差、外部检测比较和联测比较结果、基线向量及其改正数、WGS-84下的三维坐标及精度及平差后的二维坐标及精度。

6控制测量线路里程推算成果、断链值、由于精度不同而产生误差的处理方法。

7控制测量的高程成果及其与定测高程的比较。

8洞口投点的进洞关系示意图。

9洞外贯通误差预计及洞内测量设计。

10洞外控制测量技术总结。

11原始观测记录和计算成果纸质成果应装订成册，电子成果应拷贝或刻录光盘并作好记录，两种成果均应长期保管。原始观测和记事项目必须在现场记录清楚，注明观测者、记录者、观测日期、起迄时间、气象条件、使用的仪器等。纸质记录不得涂改或凭记忆补记，各记录须编列页次。

7 劳动力组织

洞外控制测量劳动力组织根据平面、高程测量方法具体确定，一般分四种作业模式，分别为平面高程三维导线作业模式、导线水准测量作业模式、GPS及水准测量作业模式、GPS及光电测距三角高程作业模式，按照不同作业模式分别组织测量人员，其中光电测距三角高程测量人员安排与导线测量人员相同。

7.1 导线测量劳动力组织

表12 导线测量劳动力组织

7.2水准测量劳动力组织

表13 水准测量劳动力组织

7.3 GPS测量劳动力组织

表14 GPS测量劳动力组织

8 主要机具设备

洞外控制测量采用的方法有导线测量、GPS测量、水准测量、光电测距三角高程测量，根据不同的作业模式确定所需测量机具，其中光点测距三角高程测量所需机具与导线测量配置相同。

8.1导线测量主要机具配置

表15 导线测量主要测量机具配置表

8.2水准测量主要机具配置

表16 水准测量主要测量机具配置表

8.3 GPS测量主要机具配置

表17 GPS测量主要测量机具配置表

9 质量控制

9.1易出现的质量问题

9.1.1 导线网闭合差超限。

9.1.2 水准测量往返闭合差超限。

9.1.3 GPS观测数据质量差。

9.1.4 GPS 基线闭合差超限。

9.1.5 光电测距三角高程往返高差互差超限。

9.1.6 控制点发生位移或沉降低。

9.2保证措施

9.2.1 测量使用的仪器必须经法定计量检定单位检定合格，并在检定有效期内，使用过程中应及时进行校正，使仪器设备处于良好的工作状态。

9.2.2 观测视线应远离障碍物1m以上，防止旁折光对角度测量的影响。

9.2.3 角度测量时应选择阴天视线清晰的时间段进行观测。

9.2.4 有太阳时，测量仪器应打遮阳伞。

9.2.5 水准测量观测过程中应采用竹竿辅助立尺将水准尺扶直。

9.2.6 水准测量前应检测和校正水准仪I角。

9.2.7 GPS点应埋设在不影响GPS信号接受的没有无线电干扰视野开阔的地方。

9.2.8光电测距三角高程测量时，往返观测的时间间隔应尽量小，并应进行大气折光改正、地球曲率改正。

9.2.9 应加强对洞外控制点的防护，防止在施工期间遭到破坏，并应定期或不定期对控制点进行复核，一般在雨季或冻融后应分别对洞外控制点进行一次全面复测，确保控制点稳定可靠。

10 安全措施

10.1主要安全风险分析

洞外测量属于野外作业，人员安全风险主要有车辆交通、饮食、饮水、户外行走等，仪器设备安全风险主要有仪器设备在作业过程中的搬运及使用过程中的维护等。

10.2保证措施

10.2.1测前进行安全教育和安全技能培训。

10.2.2制订行车计划，对车辆进行安全检查，严禁疲劳驾驶。

10.2.3禁止酒后生产作业。

10.2.4禁止食用不易识别的野菜、野果、野生菌菇等。

10.2.5作业时穿戴好防护用品，防止滑倒和蚊虫叮咬。

10.2.6 进入环境不熟悉的无人区应找向导带路，防止迷路。

10.2.7仪器运送时，应由专人负责护送，并将仪器装入专门的运输箱内，放置仪器的地方要安全妥当，并应清洁和干燥。

10.2.7仪器开箱时，应防止滑落损坏，作业过程中，应小心操作，随时有人防护，并注意防尘防潮。

11 环保措施

测量作业期间生活垃圾及杂物不得随意丢弃，不得乱砍乱伐林木，林区不得使用火种，不得污染水源。

12 应用实例

12.1工程简介

由中铁一局集团第五工程有限公司承建的郑西铁路客运专线秦东隧道起迄里程DK333＋312～DK340+996，全长7684m，设计为双线大跨黄土隧道，隧道进口端有路基312m、出口端为潼洛川大桥。隧道按长隧短打方案进行施工，共设3个斜井。

12.2施测情况

由中铁一局集团第五工程有限公司精密测量队对秦东隧道进行了洞外控制测量。隧道洞外平面控制测量采用GPS测量的方法进行施测，洞外高程控制测量采用二等水准测量进行施测。隧道进口、1#斜井口、2#斜井口、3#斜井口、隧道出口各布设3个GPS点，开挖洞口GPS点之间相互通视，便于施工检测；各开挖洞口分别布设3个二等水准点，两相邻水准点之间置镜一次可进行检测。

GPS网由大地四边形组成，按三等GPS测量进行施测，共投入6台天宝SPS780 双频GPS接收机进行同步观测，GPS接收机标称精度为5mm+1ppm，每条基线边观测两个时段，控制网数据处理时，对观测基线进行了精细处理，基线环闭合差、重复基线差均满足要求后进行无约束平差，然后以隧道进出口CPPI为起算点进行约束平差，得到各开挖洞口GPS控制点平面坐标。

水准测量采用天宝DINI12电子水准仪按二等水准测量的技术要求往返观测，电子水准仪标称精度为0.3mm/km，由往返测不符值计算的每千米高差中数的偶然中午差为0.54mm，满足二等水准测量精度要求，水准路线起闭于隧道进出口设计单位布设的二等水准点上，附合路线闭合差满足精度要求，以进出口二等水准点为起算点进行高程控制网约束平差，得到各开挖洞口的高程控制点高程。

12.3 工程结果评价

秦东隧道于2008年4月全线贯通，各贯通面最大横向贯通误差12mm（限差为100mm），最大高程贯通误差16mm（限差为50mm），实测贯通误差分别小于限差，贯通结果表明洞外控制测量精度满足要求。由于洞外平面控制测量采用GPS测量技术，避免了测量人员翻山越岭，只需在洞口控制点安置GPS接收机自动观测即可，测量精度和测量效率大大提高，取得了良好的经济和社会效益。

12.4 测量效果及施测图片