不同坐标系差异对特长隧道施工精度的影响分析

发布时间：2018-08-17所属分类：科技论文浏览：1次

摘 要： 摘要:为解决在施工过程中建立两期平面控制网引起的中线匹配性以及放样位置一致性问题，以某铁路特长隧道铺设无砟轨道的工程实践为例，采用坐标系间差异的相对关系分析法、不同坐标系中线放样位置一致性分析法、不同坐标系下理论中线差异分析法进行施工影响程

　　摘要:为解决在施工过程中建立两期平面控制网引起的中线匹配性以及放样位置一致性问题，以某铁路特长隧道铺设无砟轨道的工程实践为例，采用坐标系间差异的相对关系分析法、不同坐标系中线放样位置一致性分析法、不同坐标系下理论中线差异分析法进行施工影响程度分析，得出独立系理论中线与施工采用的线路系理论中线在该隧道没有明显差异的结论，仍采用线路系理论中线施工和铺轨，取得较好的实践效果。

　　关键词:铁路隧道,特长隧道,相对关系法,独立坐标系,理论中线,线路坐标系

　　1工程概况

　　某铁路特长隧道，地处黄土台塬区，地形起伏较大，交通不便。设计为双线隧道，全长9793m。隧道穿越的地质情况复杂，施工难度大，设置4座斜井，全段铺设无砟轨道，为全线最大重难点控制性工程。

　　2施工平面控制网现状及其存在问题

　　本隧道采用不同坐标系的两期控制网成果进行施工。原控制网坐标系采用1954年北京坐标系的参考椭球参数，中央子午线经度为110°30'，投影面正常高500m。当时对边长投影长度变形没有10mm/km的强制要求[1-2]，全线没有建立CPI、CPII控制网[3]。

　　施测单位进场后，对设计单位四等GPS控制网进行复测后[4-7]，以其为基准加密控制点作为首期隧道施工控制网(后文简称为“线路系成果”)，采用与设计单位提供的线路设计理论中线(后文简称为“线路系理论中线”)用于隧道进口段的施工，隧道进洞约200m后，因故暂停施工。该隧道现行施工平面控制网是在2013年复工后建立的工程独立坐标系。

　　按照《高速铁路工程测量规范》(TB10601—2009)规定，原有设计网边长长度投影变形不能满足隧道施工要求，因此需要建立工程独立坐标系[8-10]，以保证该隧道的边长投影长度变形值小于10mm/km。工程独立坐标系采用与首期隧道施工平面控制网一致的1954年北京坐标系的参考椭球参数，中央子午线经度为110°30'，投影面正常高调整为630m，利用固定一点一方向的方法建立[11]。

　　工程独立坐标系建立后重新提供控制网独立系成果(后文简称为“独立系成果”)，没有对原设计线路理论中线进行转换[12-13]，而是仍然采用“线路系理论中线”施工。因此，该隧道存在两期平面控制网施工，存在以下3个亟待解决的问题。(1)两个坐标系统不同，同名点之间的角度、边长长度存在差异，需要分析这些差异对施工放样的影响问题。(2)采用两个坐标系，不同坐标系下现场放样中线位置存在差异，需要分析这些差异对后续施工的影响程度。(3)没有将线路系设计线路理论中线转换到施工独立坐标系，存在不同坐标系下理论中线的差异问题，需要对施工独立坐标系下隧道施工中线合理性进行分析评估。

　　3坐标系间差异的相对关系法分析

　　采用相对关系法分析两个坐标系差异的施工影响，以隧道进、出口施工控制点作为比较基准，分别在进口端选取SD16、SD17、SD18、SD19;出口端选取SD37、SD38、SD39总共7个代表性的控制点，点位平面位置见图1，隧道进、出口端控制点间的边长、角度较差分析见表1。

　　从表1可以看出:隧道进口端4个控制点组成的边长在300～500m，线路系下的边长与独立系的边长较差在10.2～17.4mm;隧道出口端3个控制点组成的边长在200～700m，线路系下的边长与独立系的边长较差在3.8～23.8mm;边长较差无明显的规律。隧道复测分别用2套坐标系对控制点的点位稳定性进行了三维自由网平差坐标比较法和一点一方向法分析，表明控制网整体比较稳定，可以作为相对关系法分析的源数据，边长较差主要由坐标系长度变形差异引起[14-15]。

　　从表2两个坐标系下控制点的角度较差统计可以看出，隧道进口端、出口端在线路系下的角度与独立系的角度较差最大分别为2.2″(∠SD18SD16SD19)、1.0″(∠SD37SD39SD38)，虽没有明显的变化规律，但两者较差量级较小。从上面分析可以看出:两套坐标系差异对该隧道线下工程施工影响不明显，仍可以利用现有资料指导隧道掘进施工，这种分析问题的方法对其他特长隧道有参考作用。

　　4不同坐标系中线放样位置一致性分析

　　由于采用两套不同的坐标系，采用同一套理论中线，坐标系统间的差异会导致放样同一个理论点的实地位置存在差异，产生纵、横向偏差。检查时，利用建网数据，采用与施工相同的测站以及后视，在两个坐标系下分别放样同一个理论中线点的角度、距离进行检查。进口端选择SD19作为起算点，附近的DK66+600、DK66+747、DK66+800三个点作为检查点;出口端选择坐标原点SD38作为起算点，附近的DK76+500、DK76+600、DK76+700(考虑断链0.306m)作为检查点，进、出口端中线点在线路系与独立系两个坐标系的放样差异分别见图2、图3。从图中可以得出如下结论。

　　(1)进口端角度差值在0.33″～9.82″，距离较差在10.2～14.3mm;采用相同测站、后视放样中线上同一点的角度、距离较差无规律。在进口处DK66+747点的角度较差为1.37″，距离较差13.8mm，其对线路横向误差影响，以线路SD19为基准，SD18为对齐方向，移动独立系关系与SD19重合，进行比较，独立系放样点的纵向偏差为+0.0117m;横向偏差0.0076m(独立系在线路系右侧)，与洞外中线衔接有差异。

　　(2)出口端考虑断链后，角度较差在0.53″～0.72″，距离较差在0.1mm以内，两个坐标系放样数据一致，差异较小，不存在衔接误差，对该隧道施工没有影响。因此，采用此方法能够有效判断两个坐标系间的差异对施工的影响程度。

　　5不同坐标系下理论中线差异分析

　　本项目在施工独立坐标系下使用线路系设计理论中线进行掘进施工。因此，施工使用中线在两个坐标系差异分析方法如下[16]:在隧道独立网复测时，将6个恢复中线点按控制点精度纳入GPS网观测，以网中所有稳定点的线路系坐标(Lo=110°30'、Hm=500m、2013年)作为约束基准，计算实地恢复中线点、新设点的线路系实测坐标。用恢复中线点的线路系二维约束平差结果与其线路系设计理论坐标进行比较，检查恢复中线点放样的到位性。以恢复中线点的独立系下实测坐标，展绘到线路系下的设计理论中线CAD图中(不配套)，量取与理论中线的相对关系，见表3。

　　从独立系与线路系理论中线的横向偏差可得出如下结论。(1)由于未采用独立系理论坐标放样，所联测点位为线路系下的实地放样位置，因此，在线路系下放样合适的恢复中线点，在独立系下也合适，独立坐标系没有明显改变控制点与理论中线的相对关系。(2)恢复中线点在线路系、独立系下实际线位与设计理论线位的相对关系有微小差异(进口端横向差异在3mm左右，出口端横向差异在5mm左右)。线路系理论中线转换到独立系，以实放的洞外恢复中线点，核查其与独立系理论中线的相对关系，从表4可以看出，若采用转换的独立系理论中线，其效果与施工使用的线路系理论中线相当，具体表现在:进口端放样误差，与原线路系相当;出口端线路系合适的中线点，在独立系下也合适，验证独立系中线可靠。综上所述，独立系理论中线与施工采用的线路系理论中线在该隧道没有明显差异，仍采用施工使用中线(线路系理论中线)施工和铺轨，此分析方法对其他特长隧道有参考价值。

　　6结论

　　通过对某铁路特长隧道两期施工平面控制网间坐标系差异对隧道施工精度的影响分析，提出了坐标系间差异的相对关系分析法、不同坐标系中线放样位置一致性分析法、不同坐标系下理论中线差异分析法，并说明各种方法的参考价值及适用范围，对其他特长隧道工程有一定的借鉴意义。

　　(1)采用相对关系分析方法可以有效评价坐标系间的差异对施工放样的影响程度，可以用于类似工程项目采用两个坐标系的可用性评价。

　　(2)对不同坐标系中线放样位置一致性分析方法可以用于铁路测量中分带、分界处附近CPI、CPII控制点位置合理性评价，检查相邻两投影带差异长度变形对施工放样的影响程度。

　　(3)对不同坐标系下理论中线差异分析方法可以用于固定一点一方向下施工理论中线选择评价依据，其评价分析应纳入隧道施工独立控制网成果说明中。

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