特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的施测方法

摘要

本发明涉及一种特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的施测方法。隧道施工时从左、右洞口开挖双向掘进，整体贯通后开始轨道铺设，施工进度慢，工期长，效率低，施工存在安全性隐患。本发明沿正洞方向设置多个斜井，以其为界将正洞分节段双向施工，在贯通前先期铺设无砟轨道；建立平面控制网和高程控制网进行测量采集数据，利用线位拟合的数学模型进行中线拟合，确定贯通中线与理论中线的偏差，并进行评估，确定后贯通地段中线的理论位置，贯通段落轨道铺设以拟合的线路中线施工，正在施工开挖段落按拟合的中线进行测量导向，保证后贯通段落的中线与已铺轨段落的中线一致。本发明大幅度加快了施工进度，并有效保证了先期铺设轨道的平顺性和同线性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的施测方法。

背景技术

铁路工程建设中，隧道施工常采用的方法为钻爆法，在隧道进出洞口各布置一个隧道专业机械化施工队，完成洞门的开挖，并完成进洞施工，进行隧道双向掘进。待隧道整体贯通并且贯通误差调整后，才开始隧道全部段落无砟轨道的铺设施工，并开始洞内其它设施的建设。对于较长隧道甚至特长隧道来说，这样的施工方案及施工安排，施工进度慢，建设工期长，工作效率低，在隧道掘进时施工位置距离洞口较远，施工存在很大的安全性隐患。采用“长隧短打”的施工方案，沿隧道正洞不同段落设置多个斜井，以增加开挖断面。除从隧道两端洞口施工掘进外，还设置施工队从各个斜井进行挖掘，将长隧道分成若干节段，实现每一个节段的双向施工；在隧道还没有整体贯通前，从隧道两端开始，在已贯通的隧道节段中先期铺设无砟轨道，不仅能缩短工期，还能提高施工的安全性，但各节段先期铺设的无砟轨道的平顺性和同线性将很难保证，所述的同线性是指指各节段施工中线在同一条线上，亦即施工中线保持唯一性。这主要包含以下两个方面的原因：

A、隧道的贯通误差不可避免，数值大小无法准确预计，按理论中线施工，不能满足轨道铺设条件。

尽管在隧道施工前已建立了高精度的独立施工控制网，洞内也建立了施工控制导线网，由于测量误差不可避免的存在，导致相向开挖的隧道存在一定的贯通误差，包括横向贯通误差和高程贯通误差。贯通误差的大小决定了隧道贯通的精度。如果贯通误差超过贯通限差的要求和隧道限界的要求，贯通误差就需要进行调整，这样隧道施工就不能满足轨道铺设条件。因此，隧道准确贯通是铺设无砟轨道的前提。

B、施工中线的多样性导致无砟轨道无法调整。

隧道施工采用多个开挖断面施工，由于测量误差的存在，各个段落施工中线严格说不在一条直线上，与隧道设计理论中线均有偏差。如果按照已贯通段落施工中线铺设无砟轨道，将导致与以后段落铺设的无砟轨道无法平顺衔接，甚至根本无法进行调整，可能引起工程修正、返工、甚至废弃，造成浪费和工期延误。因此，在隧道全线未贯通前，提前实施已贯通段落铺设无砟轨道，是有一定难度和风险的。

发明内容

本发明的目的是提供在特长隧道分段施工中，保证隧道贯通前先期分段铺设无砟轨道的平顺性和同线性的一种特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的施测方法。

本发明所采用的技术方案为：

特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的施测方法，在特长隧道施工时，沿隧道正洞设置多个断面的斜井，除从隧道两端洞口施工掘进外，还设置施工队从各个斜井开始挖掘，将隧道分成若干节段，从每一个节段进行双向施工，辅助正洞施工，在隧道正洞还没有整体贯通前，从隧道正洞两端开始，在已贯通的隧道节段中先期铺设无砟轨道，为满足各节段轨道的平顺性和同线性设置以下施测步骤：

A、在隧道正洞进、出口和斜井口设置多个平面控制点和水准点，在斜井和正洞内交叉设置多个导线点，建立高精度的洞外、洞内测量控制网，建立固定观测墩，提高施工测量精度，保证各开挖段落隧道贯通误差最小，从而保证隧道内实施提前铺设无砟轨道的条件；

B、确定隧道施工中线与隧道理论中线的偏差，并进行评估。建立线位拟合的数学模型，在满足建筑限界和规范要求的前提下进行中线拟合，确定隧道铺轨中线以及后贯通地段中线的理论位置及控制方法；

C、隧道已贯通段落无砟轨道铺设以拟合后的线路中线施工，正在施工开挖段落按拟合后的线路中线进行施工测量导向，保证后贯通段落的施工中线与已铺轨段落的中线一致；

D、在隧道中设置CPⅢ控制点，建立轨道控制网，对轨道铺设进行施工控制。轨道控制网高程测量与平面控制测量合并，采用自由测站三角高程测量方法测量CPⅢ控制点的高程。

所述的特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的施测方法，其特征在于：

所述的步骤A中，隧道进、出口、斜井口各布设3个平面控制点、3个水准点。对洞口加密点即正洞进、出口、斜井口的网形进行优化，确保进洞方向点、进洞连接边合理、可靠；

斜井内交叉设置多个导线点，点位处设置固定观测墩；

所述的每个隧道正洞内每400m交叉布设一对导线点，每隔一个横通道在Ⅰ线隧道、Ⅱ线隧道洞壁外侧处各埋设1个固定观测墩，其上固定测量仪器；

正洞内导线布设为交叉双导线形式，建立洞内测量的平面控制网。高程控制点选取尽量与洞内平面控制点兼顾，条件不具备也可以另行在隧道壁或排水沟处选点并埋设。每隔200m～500m设置1对水准点，按二等水准测量精度建立洞内高程控制网。

所述的特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的施测方法，其特征在于：

所述步骤A中，洞外平面控制网测量采用GPS测量方式进行，洞外高程控制网测量采用精密三角高程测量的方法进行；

斜井内、正洞内平面控制测量采用具有自动照准全站仪按照三等导线测量方式进行；

斜井内高程测量采用精密三角高程测量方法，正洞内高程测量采用二等水准测量方法。

所述的特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的施测方法，其特征在于：

所述的步骤B中，根据实测的既有隧道施工中线坐标，采用回归分析的方法对隧道施工中线进行合理的拟合调整；

首先在洞内控制网的基础上，采集已开挖完成段线路施工中线的坐标及高程，每100m～200m测一个中线点；隧道中线的检查以实测的施工中线位置为基准，利用整个隧道的理论中线坐标，以及进出口端的曲线要素进行；

确定隧道施工中线与隧道理论中线的偏差，并进行评估。建立线位拟合的数学模型，在满足建筑限界和规范要求的前提下进行中线拟合，确定隧道铺轨中线以及后贯通地段中线的理论位置及控制方法。

对洞内高程进行评估，根据隧道内导线点处采集的高程值，按照水准点间的高差较差作为评估依据，按原测量等级的要求进行评估；比较正洞内高程与原测高程的较差，根据差值大小，可以考虑在预留的施工误差内解决。

所述的特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的施测方法，其特征在于：

所述步骤C中，提到保证后贯通段落的施工中线与已铺轨段落的中线一致的两个必备条件：隧道已贯通段落无砟轨道铺设以拟合后的线路中线施工；正在施工开挖段落按拟合后的线路中线进行施工测量导向。

所述的特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的施测方法，其特征在于：

所述步骤D中，洞内轨道控制网平面控制测量在洞内控制网的基础上采用自由设站边角交会，CPⅢ点按间隔每50米对点布设，并沿隧道壁两侧埋设，可埋设在隧道边墙位置；

按照自由测站三角高程方法测量CPⅢ控制点的高程，垂直角和CPⅢ平面控制网水平方向、斜距测量同时观测。

本发明具有以下的有益效果：

本发明建立高精度的洞外、洞内测量控制网，建立洞内轨道控制网用于轨道铺设。提高施工测量精度，保证各开挖段落隧道贯通误差最小。确定隧道施工中线与隧道理论中线的偏差，并进行评估。建立线位拟合的数学模型，在满足建筑限界和规范要求的前提下进行中线拟合，确定隧道铺轨中线以及后贯通地段中线的理论位置及控制方法。贯通段落无砟轨道铺设以拟合后的线路中线施工，正在施工开挖段落按拟合后的中线进行测量导向，保证后贯通段落的中线与已铺轨段落的中线一致，从而确保隧道内实施提前铺设无砟轨道的条件，有效保证了隧道整体贯通前先期铺设轨道的平顺性和同线性。

附图说明

图1为斜井内导线点点位埋设示意图。

图2为正洞内导线点点位埋设示意图。

图3为斜井与正洞内导线控制网连接局部关系图。

图4为洞外洞内导线边连接形式图。

图5为施工中线与理论中线关系图。

图中，1-导线点，2-固定观测墩，3-Ⅰ线隧道，4-Ⅱ线隧道，5-横隧道，6-斜井洞，7-正洞，8-洞外控制点，9-隧道理论中线，10-隧道施工中线。

具体实施方案

下面结合附图和具体实施方案对本发明进行详细的说明。

本发明应用在特长隧道建设中采用分节段施工的施工方案中。沿隧道正洞不同段落设置多个斜井，以增加开挖断面。除从隧道两端洞口施工掘进外，还设置施工队从各个斜井进行挖掘，将长隧道分成若干节段，实现每一个节段的双向施工；在隧道正洞还没有整体贯通前，从隧道两端开始，在已贯通的隧道节段中先期铺设无砟轨道，这样的施工方案，不仅能缩短隧道施工工期，还能提高施工的安全性。

隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的先决条件是，能够使各节段轨道顺利衔接，保证各节段轨道在连接后能形成完整轨道的平顺性和同线性。本发明为此提出了特长隧道整体贯通前先期铺设无砟轨道的施测方法，建立高精度的洞外、洞内测量控制网，建立洞内轨道控制网用于轨道铺设。依靠高精度的测量仪器、通过建立固定观测墩、建立合适的控制网网性，提高施工测量精度，保证各开挖段落隧道贯通误差最小。

确定隧道施工中线与原理论中线的偏差，并进行评估。同时在满足建筑限界和规范要求的前提下建立线位拟合的数学模型，进行中线拟合，确定后贯通地段中线的理论位置及控制方法。贯通段落无砟轨道铺设以拟合后的线路中线施工，正在施工开挖段落按拟合后的中线进行测量导向，保证后贯通段落的中线与已铺轨段落的中线一致。从而确保隧道内实施提前铺设无砟轨道的条件。

施测方法的具体步骤如下：

（一）建立高精度的洞外、洞内测量控制网

1、洞外平面、高程控制网建立

1）隧道进、出口、斜井口各有3个平面控制点、3个水准点。

2）洞外平面控制网测量采用GPS测量方式进行。

3）洞外高程控制网测量采用精密三角高程测量的方法进行。

4）洞外控制网测量技术要求

A、平面控制网

平面控制网按《铁路工程卫星定位测量规范》TB10054-2010中GPS网二等网的精度要求按静态测量模式进行。

平面控制网的测量精度控制按GPS二等网控制点最弱边相对中误差小于1/180000，最弱边方向中误差不大于1.3″。GPS接收机标称精度不低于5mm+1ppm，同步观测接收机数为6台，GPS外业观测指标如表1所列。

表1    GPS外业观测指标

B、高程控制网

高程控制网按国家二等水准测量的精度要求进行。洞外高程控制网测量采用精密光电三角高程测量方法，按照对向测量方法测定相邻水准点间的高差。

精密光电三角高程测量仪器采用具有自动照准全站仪及配套的棱镜进行，仪器标称精度测角不应低于0.5″，测距不应低于1mm+2ppm 。全站仪应经过特殊加工改装，能在全站仪把手上安装反射棱镜，反射棱镜的安装误差不得大于0.1mm。全站仪将测量高差联测到水准点上时，必须用特制的精密棱镜对中杆进行联测。

对向观测按仪器前进方向，先进行后测站观测，再进行前测站观测。每个测段进行单棱镜往返测或高低双棱镜观测，采用高、低两个棱镜，使每一测站观测能得到检核，并提高了测站观测的精度和可靠性。高低双棱镜观测顺序为：后低，前低，前高，后高。一条边观测结束后，进行下条边观测，这时特别要注意，前站仪器不动，为下条边的后站，原后仪器迁至前面，为下条边的前站，在一个测段上对向观测的边为偶数条边。

对边观测边长一般在200~500 m，竖角一般不超过10°。观测边长在 100 m以内测2测回，100~500 m测4测回，500~800 m测6测回，800~1000 m测8测回。

各测回指标差和垂直角较差不超过 5″，测回间测距较差不超过 3 mm，测回间高差较差±4S^1/2mm（S为视线长度）。双棱镜观测时按高低棱镜观测值分别计算高差，不符值不超出±4S^1/2mm，并在测站上要检核高低棱镜观测高差之差。测段往返测高差不符值不超出±4L^1/2mm(L为测段长度)。

精密光电测距三角高程测量在观测中应测定气温和气压。气温读至0.5℃，气压读至1.0hPa，并在斜距中加入气象改正。

测量作业结束后，参照水准测量要求计算每公里水准测量的偶然中误差M_Δ。M_Δ按公式计算：

式中： Δ —— 测段往返高差不符值（mm）；

L —— 测段长（km）；

n —— 测段数。

除每公里高程测量的偶然中误差（M_Δ）检查外，高程测量还须满足表2所示“往返测高差较差限差、高差闭合差限差以及和原有高差成果的较差限差”的要求。

表2 水准测量限差要求

C、GPS观测数据处理要求

GPS观测数据需要及时进行处理和质量分析，检查其是否符合规范和技术设计要求。基线解算不合格时，要分析原因，必要时进行基线的补测和重测。

基线解算合格后，进行基线的异步环闭合差和重复基线较差检核。由不同时段基线向量边组成的异步基线环坐标分量闭合差应符合表3。

表3    基线质量检验限差

当检查发现观测数据不能满足要求时，应对成果进行全面分析，必要时应补测或重测。

上述关于基线异步环和重复基线较差检核项中的“s”为相应等级GPS网的中误差精度指标，用下式表示：

式中，d为以公里为单位的距离值（当进行异步环检核时，d为环平均边长；当进行重复基线较差检核时，d为基线长）；a、b为GPS网的等级指标，其中a为固定误差系数，b为比例误差系数。

当基线解算的各项要求符合规范要求后，可进行GPS控制网的整体平差。应以独立基线的三维基线向量及其方差、协方差阵作为观测信息，以一个点的WGS-84的三维坐标为起算数据，进行三维无约束平差。按照与施工相同的坐标系以及起算基准对三维无约束平差后的观测值进行三维约束平差或二维约束平差，获得最终的坐标成果。

2、洞内平面、高程控制网建立

1）洞内平面控制网的技术设计

A、测量方法：正洞平面控制网采用交叉双导线方式布设，斜井平面控制网交叉单导线往返观测。斜井导线在正洞交叉控制点上形成自身闭合环与正洞导线连接，测量精度等级为三等。为增加检核条件，可每隔一定段落将施工导线以自由设站方式加强联测检核。

B、测量仪器：采用具有自动照准全站仪及配套的棱镜进行，仪器测角精度不低于1″，测距精度不低于（1mm+2ppm×D）。

C、由于洞内导线观测条件差，边长较短，为了提高导线测角精度，斜井里导线点以及正洞内相隔一个横通道（横通道间距约420m）处的导线点以及斜井与正洞交叉处导线点应采用建立固定观测墩和强制对中底盘的形式埋设。单侧400米一个对中墩，也满足CPII的长度要求。

D、导线测量技术要求见表4。

表4    导线测量技术要求

E、导线测量采用全测回法观测水平角，测站观测限差要求见表5。

表5    测站观测限差

F、实测水平距离经气象改正、加常数、乘常数改正和距离归化改正后，作为计算使用距离。气压、气温应在测站和反射镜站分别测记，取两端平均值进行气象改正。

2）洞内平面控制网的建立

A、选点、埋石

隧道斜井洞和正洞内控制网选点，考虑到斜井洞内空间以及交通影响，斜井洞内按照每200m左右交叉选点作为导线点，埋设固定观测墩。斜井洞内导线点点位埋设示意图见图1。

每个隧道正洞内400m左右布设一对导线点。布设在两条隧道之间每个横通道处（横通道间距约420m左右），其中每隔一个横通道在Ⅰ线隧道、Ⅱ线隧道洞壁外侧处各埋设1个固定观测墩，正洞内导线点点位埋设示意图见图2。

固定观测墩可根据隧道洞内条件埋设为圆柱形钢筋混凝土墩，圆柱直径以200mm为宜，高度不大于1000mm。

如果洞内不便于埋设固定观测墩，可以在隧道洞壁设置固定观测简易支架，用来架设仪器或棱镜。支架应采用三角铁相互组合焊接，确保支撑有力，埋设牢靠。

洞内其它导线点可埋设为地面普通导线点标志，或直接在电缆槽内墙顶部打孔埋设不锈钢标志。

B、导线控制网图

隧道斜井洞内导线点连测按左右交叉单导线形式，进行往返观测。正洞内导线布设为交叉双导线形式，每隔2km左右，在隧道中间增加一组自由设站交会点，增加网的多余观测量、增加导线的闭合检核条件、提高网的整体强度和精度。斜井与正洞内导线控制网连接局部关系图如图3所示。

完成洞外控制测量后，选取最佳进洞联系边，用于向洞内传算坐标与方位。为提高传递精度，选取两条进洞联系边向洞内同时传递方向和坐标。这种联系方式一方面可以使与洞外控制网的联系的洞内导线构成闭合检核条件，另一方面，洞外的两条边向洞内传递已数据，以提高洞内导线的贯通精度。洞外洞内导线边连接形式图如图4所示。

C、导线控制网观测

洞内导线网的观测采用自动照准全站仪及配套的棱镜按照表1导线测量技术要求进行，水平角观测采用全圆方向法进行观测。测站观测限差按表2规定执行。

3）洞内高程控制网的技术设计

考虑到斜井设计坡度大，洞内观测条件差，斜井洞内高程测量采用精密三角高程测量方法，正洞内高程测量采用二等水准测量方法。

A、斜井洞内高程测量采用精密光电三角高程测量方法

斜井坡度大，测站数量多，视线非常短，观测条件差，在斜井中进行水准测量十分不便，测量精度也受到影响。同时由于斜井内高程测量只是起到高程传算作用，为了确保测量精度，减少测量工作量，斜井内高程测量拟采用精密三角高程测量方法代替二等水准测量方法，水准点可以考虑与平面导线点同点位，高程测量与平面测量同时观测。

测量仪器、观测方法和测量技术要求同前述洞外平面、高程控制网建立中B、高程控制网部分内容。

B、正洞内高程测量采用几何水准测量方法

水准测量采用电子或光学水准仪，仪器等级不低于S1（标称精度：1.0mm/km）级。按二等水准测量技术要求及精度施测洞内各控制点的高程，并附合到进、出口及斜井口的水准点上。二等水准测量技术要求见表6，观测技术要求见表7。

表6    水准测量技术要求

表7    观测技术要求

观测读数和记录的数字取位：使用DS05 或DS1级光学仪器时，应读记至0.05mm或0.1mm；使用数字水准仪应读记至0.01mm。

4）洞内高程控制网的建立

高程控制点选取可以与洞内平面控制点兼顾。如果条件不具备可以另行在隧道壁或排水沟处选点并埋设。每隔200m～500m设置1对水准点。

水准测量的观测路线基本同于导线测量的路线。按二等水准测量精度联测洞内各水准点的高程，并附合到进、出口及斜井的水准点上。

（二）建立线位拟合的数学模型，进行隧道线路中线拟合

隧道内布设的洞内施工控制网由于受测量仪器精度、作业人员水平、洞内观测条件以及观测方法等因素制约，洞内施工控制网存在误差可能造成隧道各节段的施工中线与设计中线产生一定的偏差，需要对既有施工中线进行检测、分析和评估，以便采取线位拟合的方法对其进行必要的修正或调整。根据实测的既有线路中线坐标，采用回归分析的方法对线路中线进行合理的拟合调整。

1、中线数据采集规定

在洞内导线控制网的基础上，采集已开挖完成段线路施工中线的坐标及高程。一般每100m～200m测一个中线点。隧道地段在隧道贯通后采用五等导线测量，分别附合至隧道进出口及斜井处的控制点对上，导线全长相对闭合差限差为1/20000，方位角闭合差限差为8（n为置镜点数）。

2、隧道中线的评估

隧道中线的检查以实测的施工中线位置为基准, 利用整个隧道的理论中线坐标，以及进出口端的曲线要素。直线地段检查中线的横向偏差，确定是否满足限界要求。根据隧道专业的要求，隧道地段横向偏距按0.03m以下、0.03m至0.10m之间分别控制。

施工中线与理论中线关系图如图5所示。

3、洞内高程评估

1）洞内高程评估对隧道水准基点，按照水准点间的高差较差作为评估依据，以原测量等级的要求进行评估。

2）比较正洞内高程与原测高程的较差，根据差值大小，可以考虑在预留的施工误差内解决。

4、铺轨中线确定以及后贯通段落测量导向

根据隧道贯通段落中线与原理论中线的平面、高程偏差进行分析、评估，在满足建筑限界和规范要求的前提下进行中线拟合，确定隧道铺轨中线以及后贯通地段中线的理论位置。

隧道贯通段落无砟轨道铺设以拟合后的线路中线（铺轨中线）进行施工，正在施工开挖段落按拟合后的线路中线（铺轨中线）进行测量导向，保证后贯通段落的中线与已铺轨段落的中线一致。

（三）洞内轨道控制网（相当于CPⅢ控制网）的建立

1、洞内轨道控制网平面控制测量的技术设计

根据理论分析，洞内轨道控制网的精度设计考虑到特长隧道贯通段落提前铺设无砟轨道的实际情况，并参照相关规范要求，按照与五等导线测量精度相同的要求考虑，洞内轨道控制网的测角中误差规定为3.5″。

洞内轨道控制网可采用自由测站边角交会法施测。采用具有自动目标搜索、自动照准、自动观测、自动记录功能，其标称精度应满足：方向测量中误差不大于±1″，测距中误差不大于±（1mm+2ppm）的全站仪测量。

洞内轨道控制网平面控制测量在洞内控制网的基础上采用自由设站边角交会。CPⅢ点按间隔每50米对点布设。埋设观测棱镜强制对中标志。标志离电缆沟顶部30 cm，自由设站点间隔为100m。

CPⅢ点沿隧道壁两侧埋设，可埋设在隧道边墙位置，也可以埋设在排水沟附近。

控制网的测量标志必须达到以下要求：具有强制对中、采用专用棱镜与配套的标志连接件，标志连接件的加工误差不大于0.05mm。能在其上安置和整平棱镜、可将标志上的高程准确地传递到棱镜中心、能够校准棱镜上的圆水准气泡等功能，而且能够长期保存、不变形、体积小、结构简单、安装方便。棱镜重复性安装误差、互换性安装误差，在X、Y、Z三个方向均不得大于0.3mm。

轨道控制网平面观测采用标称精度：±1″，±（1mm+2ppm）的自动照准全站仪观测4个测回。测角中误差不大于2.5″，测距中误差不大于2mm。观测水平角要求：半测回归零差不大于6″，2C较差不大于9″，同一方向各测回间较差不大于6″。

2、洞内轨道控制网高程控制测量的技术设计

轨道控制网高程测量可采用与平面控制测量合并的方法，即自由测站三角高程测量方法。按照自由测站三角高程方法测量CPⅢ点高程的测量，采用三角高程测量方法，垂直角和CPⅢ平面控制网水平方向、斜距测量同时观测。根据经过球气差改正后的自由测站到各CPⅢ点的单向三角高差，计算CPⅢ相邻点间的高差。其观测主要技术要求见表8，平差后的精度指标见表9。

表8    轨道控制网自由测站三角高程外业观测的主要技术要求

表9 轨道控制网自由测站三角高程网平差后的精度指标

数据处理时选择合适数据，构成闭合环，按间接平差法开列高差观测值的误差方程进行平差计算，达到精密水准测量的精度。CPⅢ控制网自由测站三角高程测量控制网平差计算采用专用的数据处理软件进行。