一种地下隧道虚拟双导线控制测量方法

摘要

本发明公开了一种地下隧道虚拟双导线控制测量方法，在进行地下隧道工程控制测量过程中，先按最有利的测量条件选埋一条传统支导线，对传统支导线预先在内业构建虚拟双导线，然后严格按构建的虚拟双导线采用特定的方法进行外业测量及内业数据处理，从而获得等同甚至超越于传统双导线精度的控制点成果，使地下隧道导线控制测量同时兼具传统支导线布设灵活简便、测量快捷和双导线精度高、可靠性高的特点，有效解决地下隧道导线控制测量点位布设、测量效率、测量成本间相互矛盾的问题，本地下隧道虚拟双导线控制测量方法具有广泛的推广前景，可用于各种工程控制测量，特别是地下隧道越长、测量环境越困难的控制测量中更具显著优势。

说明书

技术领域

本发明属于工程测量领域，特别涉及一种地下隧道虚拟双导线控制测量方法。

背景技术

地下隧道工程控制测量分为洞内和洞外两部分，控制测量目的是保证地下隧道工程相 向开挖的工作面能按规定的精度正确贯通，并使各项建筑物按设计位置和几何形状修建， 不侵入建筑限界，符合验收精度要求，各类工程均有相应的测量规范对贯通误差有严格的 规定，不同规范规定有差异，以对地下隧道贯通要求较高的高速铁路工程为例，《高速铁路 工程测量规范(TB10601-2009)》对地下隧道贯通误差作出如下规定：

隧道控制测量对贯通误差的规定

在实际工程施工过程中，常有因为地下隧道贯通误差超限引起已衬砌部分侵入隧道净 空而造成修凿、返工、调线，经济损失少的上百万，多则上千万，控制隧道贯通误差极其 重要。

现在的水准测量手段和高精度水准测量仪器，按规范进行测量即可满足规范对地下隧 道高程贯通误差的要求；隧道洞外控制测量由于观测条件较好、GPS测量手段的应用，由 洞外控制测量对隧道横向贯通误差的影响部分也能轻易满足规范要求；地下隧道洞内控制 网是在施工过程中逐步向前推进建成的，前端无已知点约束，误差或错误都成比例放射状 扩大，成为地下隧道是否能按规范规定误差贯通的关键测量环节。

地下隧道洞内平面控制测量目前方法有两种：

一种方法是支导线：导线从已知控制点出发依次延伸出去而不附合、不闭合于任何已 知控制点上。

支导线测量的优点是：布设简单、灵活、测量工作量小，其缺点是：由于支导线缺乏 检核条件，在观测或计算过程中发生错误或粗差无法通过检核来发现，因此仅在地下隧道 长度很短、测量精度要求较低时采用。

另一种方法是双导线：导线点布设时在每处成对布设两个点，也可前后左右错开布置， 观测时每4～6条边构成一个多边形闭合环。

双导线测量的优点是：可大量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，目前此种方法在长度较长、精度要求较高的地下隧道平面控制测量 中被广泛采用，其缺点是：选布点困难，相对于支导线埋桩数量、测量工作量、测量成本 成倍增加。

过去地下隧道洞内控制测量的发展均围绕在仪器硬件设备和内业数据处理软件上，仪 器和软件的发展现在已经处于瓶颈，一段时间内再往上发展已经变得非常困难，地下隧道 由于其所处位置特殊，洞内场地狭窄、无法接收卫星信号只能采用导线测量，几十年来一 直没有新的测量方法替代，所以地下隧道洞内平面控制测量为了提高网的整体精度和可靠 性，我们不得不长期使用传统的双导线进行测量，众所周知，地下隧道洞内控制测量成本 主要体现在三方面，一是选点埋桩布设控制网，二是外业测量数据收集，三是内业成果数 据处理，而要在狭窄的地下隧道里布设双导线，既要保证良好的通视条件、躲避障碍物、 成对布设导线点和构网形成闭合环，选点埋桩不但非常困难，而且埋桩数量多，选点埋桩 布设控制网成本高；外业测量时，当准备工作做好后真正每测站测量的时间是相对固定的， 对于不同操作人员测量时间也是没有多大差别的，往往一个隧道导线控制测量的时间，大 部分是用在了找点、清理视线上障碍物、连接照明设备、架设测量设备等准备工作上，外 业测量与隧道施工相互交错影响，测量效率极其低下，地下隧道洞内控制测量使测量和施 工成本、进度都受到严重影响；由于计算机和测量内业软件的大力发展，使不同的测量人 员处理内业成果数据效率相差无几；综合以上分析，要想地下隧道洞内控制测量成本得到 控制，测量效率得到提高，只能在选点埋桩布设控制网和外业测量数据收集上寻找突破口。

发明内容

本发明的目的在于克服现有地下隧道洞内控制测量技术上的缺点，提供一种地下隧道 虚拟双导线控制测量方法。该方法具有支导线布设灵活、方便、测量成本低，同时又具有 双导线高精度、高可靠性的特点，最终能够保证测量精度、提高工作效率、节约测量成本 的。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种地下隧道虚拟双导线控制测量方法，包括以下步骤：

步骤1，布设一条支导线，并编号标识。按传统的支导线方法布设支导线，支导线布设 又称为埋设，是指支导线的埋设施工或布置施工，布设好的支导线称为实际埋设的支导线， 编号按照常规方法依次编号并标识清楚。优选的，选择有利于测量条件的支导线埋设方案 进行支导线布设施工。

步骤2，画出所布设的支导线示意图，在该实际埋设的支导线的一侧内业构建一条虚拟 支导线，实际埋设支导线的每个导线点对应一个虚拟导线点，每个虚拟导线点均设置编号， 与原实际埋设的支导线一起按规范要求构成一个闭合环，组成虚拟双导线。优选的，编号 为独立编号，与实际埋设支导线编号不重复。优选的，所述规范要求是指相关隧道施工测 量规范，如《高速铁路工程测量规范》TB10601-2009的6.5.3洞内导线的布设应符合下列 规定。优选如，4～6个点构成一个闭合环，组成虚拟双导线。

步骤3，严格按內业构建的虚拟双导线进行外业测量，优选的，虚拟双导线测试方法按 标准的双导线测试方法进行测试。优选的，外业测量时收集水平角度、垂直角度和导线边 长中的一个或多个导线测量外业数据。优选的，虚拟支导线与实际埋设支导线的导线点同 点，采用和实际埋设支导线相反的顺序进行测量。优选的，所述逆序测量是：将测量仪器 和测量反射镜觇标光学对中器对中方向和水准管整平时方向均旋转180°进行重新精确对 中整平，按实际埋设导线测量相反的顺序进行读数测量。优选的，导线测量数据至少能够 实现导线控制测量的目的。优选的，上述测量外业数据是经过现场校验合格的数据。更优 选的，测量数据还可以包括其它相关测试数据，用于辅助虚拟双导线控制测量方法提高精 度。

步骤4，将外业数据进行处理，严密平差后得到虚拟双导线各导线点坐标成果。优选的 外业数据应当是合格的，在测试现场应剔除明显的错误数据、无效数据。严密平差可以最 大限度的降低粗差对导线精度的影响，规范规定四等及以上导线平差采用严密平差。

步骤5，将每个支导线点及其对应的虚拟导线点坐标取平均值，作为该导线点最终坐标。

本发明的发明人在长期的测量实践过程中，发现现有的单导线和双导线测量方法都存 在一定的缺陷，但本领域的技术人员又未能找到合适的方法来解决这个问题，发明人通过 长期的测量实践和摸索，最终得到了本发明的虚拟双导线的控制测量方法。本发明同时具 有支导线布设灵活、方便、测量成本低的优势，又具有双导线高精度、高可靠性的优势， 能够保证测量精度、提高工作效率、节约测量成本。

进一步，步骤1中的支导线布置完全按现在传统的支导线布置，选择最好的观测条件。

进一步，步骤2中构建的虚拟双导线，实际为一条传统的支导线，测量过程中为一虚 一实的虚拟双导线，按传统的双导线网进行外业数据测量。

进一步，步骤3外业数据测量时，对虚拟导线点的测量实际是测量每个虚拟导线点对 应的支导线点，测量相关技术指标、选用的测量设备均执行常规导线测量技术标准。可参 考标准/书籍包括如下：TB10601-2009《高速铁路工程测量规范》，GB50308-2008《城市轨 道交通工程测量规范》，TB10101-2009《铁路工程测量规范》，书籍《工程测量学》。优选 的，测量虚拟支导线时，将测量仪器和测量反射镜觇标光学对中器对中方向和水准管整平 时方向均旋转180°进行重新精确对中整平，然后按常规测量方法进行测定虚拟支导线的 数据。

进一步，步骤4数据处理，是将外业观测得到的虚拟双导线数据按传统双导线进行数 据预处理、闭合差检验、严密平差。

进一步，步骤5将每个支导线点及对应的虚拟导线点坐标取平均值，作为该导线点最 终坐标，实际使用成果为等同甚至超越于传统双导线精度的一条支导线。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明同时具有支导线布设灵活、方便、测量成本低的优势，又具有双导线高精度、 高可靠性的优势，能够保证测量精度、提高工作效率、节约测量成本。

2.本发明在不增加任何新的硬件和软件投入的基础上，通过虚拟导线与支导线组合成 虚拟双导线测量方案，获得了等同甚至超越于传统双导线精度的一条支导线，使地下隧道 控制测量变得简便、快捷、高效。

3.本发明的虚拟双导线测量方法同时具备支导线和双导线的优点，布置方便灵活，选 点埋桩成本节省50％，人员成本节省40％，外业测量工作效率提高30％以上，不但节省 了测量成本，还减少了由于隧道施工相互交错而影响施工进度及增加施工成本的情况出现， 经济效果十分明显。特别是在地下隧道越长、测量环境越困难的控制测量中更具显著优势。

4.本发明的测量方法有效解决地下隧道导线控制测量点位布设、测量效率、测量成本 间相互矛盾的问题，具有广泛的推广前景，可用于各种工程控制测量。

附图说明：

图1为本发明中现场实际埋设的支导线示意图。

图2为本发明中内业构建的虚拟双导线示意图。

图3为本发明中虚拟双导线最终采用支导线示意图。

图中标记说明：K1…Kn为隧道洞外控制点，图1-3中仅标记了K1-K4的隧道海洞外 控制点，但不应理解为只有4个控制点，只要能够实现隧道洞外测量控制的目标，控制点 的数量可以适应的调整，当然可以包含更多的隧道洞外控制。

D1…Dn为隧道洞内支导线点。

XD1…XDn为隧道洞内虚拟导线点。

D1终…Dn终为最终支导线点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的地下隧道虚拟双导线控制测量方法作进一步说 明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所 实现的技术均属于本发明的范围。本发明包括以下步骤：

步骤1，如图1所示，地下隧道工程一端洞口外有K1…K4隧道洞外控制点，沿隧道开 挖掘进方向选择最有利的测量条件选埋一条支导线，依次编号D1…Dn标识清楚，画出所 布设的支导线示意图。

此为现有的传统支导线布置方法，桩点位置选定与埋设与支导线完全相同，如图1中 D1…Dn为实际选埋导线点，支导线布设简单、灵活，最大限度选择好的通视条件和观测条 件，很大程度上避免了地下洞室内双导线点布设因为场地狭窄、施工干扰、通视条件、旁 折光影响等因素选点布设困难的问题，而且大大的减轻了桩点埋设的工作量，降低了埋桩 的成本50％。

步骤2，如图2所示，在画出所布设的支导线示意图上，在原实际埋设支导线D1…Dn 的一侧内业构建一条虚拟支导线XD1…XDn，D1…Dn与XD1…XDn一一对应，虚拟导线 点与原实际埋设支导线一起按规范要求4～6个点构成一个闭合环，组成虚拟双导线。

内业构建的虚拟支导线XD1…XDn实际点位就是D1…Dn，可以假想为无限接近的成 对控制点，通过本发明技术方案，达到既节省50％埋桩成本，又能有足够的点组成双导线 的目的。

步骤3，严格按图2內业构建的虚拟双导线进行外业测量，收集合格的水平角度、导线 边长等导线测量外业数据。

依据相关测量规范、隧道长度、洞内测量设计等选取测量外业相关技术指标和测量设 备进行外业观测，以图2中D2和XD2一对点观测方法加以说明，其余测站类推。

清理测量点位测量环境和测量视线上的障碍物，将测量仪器架设在D2测站上，辅助人 员将测量反射镜觇标分别架设于D1和D3上整平对中，测量仪器和测量反射镜觇标各自记 下光学对中器对中时的方向和整平时水准管方向，连接好测量反射镜觇标照明灯光，按盘 左照准D1读数、盘左顺时针转到D3照准读数、倒镜盘右照准D3读数、盘右逆时针转到 D1照准读数的顺序完成一个测回测量并记录水平角度、导线边长等数据，依此类推，完成 D2测站其余测回工作，这样在记录上反映测出来的水平角度为∠D1-D2-D3，即以D2为顶 点，D1顺时针转到D3的水平夹角。

将测量仪器和测量反射镜觇标光学对中器对中方向和水准管整平时方向均旋转180° 进行重新精确对中整平，即完成XD2测站仪器架设，然后按盘左照准D3读数、盘左微动 仪器照准XD3读数、盘左顺时针转到XD1照准读数、倒镜盘右照准XD1读数、盘右逆时 针转到XD3照准读数、盘右微动仪器照准D3读数的顺序完成一个测回测量并记录水平角 度、导线边长等数据，依此类推，完成XD2测站其余测回工作，这样在记录上反映测出来 的水平角度为∠D3-XD2-XD3和∠D3-XD2-XD1，即以XD2为顶点，D3顺时针转到XD3 和XD1的水平夹角。

图2中每一条连线即代表一个观测方向，D3和XD3名为两个点，实际为同一个点位， 但观测时按两个独立控制点进行独立照准观测；进行虚拟双导线内业构网时将XDn全部画 在了Dn的一侧便于查看，由于测量误差偶然性，实际测量结果XDn可能处于Dn周围随 机位置，但这不影响控制网的构成和计算。

观测过程中，传统的双导线测量，测站至少1人操作仪器、前后各需要2个人架设测 量反射镜觇标，一个测量小组最少需要5个人，而本发明测量方案中由于Dn和XDn是一 个点位，前后架设测量反射镜觇标各需要1个人，一个测量小组只需要3个人，因此可以 节省人员成本40％左右；由于Dn和XDn是一个点位，在由Dn换到XDn测站时，测量仪 器和测量反射镜觇标光学对中器对中方向和水准管整平时方向均旋转180°进行重新精确 对中整平即完成架设，测量仪器和测量反射镜觇标均是在Dn测站粗平的基础上进行，可 以很快速的完成精确对中整平，而且测量点位测量环境和测量视线上的障碍物清理、照明 灯光等一切在Dn测站时已经准备就绪，此步骤与传统双导线测量相比，视现场环境条件 可以节省30％～50％甚至更多的准备工作时间；Dn测站和XDn测站，测量仪器和测量反 射镜觇标光学对中器对中方向和水准管整平时方向均旋转180°进行重新精确对中整平， 测量水平角度分别为Dn的左角和右角，不但额外增加∠左+∠右＝360、∠D3-XD2-XD3＝0 等检核条件，还因为后面将Dn和XDn取平均使用，可以抵消大部分因设备校正不完全而 引起的测量误差，从而提高导线精度。

步骤4，将合格的外业数据进行处理，严密平差后得到虚拟双导线各导线点坐标成果。

数据处理时按传统双导线数据处理方法进行，计算过程均可由相应的软件完成。

按公式1进行边长投影改正计算。

$\Delta S=(\frac{{Y_m}^2}{2{R_m}^2}-\frac{H_{AB}-H_m}{R_m})S_{AB}$   (公式1)

式中：△S——点A到点B边长投影长度变形值，单位m

H_AB——实测边长AB的平均高程面，单位m；

H_m——隧道坐标系统投影面高程，单位m；

R_m——参考椭球面在地面边AB中点的平均曲率半径，单位m；

S_AB——点A到点实测边长值，单位m。

Y_m——点A、B近似横坐标平均值，(此处应减去为了避免横坐标 出现负值的加常数500km)，单位m；Y_A、Y_B分别为A、B横坐标。

计算虚拟双导线闭合环闭合差和坐标闭合差，如闭合环K1-D1-D2-D3-XD2-XD1-K1、 闭合环XD2-D3-D4-D5-XD4-XD3-XD2、闭合环XD4-D5-D6-Dn-XD6-XD5-XD4等，检查外 业观测数据质量是否满足规范要求，发现粗差和错误。

并按公式2根据闭合差计算测角中误差，根据计算的虚拟双导线测角中误差评定测角 精度是否满足规范中规定的相应等级的精度。

$m=\sqrt{\frac{1}{N}\left[\frac{f_{\beta }^2}{n}\right]}$   (公式2)

式中m——虚拟双导线测角中误差(秒)；

f_β——虚拟双导线环角度闭合差或附合导线的方位角闭合差(秒)；

N——虚拟双导线环及附合导线的个数；

n——计算f_β时的相应测站数。

最后，采用平差软件对测量合格的数据进行严密平差，得到虚拟双导线各导线点坐标 成果，并对平差后精度进行评定，是否满足规范中规定的相应等级的精度。

以上计算方法、原理、技术指标、软件等均与传统双导线相同，无须进行任何新的投 入，本发明虚拟双导线测量结果，具有传统双导线的所有特征。

步骤5，如图3所示，将每个支导线点及其对应的虚拟导线点坐标取平均值，作为该导 线点最终坐标。

控制点Dn终的X坐标为Y坐标为

传统支导线计算，因为无任何多余观测组成平差条件，导线成果直接按外业测量得到 的边角数据推算得到各支导线点坐标成果，对含有误差的角度、边长观测值不作任何有益 的改正，所得结果精度上自然受到限制；传统双导线有大量多余观测组成闭合条件，按照 测量平差理论可以进行严密平差计算，使含有误差的角度、边长观测值得到最有益的改正， 导线使用的是严密平差后成果，精度和可靠性与支导线比均得到明显提高；本发明提供的 虚拟双导线不但可以按传统双导线平差，得到等同于传统双导线精度的结果，还因为虚拟 双导线一实一虚成对导线点，本身就是同一个控制点点位，在测量过程中由于不可避免的 测量误差，使原本重合的一实一虚导线点坐标成果一分为二不再重合，通过步骤5将支导 线点及其对应的虚拟导线点坐标取平均值又将其合二为一，在传统双导线基础上又一次提 高了导线精度和可靠性，所以本发明虚拟双导线测量成果为等同甚至超越于传统双导线精 度的一条支导线。