隧道洞内虚拟双导线测量技术研究

隧道工程施工过程中，从工程开工一直到工程结束，均离不开工程测量工作，隧道工程能否按规范规定的允许误差范围准确贯通是每个工程项目管理者和技术负责人重点关注的问题。长大隧道洞内高精度控制网测量很多时候需要停工通风来创造良好观测条件，保证洞内测量设计所需要的最短边长间通视，这又严重影响了工程项目管理者应重点关注的施工工期、施工成本增加问题。这对矛盾是始终存在的。作为施工辅助的测量工作，我们只能从自身想办法，在保证测量精度的前提下，如何提高测量效率、加快测量进度、降低测量成本，尽量减少停工配合洞内控制测量的时间，这是本文研究的根本目的。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时，无法通过检核来发现，而且在计算坐标时所有观测值无法进行平差改正，因此仅在地下隧道长度很短、测量精度要求较低时采用。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、精度要求较高的长大隧道平面控制测量中被广泛采用；其缺点是:对隧道内复杂多变的测量环境适应性差，选布点困难，相对于支导线，埋桩数量、测量工作量、测量成本均成倍增加。过去长大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，一段时间内再向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。因此，在长大隧道洞内平面控制测量中，为了提高网的整体精度和可靠性，一般使用传统的双导线进行测量。一、隧道洞内控制测量方法改进方向分析长大隧道洞内控制测量成本主要体现在３方面:

１.选点埋桩布设控制网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，又要保证导线边长度、成对布设导线点和构网形成闭合环，选点埋桩非常困难，而且埋桩数量多，布设控制网成本高。２.外业测量数据收集外业测量时，当准备工作做好后，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没有多大差别，大部分时间用在了找点、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。

３.内业成果数据处理由于计算机和测量内业软件的快速发展，各种成熟的软件繁多，如武汉大学、清华大学、各设计院、南方测绘等开发了多种平差软件，本质上无大的差异，使不同的测量人员在处理内业成果数据时效率相差无几。综合以上分析，要想使长大隧道洞内控制测量成本得到控制，测量效率得到提高，减小测量造成的对施工工期、施工成本的影响，只能在选点、埋桩、布设控制网和外业测量数据收集两个环节上寻找突破。为此，本文研究一种长大隧道洞内控制测量方案，提出了一种创新的虚拟双导线测量技术方案，克服了现有地下隧道洞内控制测量技术上的缺点，能快速准确地完成长大隧道洞内控制测量工作。二、虚拟双导线测量关键技术及创新１.关键技术虚拟双导线测量技术是在传统隧道洞内控制测量的基础上，由一条真实存在的支导线与一条内业虚构的虚拟支导线结合组成的虚拟双导线测量技术方案。在进行长大隧道工程控制测量过程中，首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虚构一条支导线与之组合，按双导线组网规则构建一条虚拟双导线，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传统双导线精度的控制点成果，使长大隧道导线控制测量同时兼具传统支导线布设灵活简便、测量快捷与双导线精度高、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、隧道施工工期、施工成本间相互矛盾的问题，可用于各种工程控制测量，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。２.技术创新(１)将支导线和双导线优点有机结合本文测量方案是采用一条支导线与一条虚拟支导线相结合组成虚拟双导线测量技术方案。现场控制网实际为一条传统的支导线，选点埋桩不受通视、组网、边长等诸多因素限制，能最大限度保证选取最优的测量观测条件点位；虚拟的支导线和真实存在的支导线结合可以满足成环构网需要，达到传统双导线的多余观测、检核条件、高精度、高可靠性效果，同时提高测量作业效率。(２)测量方法实质改变ꎬ提高测量成果精度在传统支导线测量中，因为无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、边长观测值不作有益的改正，所得结果精度上受到限制。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相比均得到明显提高。本文虚拟双导线测量技术，不但使传统的支导线可以用严密平差理论进行平差，而且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，对虚拟双导线的观测，实际是对同一支导线进行独立的多余观测，在测量过程中由于不可避免地测量误差，使原本重合的一实一虚导线点一分为二不再重合，并按组网方案形成闭合环，得到等同于传统双导线精度的结果。最后通过将支导线点及其对应的虚拟导线点坐标成果取加权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，因此虚拟双导线测量成果等同甚至超越了传统双导线精度。(３)不新增任何投入即可降低测量成本，减小对施工工期的影响长大隧道洞内虚拟双导线测量方案构建的虚拟双导线，现场控制网实际为一条传统的支导线，从选点埋桩的角度可以直接节省50%测量选点埋桩费用，按本文测量技术进行隧道洞内控制测量，可以减少40％直接测量人员投入，提高30％~50％测量工作效率，可以降低40％直接测量成本。高精度的长大隧道洞内控制测量，需要施工现场局部停工或全部停工来保证必要的测量条件，因此测量速度的快慢，直接影响隧道控制测量对隧道施工的时间占用，进而消耗工期时间，直接影响施工进度和施工成本。直接测量成本的高低在施工企业也许不太引人注目，但由于采用了新的洞内测量技术，测量占用长大隧道施工时间越短越有利于隧道工期的保证，在此虽不能直接计算对综合施工成本的影响有多大，但效果是显而易见的。三、虚拟双导线测量工艺流程下面结合附图和实例对本文技术方案工艺流程作进一步说明。

１.隧道洞内选点埋桩如图１所示，长大隧道工程一端洞口外有K1、K2、K3、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，避免旁折光等不利因素，依次编号D1，D2，...，Dn标识清楚，画出所布设的支导线示意图。现有的传统支导线布置方法，桩点位置选定、埋设与支导线完全相同，如图１中D1，D2，...，Dn为实际选埋导线点。支导线布设简单、灵活，由于只是简单的单点连接，可最大限度选择好的通视条件和观测条件，避免了地下洞室内双导线点布设因场地狭窄、施工干扰、通视条件、旁折光影响等因素造成选点布设困难的问题，而且大大减轻了桩点埋设的工作量，降低了50％埋桩的成本。２.内业构建虚拟双导线如图２所示，在原实际埋设支导线D1，D2，...，Dn的一侧内业构建一条虚拟支导线XD1，XD2，...，XDn，D1，D2，...，Dn与XD1，XD2，...，XDn一一对应。虚拟支导线点号编号并无特殊要求，只需要与原支导线点明显区分开来，画在示意图上一一对应，后面实际观测时测量人员应根据测站编号所对应的前后视点号，与测站工作人员核对清楚即可。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，XD2，...，XDn实际点位就是D1，D2，...，Dn，可以假想为无限接近的成对控制点，通过本文技术方案，可达到既节省50％埋桩成本，又能有足够的点组成双导线的目的。３.虚拟双导线外业观测严格按图２内业构建的虚拟双导线进行外业测量，收集水平角度、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。起始观测方向选为D1，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，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。XD2测站与D2虽是同一控制点位，但要将其当作独立点重新架设仪器、独立完成数据观测。此站原始数据观测时要调换后视控制点，即起始观测方向选为D3，目的是为了对照拟定的示意图与前后视配合测量人员核对记录的方向顺序和点号是否正确。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，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，如图３所示。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的一侧只是便于查看，由于测量误差偶然性，实际测量结果下，XDn可能处于Dn周围随机位置，如图４所示，但这不影响控制网的构成、测量和计算。在观测过程中，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，不但额外增加左角＋右角＝360°、∠D3-XD2-XD3＝0等检核条件，还因为后面将Dn和XDn取加权平均值使用，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。４.外业数据预处理、平差外业观测得到的边长数据一般经过了仪器加乘常数改正和温度气压改正，内业还要进行高程投影改正和高斯投影改正、导线闭合环闭合差检验，确认观测数据满足规范要求后才能用于平差计算。计算方法、原理、技术指标、平差软件等均与传统双导线相同，因此无须进行任何新的投入，本文技术方案虚拟双导线测量结果，具有传统双导线的所有特征。５.虚拟双导线融合还原为支导线本文技术方案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，而且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，通过将支导线点及其对应的虚拟导线点坐标取加权平均值又将其合二为一，融合还原为一条支导线，在传统双导线基础上又一次提高了导线精度和可靠性。因此本文技术方案测量成果等同甚至超越了传统双导线精度长大隧道工程施工过程中，从工程开工一直到工程结束，均离不开工程测量工作，隧道工程能否按规范规定的允许误差范围准确贯通是每个工程项目管理者和技术负责人重点关注的问题。长大隧道洞内高精度控制网测量很多时候需要停工通风来创造良好观测条件，保证洞内测量设计所需要的最短边长间通视，这又严重影响了工程项目管理者应重点关注的施工工期、施工成本增加问题。这对矛盾是始终存在的。作为施工辅助的测量工作，我们只能从自身想办法，在保证测量精度的前提下，如何提高测量效率、加快测量进度、降低测量成本，尽量减少停工配合洞内控制测量的时间，这是本文研究的根本目的。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时，无法通过检核来发现，而且在计算坐标时所有观测值无法进行平差改正，因此仅在地下隧道长度很短、测量精度要求较低时采用。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、精度要求较高的长大隧道平面控制测量中被广泛采用；其缺点是:对隧道内复杂多变的测量环境适应性差，选布点困难，相对于支导线，埋桩数量、测量工作量、测量成本均成倍增加。过去长大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，一段时间内再向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。因此，在长大隧道洞内平面控制测量中，为了提高网的整体精度和可靠性，一般使用传统的双导线进行测量。一、隧道洞内控制测量方法改进方向分析长大隧道洞内控制测量成本主要体现在３方面:

１.选点埋桩布设控制网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，又要保证导线边长度、成对布设导线点和构网形成闭合环，选点埋桩非常困难，而且埋桩数量多，布设控制网成本高。２.外业测量数据收集外业测量时，当准备工作做好后，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没有多大差别，大部分时间用在了找点、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。

３.内业成果数据处理由于计算机和测量内业软件的快速发展，各种成熟的软件繁多，如武汉大学、清华大学、各设计院、南方测绘等开发了多种平差软件，本质上无大的差异，使不同的测量人员在处理内业成果数据时效率相差无几。综合以上分析，要想使长大隧道洞内控制测量成本得到控制，测量效率得到提高，减小测量造成的对施工工期、施工成本的影响，只能在选点、埋桩、布设控制网和外业测量数据收集两个环节上寻找突破。为此，本文研究一种长大隧道洞内控制测量方案，提出了一种创新的虚拟双导线测量技术方案，克服了现有地下隧道洞内控制测量技术上的缺点，能快速准确地完成长大隧道洞内控制测量工作。二、虚拟双导线测量关键技术及创新１.关键技术虚拟双导线测量技术是在传统隧道洞内控制测量的基础上，由一条真实存在的支导线与一条内业虚构的虚拟支导线结合组成的虚拟双导线测量技术方案。在进行长大隧道工程控制测量过程中，首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虚构一条支导线与之组合，按双导线组网规则构建一条虚拟双导线，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传统双导线精度的控制点成果，使长大隧道导线控制测量同时兼具传统支导线布设灵活简便、测量快捷与双导线精度高、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、隧道施工工期、施工成本间相互矛盾的问题，可用于各种工程控制测量，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。２.技术创新(１)将支导线和双导线优点有机结合本文测量方案是采用一条支导线与一条虚拟支导线相结合组成虚拟双导线测量技术方案。现场控制网实际为一条传统的支导线，选点埋桩不受通视、组网、边长等诸多因素限制，能最大限度保证选取最优的测量观测条件点位；虚拟的支导线和真实存在的支导线结合可以满足成环构网需要，达到传统双导线的多余观测、检核条件、高精度、高可靠性效果，同时提高测量作业效率。(２)测量方法实质改变ꎬ提高测量成果精度在传统支导线测量中，因为无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、边长观测值不作有益的改正，所得结果精度上受到限制。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相比均得到明显提高。本文虚拟双导线测量技术，不但使传统的支导线可以用严密平差理论进行平差，而且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，对虚拟双导线的观测，实际是对同一支导线进行独立的多余观测，在测量过程中由于不可避免地测量误差，使原本重合的一实一虚导线点一分为二不再重合，并按组网方案形成闭合环，得到等同于传统双导线精度的结果。最后通过将支导线点及其对应的虚拟导线点坐标成果取加权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，因此虚拟双导线测量成果等同甚至超越了传统双导线精度。(３)不新增任何投入即可降低测量成本，减小对施工工期的影响长大隧道洞内虚拟双导线测量方案构建的虚拟双导线，现场控制网实际为一条传统的支导线，从选点埋桩的角度可以直接节省50%测量选点埋桩费用，按本文测量技术进行隧道洞内控制测量，可以减少40％直接测量人员投入，提高30％~50％测量工作效率，可以降低40％直接测量成本。高精度的长大隧道洞内控制测量，需要施工现场局部停工或全部停工来保证必要的测量条件，因此测量速度的快慢，直接影响隧道控制测量对隧道施工的时间占用，进而消耗工期时间，直接影响施工进度和施工成本。直接测量成本的高低在施工企业也许不太引人注目，但由于采用了新的洞内测量技术，测量占用长大隧道施工时间越短越有利于隧道工期的保证，在此虽不能直接计算对综合施工成本的影响有多大，但效果是显而易见的。三、虚拟双导线测量工艺流程下面结合附图和实例对本文技术方案工艺流程作进一步说明。

１.隧道洞内选点埋桩如图１所示，长大隧道工程一端洞口外有K1、K2、K3、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，避免旁折光等不利因素，依次编号D1，D2，...，Dn标识清楚，画出所布设的支导线示意图。现有的传统支导线布置方法，桩点位置选定、埋设与支导线完全相同，如图１中D1，D2，...，Dn为实际选埋导线点。支导线布设简单、灵活，由于只是简单的单点连接，可最大限度选择好的通视条件和观测条件，避免了地下洞室内双导线点布设因场地狭窄、施工干扰、通视条件、旁折光影响等因素造成选点布设困难的问题，而且大大减轻了桩点埋设的工作量，降低了50％埋桩的成本。２.内业构建虚拟双导线如图２所示，在原实际埋设支导线D1，D2，...，Dn的一侧内业构建一条虚拟支导线XD1，XD2，...，XDn，D1，D2，...，Dn与XD1，XD2，...，XDn一一对应。虚拟支导线点号编号并无特殊要求，只需要与原支导线点明显区分开来，画在示意图上一一对应，后面实际观测时测量人员应根据测站编号所对应的前后视点号，与测站工作人员核对清楚即可。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，XD2，...，XDn实际点位就是D1，D2，...，Dn，可以假想为无限接近的成对控制点，通过本文技术方案，可达到既节省50％埋桩成本，又能有足够的点组成双导线的目的。３.虚拟双导线外业观测严格按图２内业构建的虚拟双导线进行外业测量，收集水平角度、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。起始观测方向选为D1，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，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。XD2测站与D2虽是同一控制点位，但要将其当作独立点重新架设仪器、独立完成数据观测。此站原始数据观测时要调换后视控制点，即起始观测方向选为D3，目的是为了对照拟定的示意图与前后视配合测量人员核对记录的方向顺序和点号是否正确。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