一种特长隧道控制点位布局结构及控制测量方法

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及一种特长隧道控制点位布局结构及控制测量方法。

背景技术

在土木工程中，隧道工程是指人工开挖或爆破等方式在地下构筑的通道，用于交通运输、水利工程、地下工程等领域。特长隧道是指长度较长的隧道，其设计、施工和监测相对复杂和具有挑战性。在特长隧道工程中，控制点位布局结构及控制测量方法是针对控制点位的布置和测量方法进行设计和应用。这涉及确定隧道内外各个位置的测量点位以控制施工的精确度和质量。通过合理布置控制点位，并采用适当的测量仪器和技术进行测量，可以获得准确的数据以指导隧道施工过程。

在传统的隧道控制点位布局结构及控制测量方法中，传统方法中的控制点布设往往受到地形和施工条件的限制，布设位置的选择没有足够的灵活性，这可能导致控制点的布设不够精确，影响测量结果的准确性。其次，传统方法中的控制点布设方式往往没有考虑到仪器对中误差的影响，这可能导致测量数据的误差增大。此外，传统方法中的控制点布设往往需要重复埋设控制桩，这不仅增加了工作量，也增加了成本。再者，传统方法中的控制点布设方式可能会导致目标棱镜间的相互干扰，影响测量结果的准确性。此外，传统方法中的控制点布设方式可能会受到旁折光的影响，影响测量结果的准确性。最后，传统方法中的控制点布设方式往往没有考虑到数据对比分析的便利性，这可能导致数据复核的困难，影响测量结果的准确性。因此，传统的隧道控制点位布局结构及控制测量方法在精度、效率和成本等方面存在一些不足，需要进行改进。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种特长隧道控制点位布局结构及控制测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种特长隧道控制点位布局结构及控制测量方法，包括以下步骤：

根据现场测量条件，将进洞控制点C、D布设在一个墩上，进洞后视方向点A、B可以分开布设或在一个墩上布设；

在隧道壁上埋设强制对中墩，形成“Z”字型菱形导线环，将控制点沿隧道两侧“Z”字型成对交叉布设，间隔300-600米；

洞外控制网采用多台GNSS接收机一次构网，形成多个重叠的同步三角形，作为重叠区域；

利用GNSS接收机同步采集到的卫星信号，获取每个控制点的卫星误差数据；

利用“Z”字型菱形导线环的布设形式，对每个控制点的点位坐标、夹角、边长进行对比分析，获取对比结果。

作为本发明的进一步方案，所述控制点是用来确定隧道的设计位置和确保施工准确性的点，所述视方向点用于辅助确定隧道的方向。

作为本发明的进一步方案，所述进洞控制点C、D与进洞后视方向点A、B组成一组特殊四边形，所述特殊四边形具体为∠DAC、∠ACB、∠CBD、∠BDA之和等于360°。

作为本发明的进一步方案，所述进洞控制点C、D与进洞后视方向点A、B之间的边长为ABCD边长，所述ABCD边长大于600米，所述ABCD边长的竖直角小于5°。

作为本发明的进一步方案，根据现场测量条件，将进洞控制点C、D布设在一个墩上，进洞后视方向点A、B可以分开布设或在一个墩上布设的步骤具体为：

基于隧道入口的地形与设计，利用地形匹配算法，识别最佳的墩位置用于布设进洞控制点C、D，生成墩位置坐标；

基于所述墩位置坐标，利用偏移算法确定C、D点坐标数据，进行C、D点的精确布设；

依据隧道设计和实际施工需求，采用施工路径优化算法，确定最佳布设方法，决定视方向点A、B的布设方式，是否在同一墩或分开，生成A、B点布设策略；

根据所述A、B点布设策略，利用偏移算法确定A、B的具体坐标位置，生成A、B点坐标数据，布设A、B点。

作为本发明的进一步方案，在隧道壁上埋设强制对中墩，形成“Z”字型菱形导线环，将控制点沿隧道两侧“Z”字型成对交叉布设，间隔300-600米的步骤具体为：

依据隧道设计深度和宽度，采用深度计算算法，确定墩应埋设的深度，生成强制对中墩深度数据；

在所述强制对中墩深度数据上，沿隧道壁布设强制对中墩，并采用三维坐标校正算法，确保墩的垂直布设，获取强制对中墩坐标数据；

基于所述强制对中墩形成“Z”字型路径，采用路径规划算法，确定导线环的具体路径，沿隧道两侧布设导线环，获取“Z”字型导线环路径数据；

基于所述“Z”字型导线环路径数据，沿隧道两侧成对交叉布设控制点，采用点布设间隔计算算法，确保控制点布设间隔在300-600米范围内，生成控制点布设位置数据。

作为本发明的进一步方案，洞外控制网采用多台GNSS接收机一次构网，形成多个重叠的同步三角形，作为重叠区域的步骤具体为：

根据隧道周边地形和隧道入口位置，采用控制网布局优化算法，确定最佳的控制网布局，生成洞外控制网布局数据；

基于所述洞外控制网布局数据，在洞外控制网的各个节点位置上，采用接收机布设优化算法，确定每个接收机的具体坐标位置，布设GNSS接收机并生成GNSS接收机位置数据；

启动所有的所述GNSS接收机，采用同步信号处理算法，同步构建控制网，确保形成重叠的同步三角形，生成同步三角形数据集。

作为本发明的进一步方案，利用GNSS接收机同步采集到的卫星信号，获取每个控制点的卫星误差数据的步骤具体为：

激活所述GNSS接收机，采用信号采集算法，实时获取每个控制点的卫星信号，作为原始卫星信号数据；

根据所述原始卫星信号数据，使用误差分析算法，比对信号与标准值，分析计算每个控制点的位置误差，作为控制点卫星误差数据。

作为本发明的进一步方案，利用“Z”字型菱形导线环的布设形式，对每个控制点的点位坐标、夹角、边长进行对比分析，获取对比结果的步骤具体为：

基于“Z”字型导线环路径数据和控制点布设位置数据，采用理论坐标推算算法，获取每个控制点的理论点位坐标，整合理论坐标数据集；

利用控制点卫星误差数据，采用坐标校正算法，校准所述理论坐标数据集，获取校正后坐标数据集；

采用差异对比算法，对比理论坐标数据集与校正后坐标数据集，得出夹角和边长的差异，获取坐标差异分析结果。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明中，基于"Z"字型菱形导线环，采用强制对中墩布设，通过连接螺栓将仪器与对中盘相连，减弱了仪器对中误差对测量数据的影响。其次，这种布设方式避免了重复埋设控制桩的工作，因为对中墩布设于隧道二衬上，不易受施工和行车干扰，减少了补设控制桩的工作量和成本。此外，“Z”字型菱形导线环的控制点布置使得目标棱镜间相互干扰较小，夹角较大，有利于测量精度。通过布置在隧道前进方向左右侧交叉的方式，避免了旁折光的影响，保证数据质量。此外，每个控制点形成闭合四边形，提供了多余观测值，便于检测测量数据的粗差。最后，这种布设方式方便进行数据对比分析，通过点位坐标、夹角和边长的对比，可以直观地发现粗差，并进行数据复核。综上所述，“Z”字型菱形导线环在特长隧道中的应用具有优势，并能提供准确可靠的测量结果。

附图说明

图1为本发明的主步骤示意图；

图2为本发明的步骤1细化示意图；

图3为本发明的步骤2细化示意图；

图4为本发明的步骤3细化示意图；

图5为本发明的步骤4细化示意图；

图6为本发明的步骤5细化示意图；

图7为本发明的洞外控制点点位布设位置示意图；

图8为本发明的“Z”字型菱形导线环控制点埋设位置示意图；

图9为本发明的Z”字型菱形导线环单站数据采集示意图；

图10为本发明的“Z”字型菱形导线环测量示意图；

图11为本发明的“Z”字型菱形导线环相邻点组成的闭合四边形示意图；

图12为本发明的铁路隧道测量夹角示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例

请参阅图1至图12，本发明提供一种技术方案：一种特长隧道控制点位布局结构及控制测量方法，包括以下步骤：

根据现场测量条件，将进洞控制点C、D布设在一个墩上，进洞后视方向点A、B可以分开布设或在一个墩上布设；

在隧道壁上埋设强制对中墩，形成“Z”字型菱形导线环，将控制点沿隧道两侧“Z”字型成对交叉布设，间隔300-600米；

洞外控制网采用多台GNSS接收机一次构网，形成多个重叠的同步三角形，作为重叠区域；

利用GNSS接收机同步采集到的卫星信号，获取每个控制点的卫星误差数据；

利用“Z”字型菱形导线环的布设形式，对每个控制点的点位坐标、夹角、边长进行对比分析，获取对比结果。

首先，通过将进洞控制点布设在一个墩上，减小了仪器对中误差的影响，提高了测量的精度。其次，利用“Z”字型菱形导线环的布设形式，实现了控制点沿隧道两侧成对交叉布设，间隔适度，以高效覆盖整个隧道区域。这不仅提高了布设效率，而且优化了控制点布局，并且通过形成闭合四边形，提供了多余观测值，便于检测数据的粗差。此外，采用多台GNSS接收机构建洞外控制网，获取卫星误差数据，提供了精确的测量基准。最后，通过对比分析每个控制点的点位坐标、夹角和边长，可以直观发现粗差和异常，方便进行数据复核和纠正。综上所述，该方案能够提高测量的精度、效率和可靠性，减少工作量和成本，并为特长隧道工程的控制和监测提供了可靠的手段。

请参阅图1，控制点是用来确定隧道的设计位置和确保施工准确性的点，视方向点用于辅助确定隧道的方向，进洞控制点C、D与进洞后视方向点A、B组成一组特殊四边形，特殊四边形具体为∠DAC、∠ACB、∠CBD、∠BDA之和等于360°，进洞控制点C、D与进洞后视方向点A、B之间的边长为ABCD边长，ABCD边长大于600米，ABCD边长的竖直角小于5°。

首先，控制点的设置可以确定隧道的设计位置，确保施工的准确性和工程质量。视方向点的布设则辅助确定隧道的方向，保证隧道按预期方向前进。其次，进洞控制点与进洞后视方向点构成特殊四边形，特殊四边形的角度和为360°，从几何角度保证了布设的合理性。此外，边长限制要求进洞控制点与进洞后视方向点之间的边长大于600米，以提供足够的基线长度，保证测量精度。还有角度限制，要求竖直角小于5°，以确保测量的稳定性和准确性。整体而言，通过控制点和视方向点的布设，可以确定位置和方向，保证施工准确性，提供准确的测量基准，并确保测量数据的可靠性和精度。

请参阅图2，根据现场测量条件，将进洞控制点C、D布设在一个墩上，进洞后视方向点A、B可以分开布设或在一个墩上布设的步骤具体为：

基于隧道入口的地形与设计，利用地形匹配算法，识别最佳的墩位置用于布设进洞控制点C、D，生成墩位置坐标；

基于墩位置坐标，利用偏移算法确定C、D点坐标数据，进行C、D点的精确布设；

依据隧道设计和实际施工需求，采用施工路径优化算法，确定最佳布设方法，决定视方向点A、B的布设方式，是否在同一墩或分开，生成A、B点布设策略；

根据A、B点布设策略，利用偏移算法确定A、B的具体坐标位置，生成A、B点坐标数据，布设A、B点。

首先，通过地形匹配算法确定最佳墩位置，确保进洞控制点C、D的准确布设，从而提高测量精度和可靠性。其次，偏移算法的应用能够准确计算出C、D点坐标数据，实现精确布设，进一步增强测量的准确性。此外，施工路径优化算法的使用能够确定最佳布设方法和A、B点的布设方式，以满足隧道设计和实际施工需求，提高施工效率和布设的合理性。最后，布设A、B点时的灵活性可以根据具体需要选择同一墩或分开布设，使测量布设更加灵活适应不同场景要求。

请参阅图3，在隧道壁上埋设强制对中墩，形成“Z”字型菱形导线环，将控制点沿隧道两侧“Z”字型成对交叉布设，间隔300-600米的步骤具体为：

依据隧道设计深度和宽度，采用深度计算算法，确定墩应埋设的深度，生成强制对中墩深度数据；

在强制对中墩深度数据上，沿隧道壁布设强制对中墩，并采用三维坐标校正算法，确保墩的垂直布设，获取强制对中墩坐标数据；

基于强制对中墩形成“Z”字型路径，采用路径规划算法，确定导线环的具体路径，沿隧道两侧布设导线环，获取“Z”字型导线环路径数据；

基于“Z”字型导线环路径数据，沿隧道两侧成对交叉布设控制点，采用点布设间隔计算算法，确保控制点布设间隔在300-600米范围内，生成控制点布设位置数据。

首先，深度计算算法确保强制对中墩的准确埋设深度，从而使控制点与隧道壁垂直布设，提高测量的精度和可靠性。其次，三维坐标校正算法保证了墩的准确垂直布设，进一步提高控制点布设的准确性。路径规划算法确定导线环的具体路径，保证了导线环的连续性和完整性，使测量路径合理有效。此外，控制点布设间隔计算算法确保控制点的布设间隔在300-600米范围内，使布设密度适中，满足测量和控制的要求。

请参阅图4，洞外控制网采用多台GNSS接收机一次构网，形成多个重叠的同步三角形，作为重叠区域的步骤具体为：

根据隧道周边地形和隧道入口位置，采用控制网布局优化算法，确定最佳的控制网布局，生成洞外控制网布局数据；

基于洞外控制网布局数据，在洞外控制网的各个节点位置上，采用接收机布设优化算法，确定每个接收机的具体坐标位置，布设GNSS接收机并生成GNSS接收机位置数据；

启动所有的GNSS接收机，采用同步信号处理算法，同步构建控制网，确保形成重叠的同步三角形，生成同步三角形数据集。

首先，控制网布局优化算法确保了控制网节点的最佳布局，考虑到隧道周边地形和入口位置，从而达到全面覆盖和合理布设的目标。其次，接收机布设优化算法确保了接收机的均衡分布和准确布设，以提高整个控制网的可靠性和精度。同时，通过同步信号处理算法，实现了控制网的同步构建，形成重叠的同步三角形。这样的构建方式提供了高度精确的测量基线，能够进一步提高测量的准确性和可靠性。综上所述，采用多台GNSS接收机一次构网的洞外控制网布设方案具有优化布局、准确布设和高度同步的特点，有效提高了测量的效率与精度。

请参阅图5，利用GNSS接收机同步采集到的卫星信号，获取每个控制点的卫星误差数据的步骤具体为：

激活GNSS接收机，采用信号采集算法，实时获取每个控制点的卫星信号，作为原始卫星信号数据；

根据原始卫星信号数据，使用误差分析算法，比对信号与标准值，分析计算每个控制点的位置误差，作为控制点卫星误差数据。

首先，位置误差分析可以提供关于每个控制点精确位置和测量质量的信息。通过比对卫星信号与标准值，可以计算出控制点相对于标准位置的偏差，进一步评估测量的准确性和可靠性。其次，卫星误差数据可以用于数据优化和校正，提高测量数据的准确性和一致性。通过考虑每个控制点的误差数据，可以改善测量结果，使其更符合标准值。此外，卫星误差数据可用于质量控制和验证。通过与标准值及预期误差范围的比对，可以验证测量结果的合理性，并及时发现异常数据或潜在问题。

请参阅图6，利用“Z”字型菱形导线环的布设形式，对每个控制点的点位坐标、夹角、边长进行对比分析，获取对比结果的步骤具体为：

基于“Z”字型导线环路径数据和控制点布设位置数据，采用理论坐标推算算法，获取每个控制点的理论点位坐标，整合理论坐标数据集；

利用控制点卫星误差数据，采用坐标校正算法，校准理论坐标数据集，获取校正后坐标数据集；

采用差异对比算法，对比理论坐标数据集与校正后坐标数据集，得出夹角和边长的差异，获取坐标差异分析结果。

首先，坐标校正算法可以通过考虑控制点的卫星误差数据来校正理论坐标数据集，提高测量的准确性和一致性。这样可以减少由于卫星误差导致的测量偏差，使得校正后的坐标更接近真实位置。其次，通过差异对比算法对比校正后的坐标数据集与理论坐标数据集，可以评估测量的精度和准确性。分析夹角和边长的差异可以帮助发现潜在的问题或异常数据，并作出适当的调整和修正。此外，这种对比分析可以用于测量数据的质量控制和验证。通过评估坐标差异分析结果，可以判断测量数据的合理性和一致性，验证测量的可靠性，并提供基础数据的可信度。

工作原理：根据现场测量条件，将进洞控制点C、D布设在一个墩上，视方向点A、B可以分开布设或在一个墩上布设；在隧道壁上埋设强制对中墩，形成"Z"字型菱形导线环，将控制点沿隧道两侧交叉布设；使用多台GNSS接收机一次构网形成洞外控制网，重叠区域形成同步三角形；利用GNSS接收机采集卫星信号，获取每个控制点的卫星误差数据；通过比对分析控制点的点位坐标、夹角、边长，获得对比结果。进一步方案包括确定墩位置和布设视方向点的策略，以及基于深度计算和路径规划确定墩和导线环的布设位置。洞外控制网的布局优化和GNSS接收机的布设优化确保有效构网。整个方法通过综合调整控制点和视方向点的布设、强制对中墩的埋设、洞外控制网的构建和卫星信号的采集与处理，实现了特长隧道的精确测量和控制。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其他领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。