GPS洞外控制網(wǎng)對(duì)隧道橫向貫通誤差影響的分析
——以新建歌樂(lè)山隧道為例

李 建，秦巖賓，孫燁龍

（1．重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 地質(zhì)與測(cè)繪工程學(xué)院，重慶400037；2．成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；3．成都科遠(yuǎn)技術(shù)有限公司，四川 成都610059）

GPS洞外控制網(wǎng)對(duì)隧道橫向貫通誤差影響的分析
——以新建歌樂(lè)山隧道為例

李 建1，秦巖賓2，孫燁龍3

（1．重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 地質(zhì)與測(cè)繪工程學(xué)院，重慶400037；2．成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；3．成都科遠(yuǎn)技術(shù)有限公司，四川 成都610059）

論述GPS測(cè)量技術(shù)在新建歌樂(lè)山隧道施工控制網(wǎng)復(fù)測(cè)中的觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理及達(dá)到精度的具體應(yīng)用，根據(jù)隧道洞外控制點(diǎn)復(fù)測(cè)成果對(duì)橫向貫通誤差進(jìn)行估計(jì)。為GPS測(cè)量技術(shù)在長(zhǎng)大隧道控制測(cè)量中應(yīng)用積累一定的經(jīng)驗(yàn)，并得出一些有益的結(jié)論與建議。

GPS；控制點(diǎn)；橫向貫通誤差；估計(jì)

隧道一般都要穿越高山，地形條件復(fù)雜，若采用傳統(tǒng)的導(dǎo)線控制測(cè)量方法步進(jìn)工作量大，施測(cè)難度大，周期長(zhǎng)，而且經(jīng)過(guò)大量的傳算點(diǎn)或過(guò)渡點(diǎn)施測(cè)和計(jì)算后，精度難以保證。現(xiàn)代施工控制測(cè)量中，GPS由于具有全天候、高精度、定位速度快、定位點(diǎn)間不需通視等特點(diǎn)，已被廣泛采用［1］。

新歌樂(lè)山隧道位于新建蘭渝鐵路引入重慶樞紐工程內(nèi)，位于襄渝線團(tuán)結(jié)村車(chē)站至渝懷鐵路井口車(chē)站之間，全長(zhǎng)4 172 m，起訖里程為HDK2＋388～HDK6＋560。該隧道與歌樂(lè)山隧道基本平行，近似垂直穿越中梁山脈，地勢(shì)陡峭，起伏較大，地形復(fù)雜，植被豐富，常規(guī)測(cè)量布網(wǎng)困難，通視條件極差。在該隧道一期工程即將全面開(kāi)工之前，必須對(duì)洞外控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，以確保工程質(zhì)量，為一期工程提供準(zhǔn)確、可靠的測(cè)量基準(zhǔn)。經(jīng)比選決定采用GPS測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)。

1 GPS測(cè)量方案設(shè)計(jì)

1．1 作業(yè)依據(jù)及設(shè)備

本次測(cè)量主要技術(shù)依據(jù)為：全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范與鐵路工程建設(shè)相關(guān)規(guī)范［2－6］，新建蘭渝鐵路引入重慶樞紐工程新歌樂(lè)山隧道平面圖，新歌樂(lè)山隧道平面圖進(jìn)出口場(chǎng)地布置圖。

本次測(cè)量設(shè)備選用了6套中海達(dá)V8（GNSS－LR4）動(dòng)、靜態(tài)接收機(jī)，筆記本電腦1臺(tái)。GPS接收機(jī)在作業(yè)前均在儀器檢測(cè)中心進(jìn)行了檢測(cè)，其性能與精度均符合標(biāo)稱(chēng)平面精度±（5mm＋1×10－6D），滿足規(guī)范要求。

圖1 新歌樂(lè)山隧道GPS控制網(wǎng)布設(shè)示意圖

1．2 復(fù)測(cè)方案的選擇與精度要求

在實(shí)際工作中，兩洞口控制點(diǎn)選擇滿足規(guī)范要求：每個(gè)洞口應(yīng)布設(shè)不少于3個(gè)平面控制點(diǎn)，以資校核；控制點(diǎn)應(yīng)盡量沿洞口連線方向布設(shè)，以減少橫向貫通誤差［7］。

根據(jù)新歌樂(lè)山隧道走向及隧道洞口控制點(diǎn)布設(shè)要求，先在平面圖上進(jìn)行選點(diǎn)并做優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)地踏勘，確定L10、L11、L12、L13、L14和SNGPS10為復(fù)測(cè)控制點(diǎn)（見(jiàn)圖1）。

GPS控制點(diǎn)選擇過(guò)程中關(guān)于減小多路徑效應(yīng)、周?chē)ㄖ锔叨冉?、避免大面積水域等要求應(yīng)符合相應(yīng)規(guī)范［2－6］規(guī)定。

控制網(wǎng)復(fù)測(cè)采用的方法和精度與原測(cè)相同，因此，本次控制網(wǎng)復(fù)測(cè)采用GPS靜態(tài)定位模式，同步作業(yè)圖形之間采用邊連接構(gòu)網(wǎng)相結(jié)合的方式，平差成果精度滿足四等GPS控制網(wǎng)要求。

1．3 已有測(cè)量成果評(píng)價(jià)和利用

為了與第一次的觀測(cè)成果進(jìn)行比較，仍以原測(cè)控制網(wǎng)三等GPS控制點(diǎn)D33、D34和SNGPS10作為本次復(fù)測(cè)的起算點(diǎn)（見(jiàn)圖1）。該三點(diǎn)源于中鐵二院于2009年9月完成的新建蘭渝鐵路引入重慶樞紐站前代建Ⅰ標(biāo)GPS平面控制網(wǎng)。

復(fù)測(cè)前對(duì)起算點(diǎn)與復(fù)測(cè)控制點(diǎn)進(jìn)行了標(biāo)石外觀檢查，各點(diǎn)地質(zhì)條件較好，點(diǎn)位保存良好，現(xiàn)場(chǎng)踏勘各點(diǎn)通視情況良好，周?chē)鸁o(wú)新建高大建筑物與大功率信號(hào)發(fā)射塔，初步確定可進(jìn)行控制點(diǎn)復(fù)測(cè)工作。

1．4 施 測(cè)

野外觀測(cè)時(shí)，天線安置嚴(yán)格整平、對(duì)中，天線高在觀測(cè)前后各量測(cè)1次，互差均小于1 mm；觀測(cè)時(shí)確保接收機(jī)開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)間的同步，及時(shí)填寫(xiě)觀測(cè)手簿；觀測(cè)過(guò)程中，注意數(shù)據(jù)的接收情況，如衛(wèi)星高度截止角、有效觀測(cè)衛(wèi)星個(gè)數(shù)、幾何精度因子PDOP值、運(yùn)算歷元間隔、有效觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度等。

考慮到長(zhǎng)邊的電離層影響較大，長(zhǎng)基線控制網(wǎng)的觀測(cè)時(shí)間確定為120 min，短基線控制網(wǎng)觀測(cè)時(shí)間確定為60 min。

2 GPS平差計(jì)算

新歌樂(lè)山隧道GPS內(nèi)業(yè)成果共搜索到最小獨(dú)立同步環(huán)9個(gè)，最小獨(dú)立異步環(huán)18個(gè)，重復(fù)基線邊5條。約束平差前對(duì)重點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)基線較差比較、基線向量的質(zhì)量檢驗(yàn)。對(duì)不符合上述限差的閉合環(huán)或基線，根據(jù)全網(wǎng)的具體情況分析，檢查出含有粗差點(diǎn)的基線并及時(shí)剔除，必要時(shí)進(jìn)行重測(cè)，以確保成果的整體質(zhì)量。

在各項(xiàng)質(zhì)量檢查符合技術(shù)要求后，進(jìn)行 WGS 84坐標(biāo)系中的三維無(wú)約束平差。在無(wú)約束平差中，先檢驗(yàn)觀測(cè)值中誤差、單位權(quán)中誤差、觀測(cè)值改正數(shù)，確定異常觀測(cè)值，并進(jìn)行檢查和分析，決定棄舍。

最終以D33、D34、SNGPS11為起算點(diǎn)，對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行二維約束平差計(jì)算。平差結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 平差成果精度統(tǒng)計(jì)表

3 洞外控制點(diǎn)對(duì)隧道橫向貫通誤差初步估計(jì)

式中：m外為洞外GPS測(cè)量引起的橫向貫通中誤差，m0為GPS點(diǎn)位中誤差引起的橫向貫通中誤差，L為GPS進(jìn)洞點(diǎn)至隧道貫通面的距離，mα0為GPS基線邊方位角中誤差，ρ為206265″。

結(jié)合控制點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)地形及通視條件可知，新歌樂(lè)山隧道進(jìn)、出洞控制點(diǎn)最不利點(diǎn)分別位于進(jìn)洞口處的L10和出洞口處的L13，將直接影響貫通面處的橫向貫通誤差，兩點(diǎn)位中誤差分別為±2．4 mm和

隧道總的橫向貫通誤差來(lái)源有2個(gè)方面，即洞外GPS控制測(cè)量和洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量引起的誤差。在工程實(shí)踐中，常將地下兩相向開(kāi)挖的洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量誤差及洞外GPS測(cè)量誤差均作為獨(dú)立因素［8］。

洞外GPS復(fù)測(cè)誤差對(duì)隧道貫通的影響包括GPS點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差和進(jìn)洞定向基線邊的方位角中誤差，根據(jù)誤差傳播定律，GPS點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差和定向邊的方位角中誤差對(duì)進(jìn)洞導(dǎo)線在貫通面的橫向貫通誤差影響為［9］±7．2 mm。

定向基線邊的方位角中誤差，首先影響在進(jìn)洞控制點(diǎn)處的撥角誤差，繼而通過(guò)進(jìn)洞控制點(diǎn)到貫通面的“貫通距離”，引起貫通面處的橫向貫通中誤差。由平差結(jié)果得出：進(jìn)口處后視邊最弱方向?yàn)長(zhǎng)10～D33，其方位角中誤差為±2．13″，出口處后視邊最弱方向?yàn)長(zhǎng)13～L12，其方位角中誤差為±1．97″。

由于考慮GPS點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差與進(jìn)洞定向基線邊的方位角中誤差均為最不利條件下的中誤差值，因此，預(yù)計(jì)的新歌樂(lè)山隧道橫向貫通中誤差應(yīng)為最大橫向貫通中誤差。將貫通面選擇在隧道中部，貫通面至隧道進(jìn)、出口兩端的距離為2．084 km，將上述誤差帶入式（1）得出

采用鐵路工程建設(shè)控制測(cè)量中的相關(guān)規(guī)范［3－5］判斷隧道控制測(cè)量對(duì)貫通中誤差的影響值，具體精度指標(biāo)如表2所示。

表2 隧道洞外控制測(cè)量對(duì)貫通測(cè)量中誤差影響的限值

顯然，本次復(fù)測(cè)控制點(diǎn)橫向貫通中誤差預(yù)計(jì)值均小于相應(yīng)的限差要求。由此可見(jiàn)：新歌樂(lè)山隧道GPS控制網(wǎng)復(fù)測(cè)成果能夠滿足隧道施工控制精度要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

GPS由于具有全天候、高精度、定位速度快、定位點(diǎn)間不需通視等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代公路、鐵路隧道、大型水利等工程施工控制測(cè)量中。所以采用GPS測(cè)量控制的隧道貫通誤差的估計(jì)方法相比傳統(tǒng)的導(dǎo)線控制測(cè)量的貫通誤差預(yù)計(jì)的方法更具有應(yīng)用前景。

使用GPS對(duì)隧道施工控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)，精度高于四等導(dǎo)線的相應(yīng)精度指標(biāo)，復(fù)測(cè)的坐標(biāo)成果可信，可供比較和施工測(cè)量時(shí)使用。

聯(lián)測(cè)進(jìn)洞測(cè)量時(shí)，應(yīng)選擇邊長(zhǎng)較長(zhǎng)及方位角中誤差較小的后視邊和合適的進(jìn)洞控制點(diǎn)，以提高橫向貫通的精度。

［1］王勁松，陳正陽(yáng)，吳堂林，等．GPS地面控制網(wǎng)對(duì)橫向貫通誤差影響的分析［J］．湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，18（3）：76－80．

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．GB／T18314－2009全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009．

［3］中國(guó)人民共和國(guó)鐵道部．TB10101－99新建鐵路工程測(cè)量規(guī)范［S］．北京：中國(guó)鐵道出版社，1999．

［4］中鐵二院工程集團(tuán)有限公司．TB10601－2009，J962－2009高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范［S］．北京：中國(guó)鐵道出版社，2010．

［5］中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)．GB50026－2007工程測(cè)量規(guī)范［S］．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2008．

［6］中國(guó)人民共和國(guó)鐵道部．TB10054－2010鐵路工程衛(wèi)星定位測(cè)量規(guī)范［S］．北京：中國(guó)鐵道出版社，2010

［7］謝先武．渝懷鐵路歌樂(lè)山隧道洞外平面GPS控制測(cè)量［J］．鐵路航測(cè)，2001（3）：44－46．

［8］李青岳，陳永奇．工程測(cè)量學(xué)［M］．北京：測(cè)繪出版社，1993．

［9］張鳳舉．控制測(cè)量學(xué)［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1999．

The analysis of influence on lateral error of transfixion in GPS tunnel construction control network——Taking new Geleshan Tunnel in Chongqing as an Example

LI Jian1，QIN Yan－bin2，SUN Ye－long3
（1．Geological Surveying and Mapping Engineering College，Chongqing Vocational Institute of Engineering School，Chongqing 400037，China；2．College of Earth Sciences，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；3．Chengdu Keyuan Technology Co．，Ltd，Chengdu 610059，China）

The article discussed the GPS measurement technology in specific applications of observations，data processing and achieved accuracy on construction control network retest in new Geleshan tunnel．Made preliminary estimation on lateral error of transfixion and feasible conclusions about measurement result．Some experience was accumulated about the role of GPS measurement technology in the long tunnel control measurement and draw some useful conclusions and suggestion．

GPS；control points；lateral error of transfixion；estimation

P228．4

B

1006－7949（2012）03－0071－03

2011－07－26

四川省高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金課題（20105122110006）

李 建（1979－），男，助教，碩士．

［責(zé)任編輯劉文霞］