基于GPS的隧道平面控制測(cè)量技術(shù)探討

摘 要:在傳統(tǒng)的辦法中，建立隧道施工控制網(wǎng)通常采用三角測(cè)量方法，近幾年來(lái)又采用精密導(dǎo)線法，但是，這些常規(guī)方法受到通視條件、圖形條件、地形條件等諸多因素的影響，本文基于筆者多年從事控制測(cè)量的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，以GPS應(yīng)用于某隧道控制網(wǎng)布測(cè)為研究背景，分析探討了洞內(nèi)外平面控制測(cè)量的方法與流程，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞:GPS 特長(zhǎng)隧道 控制網(wǎng) 貫通誤差

中圖分類號(hào):P2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)08(a)-0112-021 GPS技術(shù)概述

傳統(tǒng)隧道施工控制網(wǎng)的方法有三角測(cè)量方法和精密導(dǎo)線法，其中三角測(cè)量方法是最為傳統(tǒng)的隧道施工控制網(wǎng)方法，而精密導(dǎo)線法近幾年應(yīng)用較多。然而，通視條件、圖形條件、地形條件等諸多因素都會(huì)對(duì)這些常規(guī)方法產(chǎn)生影響。換言之，控制網(wǎng)在選點(diǎn)布網(wǎng)及觀測(cè)等諸多過(guò)程中受到限制。

常規(guī)測(cè)量辦法在隧道測(cè)量中難度都較大，因?yàn)槠湟话愣荚诘匦螐?fù)雜的山區(qū)。而如果選擇采用GPS來(lái)建立隧道控制網(wǎng)，由于通視條件對(duì)GPS觀測(cè)影響較小，而GPS控制網(wǎng)網(wǎng)形也較常規(guī)控制網(wǎng)更為隨意，故GPS測(cè)量是隧道控制測(cè)量中一種行之有效的辦法。

GPS如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)在在測(cè)量中的應(yīng)用中較為實(shí)用:(1)觀測(cè)站之間可以相互不通視。點(diǎn)位選擇比傳統(tǒng)方法更為靈活，也極大地減少了因?yàn)檫x點(diǎn)的苛刻增加的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。(2)有較高的定位精度。如基線<50km時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)1～2PPm的相對(duì)精度，定位精度會(huì)隨著基線的加長(zhǎng)而提高。一般測(cè)量手段很難達(dá)到這樣的精度級(jí)別。(3)極大地縮短了觀測(cè)時(shí)間。以完成一條基線的相對(duì)定位所需要的觀測(cè)時(shí)間為例，采用經(jīng)典的靜態(tài)定位方法，一般為l～3h(具體時(shí)間依精度不同而不同)。(4)三維坐標(biāo)能與觀測(cè)成果一同提供，這是因?yàn)?，測(cè)站點(diǎn)的大地高程可以被GPS精確測(cè)定，所以在精確提供測(cè)站點(diǎn)的平面位置的同時(shí)，能同時(shí)得到大地高程。這開(kāi)辟了一條新的途徑，即可以研究大地水準(zhǔn)面的形狀和地面點(diǎn)的高程。(5)GPS用用簡(jiǎn)便的操作，較輕的重量，小的體積等特點(diǎn)。(6)GPS能在所有氣候條件下作業(yè)。跟傳統(tǒng)的測(cè)量方法不同，GPS觀測(cè)不受地點(diǎn)、時(shí)間限制，也不受天氣條件影響，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)。

2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

全長(zhǎng)4126m的隧道位于某山脈中段，屬于目前我國(guó)建成的最長(zhǎng)隧道之一。隧道進(jìn)口處于直線地段，出口在曲線上，曲線半徑為598m，緩和曲線長(zhǎng)122m，偏角為31°04′30″。進(jìn)口處高程2241m，出口處高程為2836多米，越嶺地段牛背梁的高程為3900m，整個(gè)測(cè)區(qū)相對(duì)高差近1300多m，山勢(shì)相對(duì)陡峻，地形極其復(fù)雜，有著極差的通視條件。如不選擇GPS方法方法建網(wǎng)，不管是平面控制網(wǎng)還是高程控制網(wǎng)，都將面臨測(cè)量工作量大，周期長(zhǎng)，測(cè)量精度很難達(dá)到等問(wèn)題，因此項(xiàng)目組決定采用GPS建網(wǎng)，為了使該特長(zhǎng)隧道實(shí)現(xiàn)高精度貫通，準(zhǔn)備在洞外利用GPS全球定位技術(shù)和一等水準(zhǔn)，而在洞內(nèi)采用一等導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)和二等水準(zhǔn)建立隧道施工控制網(wǎng)。

3 隧道口外平面控制測(cè)量

3.1 控制測(cè)量的精度

為了提高GPS測(cè)量的精度，精度的標(biāo)準(zhǔn)可以參考《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》，其中定義了隧道長(zhǎng)度和技術(shù)設(shè)計(jì)方案，洞外GPS平面控制網(wǎng)的施測(cè)可以按B級(jí)進(jìn)行，可以用計(jì)算相鄰點(diǎn)間定位精度(標(biāo)準(zhǔn)差)，式中a(固定誤差)等于5到10mm；b為比例誤差，范圍是1到2PPm；d(點(diǎn)間距)≤20Km；要求使用儀器標(biāo)釋精度應(yīng)優(yōu)于10mm±2PPm。

3.2 點(diǎn)位設(shè)置

為滿足施工引測(cè)進(jìn)洞需要，通過(guò)對(duì)方案進(jìn)行反復(fù)比選設(shè)計(jì)，認(rèn)為在隧道進(jìn)出口應(yīng)該設(shè)置6個(gè)GPS平面控制點(diǎn)，如圖1所示，圖中J1、J2、QL02、QL03、QL04為隧道進(jìn)口GPS控制點(diǎn)，C1、HY、PD2、QL05、QL06、QL07為隧道出口GPS控制點(diǎn)。所有控制點(diǎn)均用異步環(huán)相聯(lián)，并組成空間三角形和空間大地四邊形以加強(qiáng)GPS網(wǎng)的幾何強(qiáng)度。

3.3 觀測(cè)方法與作業(yè)要求

接收機(jī)在觀測(cè)前必須全面進(jìn)行檢測(cè)，查看儀器精度是否達(dá)到標(biāo)稱精度的規(guī)定，觀測(cè)方式可以選擇GPS靜態(tài)相對(duì)定位進(jìn)行測(cè)量。觀測(cè)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意，GPS觀測(cè)應(yīng)當(dāng)選擇選擇最佳時(shí)段，而有時(shí)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加觀測(cè)時(shí)間，比如一些長(zhǎng)邊和觀測(cè)條件欠佳的點(diǎn)位。觀測(cè)要求及采用主要參數(shù)為:

(1)周邊觀測(cè)時(shí)段數(shù)不小于2；(2)時(shí)段長(zhǎng)度:當(dāng)1km＜S≤20km時(shí)，為1.5～2h；當(dāng)S＜1km時(shí)，為0.5～1h；(3)衛(wèi)星高度角≥150；(4)PDOP不大于6；(5)衛(wèi)星個(gè)數(shù)≥5；(6)采樣率不小于15S；(7)每顆衛(wèi)星連續(xù)跟蹤時(shí)間大于15min。

3.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理選用WILD200的隨機(jī)軟件SKI版進(jìn)行，基線解算時(shí)采用下列參數(shù):采用Hopfield作為對(duì)流層模型；采用標(biāo)準(zhǔn)模型作為電離層模；采用廣播星歷作為星歷，采用碼和相位數(shù)據(jù)；采用L1+L2頻率，使用＜20km作為解模糊盾的邊長(zhǎng)限制，)先驗(yàn)中誤差控制為±10mm。利用計(jì)算機(jī)程序軟件計(jì)算GPS基線網(wǎng)平差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、平面網(wǎng)平差等數(shù)據(jù)。采用觀測(cè)數(shù)據(jù)資料整理、平差計(jì)算均采用兩組對(duì)算、復(fù)核、審核等方式來(lái)確保數(shù)據(jù)無(wú)誤。

3.5 測(cè)量精度

表1列出了平差后各控制點(diǎn)的點(diǎn)位平面坐標(biāo)誤差。

GPS測(cè)量可靠性可以采用一些手段得到進(jìn)一步驗(yàn)證，比如如下方法:采用全站儀測(cè)導(dǎo)線方法，檢測(cè)了出口GPS點(diǎn)群所組成的局部小網(wǎng)，兩成果對(duì)比，X坐標(biāo)相差為1.5mm，Y坐標(biāo)相差為1.7mm，水平角相差1.53″，說(shuō)明數(shù)據(jù)可靠。

4 隧道口平面控制測(cè)量

4.1 施測(cè)等級(jí)的確定

依據(jù)《鐵路測(cè)量技術(shù)規(guī)則》的規(guī)定，17到20kM范圍的隧道，其洞內(nèi)外貫通中誤差總和不超過(guò)250mm，按照這一規(guī)定，洞內(nèi)可以依據(jù)通視情況設(shè)點(diǎn)，平均邊長(zhǎng)設(shè)置為500m。洞內(nèi)外貫通誤差按照250mm計(jì)算，精度即可滿足要求和精度指標(biāo)進(jìn)行施測(cè)基于二等導(dǎo)線的要求。另外，項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)綜合論證，決定洞內(nèi)導(dǎo)線布設(shè)成導(dǎo)線閉合環(huán)網(wǎng)，并按一等導(dǎo)線的要求和精度指標(biāo)進(jìn)行施測(cè)，這一方法確保了橫向貫通誤差＜100mm。

4.2 控制樁點(diǎn)設(shè)置

如上所述，等邊閉合導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)作為洞內(nèi)外平面控制導(dǎo)線。設(shè)置500m作為導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)，一個(gè)閉合導(dǎo)線由10條邊組成，而設(shè)置4個(gè)閉合環(huán)在出口段。一條導(dǎo)線設(shè)在離洞壁1到2m的位置，另外一條導(dǎo)線沿隧道中線方向，這樣的設(shè)置方法，使得沿隧道中線方向的導(dǎo)線可用來(lái)放樣，且不會(huì)破壞導(dǎo)線點(diǎn)。

4.3 貫通誤差預(yù)計(jì)

由式m2洞內(nèi)=(mβ×Ｌ/r)2×(n+3)/12

其中mβ=0.7″，L=19km，r=206265″，n=38，代入上式，得m洞內(nèi)=±119mm

由于洞內(nèi)導(dǎo)線布設(shè)為等邊導(dǎo)線閉合環(huán)網(wǎng)(如圖所示)，可按兩條單導(dǎo)線計(jì)算貫通精度，則根據(jù)誤差傳播理論雙導(dǎo)線在貫通點(diǎn)的精度比單導(dǎo)線在貫通點(diǎn)的精度提高了倍，即m內(nèi)=m洞內(nèi)/=84mm。

根據(jù)洞外GPS控制測(cè)量成果計(jì)算得

m外=±45mm，則由

m2總=m2內(nèi)＋m2外

將m內(nèi)和m外代入上式，得

m總=±95mm

小于橫向貫通中誤差值100mm的要求，并遠(yuǎn)小于《鐵路測(cè)量技術(shù)規(guī)則》規(guī)定的全隧道橫向貫通中誤差值250mm的要求。

4.4 數(shù)據(jù)處理

(1)測(cè)站平差，在水平角每測(cè)站測(cè)完后進(jìn)行。(2)檢查閉合差粗差，即計(jì)算每個(gè)閉合環(huán)的角度閉合差，檢查其中是否存在粗差。(3)通過(guò)加、乘常數(shù)改正，氣象改正，投影改正，使所有測(cè)量邊長(zhǎng)值歸算到隧道統(tǒng)一高程面(976m)。(4)在計(jì)算機(jī)上用導(dǎo)線網(wǎng)平差程序完成計(jì)算，包括對(duì)整個(gè)閉合環(huán)網(wǎng)進(jìn)行嚴(yán)密平差計(jì)算，從而可計(jì)算出每個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)值，并進(jìn)行精度評(píng)定。計(jì)算結(jié)果表明，洞內(nèi)導(dǎo)線的測(cè)角精度為m=±0.63″。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)從精度分析來(lái)看，可以采用GPS B級(jí)網(wǎng)進(jìn)行隧道平面控制測(cè)量，其結(jié)果是可靠的，能達(dá)到隧道貫通要求的京都，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了費(fèi)用，并縮短了測(cè)量周期。(2)可以采用等邊閉合導(dǎo)線環(huán)網(wǎng)進(jìn)行隧道洞內(nèi)平面控制測(cè)量網(wǎng)布設(shè)，但要根據(jù)隧道貫通精度要求設(shè)計(jì)導(dǎo)線測(cè)量精度。同時(shí)，為了達(dá)到滿意的貫通京都，施測(cè)時(shí)的精度控制指標(biāo)不能低于設(shè)計(jì)精度要求。(3)采用Ⅱ等水準(zhǔn)進(jìn)行洞內(nèi)高程控制測(cè)量，結(jié)果表明能達(dá)到很高的貫通精度，以后長(zhǎng)大隧道施工進(jìn)行洞內(nèi)高程控制測(cè)量可以借鑒該方法。(4)采用合理的平差計(jì)算方法處理隧道洞內(nèi)控制測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果為:橫向誤差12mm，高程誤差1mm，縱向貫通誤差125mm。

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