GPS 在烏巖山隧道貫通測(cè)量中的應(yīng)用研究

■劉 靜 ■中鐵二十五局西北分公司，陜西 西安 710048

1 工程概況

烏巖山隧道全長(zhǎng)6480 米，位于溫嶺市大溪鎮(zhèn)前溪村，隧道工程由中鐵十一局二公司承建，屬大型隧道，且地處山巒起伏、樹木茂盛，地勢(shì)變化大，山區(qū)多云霧，通視條件差。隧道所在地區(qū)山上和進(jìn)出洞口附近樹林密集、通視條件極差，給隧道外控制和進(jìn)洞聯(lián)系測(cè)量帶來一定的困難，洞外控制網(wǎng)若采用常規(guī)測(cè)量方法建立，不僅難以實(shí)現(xiàn)，而且建網(wǎng)效率低、費(fèi)用高。GPS 全球定位系統(tǒng)由于其具有較高的相對(duì)定位精度、控制點(diǎn)間無須通視、在隧道施工控制中只需在洞口處及其附近布點(diǎn)和建網(wǎng)速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在隧道施工洞外測(cè)量控制中已被普遍應(yīng)用。

2 GPS 作業(yè)基本要求

2.1 測(cè)量?jī)x器

GPS 靜態(tài)測(cè)量使用美國(guó)Trimble 5700 型雙頻GPS 接收機(jī)2 臺(tái)和Trimble 4600 型3 臺(tái)共5 臺(tái)套，GPS 接收機(jī)標(biāo)稱精度均為0.5 +1ppm ×D，滿足規(guī)范規(guī)定的精度要求。

2.2 GPS 測(cè)量作業(yè)依據(jù)

(1)《新建鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB10101—99);(2)《全球定位系統(tǒng)(GPS)鐵路測(cè)量規(guī)程》(TB10054—97);(3)已有的相關(guān)資料，平面圖、交樁資料、現(xiàn)場(chǎng)找到的線路控制樁橛。

2.3 GPS 網(wǎng)等級(jí)選擇

烏巖山隧道其橫向貫通誤差限差為150mm，高程貫通誤差限差為50mm，。而其它隧道長(zhǎng)度均小于4000 米，橫向貫通誤差限差為100mm，高程貫通誤差限差為50mm。按照新鐵路測(cè)量規(guī)范的要求，采用C 級(jí)GPS 網(wǎng)。

2.4 GPS 網(wǎng)型設(shè)計(jì)

限于山區(qū)地形條件限制，GPS 控制點(diǎn)布設(shè)較為困難，要滿足諸如:便于安置儀器和操作，周圍視野開闊，便于通視，對(duì)通視能見良好，高度角15 度以上不得有成片障礙物阻擋衛(wèi)星信號(hào)，遠(yuǎn)離高壓輸電線，其限距不小于50 米等。故每個(gè)洞口附近GPS 子網(wǎng)分別布設(shè)四個(gè)GPS 控制。

2.5 作業(yè)要求

(1)各級(jí)GPS 網(wǎng)點(diǎn)位應(yīng)均勻分布，相鄰點(diǎn)間距離最大不宜超過該區(qū)域平均點(diǎn)間距的2 倍。(2)布設(shè)的GPS 網(wǎng)應(yīng)與附近的已有的國(guó)家高等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，聯(lián)測(cè)點(diǎn)數(shù)不應(yīng)少于3 點(diǎn)。(3)C 級(jí)網(wǎng)點(diǎn)高程按三等水準(zhǔn)測(cè)量或與其精度相同當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行高程聯(lián)測(cè)。

2.6 GPS 測(cè)量觀測(cè)要求

GPS 接收機(jī)的儀器高應(yīng)量至毫米，開機(jī)前量測(cè)1 次，關(guān)機(jī)后量測(cè)1次，共量測(cè)2 次，且量測(cè)互差不大于3mm，可取平均值作為最后結(jié)果。

2.7 GPS 測(cè)量數(shù)據(jù)處理要求

GPS 數(shù)據(jù)處理是一項(xiàng)非常重要的工作，關(guān)系到坐標(biāo)成果質(zhì)量的好壞，必須認(rèn)真對(duì)待。復(fù)測(cè)基線的長(zhǎng)度較差，兩兩比較應(yīng)滿足下式的規(guī)定:

式中:σ—相應(yīng)級(jí)別規(guī)定的精度(按實(shí)際平均邊長(zhǎng)計(jì)算)。

獨(dú)立閉合環(huán)或附合路線坐標(biāo)閉合差應(yīng)滿足:

式中:n—閉合環(huán)邊數(shù);

σ—相應(yīng)級(jí)別規(guī)定的精度(按實(shí)際平均邊長(zhǎng)計(jì)算)

在基線向量檢核符合要求后，以三維基線向量及其相應(yīng)方差—協(xié)方差陣作為觀測(cè)信息，以一個(gè)點(diǎn)的WGS84 三維坐標(biāo)作為起算依據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)的無約束平差。無約束平差須提供各點(diǎn)在WGS84 系下的三維坐標(biāo)、各基線向量及其改正數(shù)和其精度信息。無約束平差中，基線分量的改正數(shù)絕對(duì)值應(yīng)滿足下式:

否則，認(rèn)為該基線或其附近的基線存在粗差，應(yīng)在平差中采用軟件提供的自動(dòng)方法或人工方法剔除，直至上式滿足。但數(shù)據(jù)剔除率不應(yīng)大于10%。

利用無約束平差后的可靠觀測(cè)量，進(jìn)行二維約束平差。平差中，對(duì)已知點(diǎn)坐標(biāo)、已知距離和已知方位，可以強(qiáng)制約束，也可加權(quán)約束。平差結(jié)果應(yīng)輸出在相應(yīng)坐標(biāo)系中的三維或二維坐標(biāo)、基線向量改正數(shù)、基線邊長(zhǎng)、方位、轉(zhuǎn)換參數(shù)及其相應(yīng)的精度信息。約束平差中，基線分量的改正數(shù)與經(jīng)過粗差剔除后的無約束平差結(jié)果的同一基線相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對(duì)值應(yīng)滿足下式:

否則，認(rèn)為作為約束的已知坐標(biāo)、已知距離、已知方位中存在一些誤差較大的值應(yīng)采用自動(dòng)或人工的方法剔除這些誤差較大的約束值，直至上式滿足。但約束點(diǎn)不能少于3 個(gè)，且應(yīng)分布均勻。

3 GPS 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理

(1)GPS 數(shù)據(jù)處理軟件采用LEICA 公司的LGO 軟件，BLxy 和GPSTranse 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件。(2)基線計(jì)算采用雙差相位觀測(cè)值作為起算值的衛(wèi)星坐標(biāo)一般由廣播星歷確定。(3)GPS 測(cè)量平差采用WGS-84 大地坐標(biāo)系，投影基準(zhǔn)面采用隧道進(jìn)出口高程的平均高程面。投影方法采用橫軸墨卡托投影，即采用直接投影法計(jì)算施工坐標(biāo)，它是以工程橢球?yàn)閰⒖紮E球，將GPS 網(wǎng)平差結(jié)果直接投影至工程橢球相切的高斯平面上(注:平面的高程與工程平均高程相等)，進(jìn)行施工坐標(biāo)計(jì)算的。工程橢球的球心和扁率與WGS84 參考橢球相同，即a84=6378137，扁率e=298.257223563，工程測(cè)區(qū)中心的卯酉圈曲率半徑

平差時(shí)采用兩次測(cè)量的原始收據(jù)統(tǒng)一平差的方案，以獲得同等精度的GPS 平差結(jié)果。

3.2 數(shù)據(jù)處理及對(duì)比

3.2.1 采用LGO 軟件處理原有數(shù)據(jù)

(1)打開LEICA Geo Office，建立新的工程。(2)菜單欄點(diǎn)擊輸入-＞輸入原始數(shù)據(jù)，將原始的烏巖山隧道控制網(wǎng)GPS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入。(3)選擇GPS 處理，點(diǎn)擊右鍵—＞處理模式，選擇自動(dòng)。點(diǎn)擊界面上方的全部選擇，然后右鍵選擇處理。(4)將處理后的結(jié)果全選，然后點(diǎn)擊右鍵選擇存儲(chǔ)。選擇界面下方網(wǎng)平差標(biāo)簽，點(diǎn)擊進(jìn)行平差。(5)點(diǎn)擊結(jié)果，選擇報(bào)告，輸出處理總結(jié)。(6)點(diǎn)擊結(jié)果，右鍵選擇結(jié)果—＞網(wǎng)，輸出網(wǎng)平差結(jié)果。在結(jié)果界面右鍵選擇計(jì)算閉合環(huán)，然后右鍵選擇結(jié)果-＞閉合環(huán)，輸出閉合環(huán)及閉合差處理報(bào)告。

3.2.2 將已知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為3 度帶高斯坐標(biāo)

(1)將已知坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得出中央午線為121°14＇38.26″，測(cè)區(qū)平均緯度為28°24＇36.98″，投影面大地高為60.6612m，參考橢球?yàn)閃GS-84，將得到的數(shù)據(jù)按要求輸入BLxy 軟件。(2)輸出結(jié)果得到3度帶高斯坐標(biāo)。將已知數(shù)據(jù)中的其中兩點(diǎn)假設(shè)為已知點(diǎn)，使用GPSTranse 軟件，求出轉(zhuǎn)換參數(shù)。然后將高斯坐標(biāo)輸入“待轉(zhuǎn)換GPS 坐標(biāo)”框，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到轉(zhuǎn)換后的地方坐標(biāo)。(3)將生成的地方坐標(biāo)與原數(shù)據(jù)烏巖山隧道GPS 控制網(wǎng)成果進(jìn)行對(duì)比。

表1 大壩工程混凝土配合比

比較可知，經(jīng)計(jì)算所得X 坐標(biāo)與Y 坐標(biāo)，與原坐標(biāo)的誤差大部分小于1cm，達(dá)到毫米級(jí)精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過實(shí)際應(yīng)用中GPS 的精度分析，我認(rèn)為GPS 網(wǎng)布設(shè)方案科學(xué)，平差精度優(yōu)異，無論同步環(huán)，異步環(huán)、三維無約束平差、約束平差、邊長(zhǎng)觀測(cè)的精度都優(yōu)于規(guī)范的規(guī)定。由此得知GPS 隧道控制網(wǎng)能滿足隧道貫通精度的要求。但是，GPS 在隧道貫通中相關(guān)問題的研究中，關(guān)于GPS 隧道貫通控制網(wǎng)形的設(shè)計(jì)、GPS 高程精度的提高、GPS 數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)分析與處理、GPS 成果對(duì)貫通誤差的影響以及其數(shù)據(jù)可靠性保障等方面，仍有探討的空間和研究的必要。

［1］邢庭松.GPS 在隧道工程測(cè)量中的應(yīng)用.隧道建設(shè)，2001，12.

［2］張項(xiàng)鐸，陳新煥，路伯祥.GPS 在隧道控制測(cè)量應(yīng)用中幾個(gè)問題探討，1997.

［3］楊國(guó)興.GPS 應(yīng)用于布測(cè)長(zhǎng)大隧道控制網(wǎng)的研究.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009.

［4］李貴兵.隧道工程施工中GPS 測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用探討.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010.