湖底隧道測量控制網(wǎng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

杜笑芳，楊兆龍

(1.廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710； 2.江蘇省地質(zhì)測繪院，江蘇 南京 211102)

湖底隧道測量控制網(wǎng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

杜笑芳1，楊兆龍2

(1.廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710； 2.江蘇省地質(zhì)測繪院，江蘇 南京 211102)

介紹了在湖底隧道測量工程中，采用“一點一方向法”建立GPS平面控制網(wǎng)的方法，并通過實例驗證了該方法的可行性和有效性，為在同類隧道工程中建立平面測量控制網(wǎng)提供參考。

GPS；隧道測量；平面控制網(wǎng)；平差計算

0 引言

在穿越大型湖泊隧道工程的施工中，為了保證隧道的順利貫通，應(yīng)確保洞外控制網(wǎng)的精度滿足相應(yīng)規(guī)范要求。一般采用二等水準(zhǔn)測量方法建立高程控制網(wǎng)。而對平面控制網(wǎng)而言，如控制網(wǎng)精度不高，會造成平面控制點坐標(biāo)反算的邊長與實測邊長產(chǎn)生較大的差值，即產(chǎn)生長度投影變形，會對線路施工放樣及隧道貫通測量等工作造成較大影響[1-3]。

因此，平面控制網(wǎng)的建立是湖底隧道測量工程的重點。為此，本文以某湖底隧道測量工程為例，介紹了隧道工程的施工中二等GPS平面控制網(wǎng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法。

1 方案設(shè)計

湖底隧道二等GPS平面控制網(wǎng)建立項目的重點包括二等GPS網(wǎng)的布網(wǎng)方案、二等GPS觀測墩的埋石、二等GPS觀測方案和利用全站儀進行基線加測的方法、二等GPS控制網(wǎng)起算數(shù)據(jù)的選擇和平差計算的方法以及二等水準(zhǔn)測量。在測量時，兩岸各采用一個國家一等水準(zhǔn)點作為起算點，并納入同一水準(zhǔn)路線進行觀測計算。

為達到控制控制網(wǎng)邊長變形的目的，應(yīng)在整個隧道區(qū)域建立二等獨立坐標(biāo)系統(tǒng)。根據(jù)隧道實際情況，本項目采用“一點一方向法”。一點一方向是指采用一個固定點坐標(biāo)作為工程起算點，以一個固定方向的方位角作為工程控制網(wǎng)的起算邊，從而建立相對獨立坐標(biāo)系的方法。

2 方案實施

2.1 選點埋石

為了使GPS網(wǎng)有良好的結(jié)構(gòu)且利于隧道相關(guān)測量，結(jié)合實地地形情況，二等GPS點布設(shè)于隧道兩端出口附近，每個點保證至少有一個通視方向，埋石位置有利于平面控制向圍堰及建成后的隧道內(nèi)的傳遞。

GPS點四周沒有仰角高于15°的成片障礙，以利于衛(wèi)星信號的接收。點位遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源(如電臺、微波站等)和高壓輸電線。點位附近沒有強反射的地面和環(huán)境或?qū)﹄姶挪ń邮沼袕娏腋蓴_的物體，以免多路徑效應(yīng)引起定位點坐標(biāo)誤差。選點埋石應(yīng)注意以下兩點：

1)二等GPS網(wǎng)點點位都選取在距設(shè)計的隧道中線附近基巖層較淺、方便埋設(shè)、利于長期保存、便于使用的地方。

2)二等GPS網(wǎng)中相鄰點之間的距離應(yīng)根據(jù)實際情況，保持在一定范圍內(nèi)，通常在在1～10 km之間。由于本網(wǎng)中跨越水面寬度較寬等實際原因造成相鄰點間距較長，應(yīng)通過增加觀測時間，以確保精度達到相關(guān)規(guī)范的要求。

2.2 外業(yè)觀測

外業(yè)采用多臺GPS同步觀測，作業(yè)方式采用靜態(tài)相對定位模式。為了加強GPS網(wǎng)的強度，主要采用網(wǎng)連式構(gòu)網(wǎng)方案。GPS測量時應(yīng)達到以下技術(shù)要求：

1)衛(wèi)星高度角應(yīng)大于15°，有效觀測衛(wèi)星個數(shù)大于4個。

2)觀測墩的控制點采用強制對中方式，聯(lián)測點采用經(jīng)檢驗過的光學(xué)對中器對中。為消除相位中心偏差對測量結(jié)果的影響，測量前用指南針先在觀測墩上劃好指北線，使天線指北線與觀測墩上的指北線重合，使定向誤差小于5°。

3)在測量過程中，對每個測站的作業(yè)狀態(tài)進行了認(rèn)真的記錄，在參考GPS測量規(guī)范的基礎(chǔ)上設(shè)計了專用的GPS外業(yè)記錄手簿。

4)天線要求嚴(yán)格整平，天線高在測量前后各量取一次，量取時從3到4個不同方向分別量取，互差不得大于1 mm。

5)觀測組嚴(yán)格按照調(diào)度表規(guī)定的時間作業(yè)，保證了同步觀測同一衛(wèi)星組。

6)數(shù)據(jù)采集時，測量人員關(guān)閉手機和對講機，并禁止周圍人員使用手機。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理方案

平面控制網(wǎng)采用GPS數(shù)據(jù)與常規(guī)測量數(shù)據(jù)聯(lián)合平差處理方案。GPS基線解算采用雙頻解算，經(jīng)三維無約束平差得到所有GPS基線向量數(shù)據(jù)，采用高精度全站儀觀測8條邊長(對向觀測)，對觀測邊長進行氣象元素及加乘常數(shù)改正后投影到高斯平面上，由GPS基線向量和改正后邊長建立誤差方程式進行聯(lián)合平差。

3.2 聯(lián)合平差計算

聯(lián)合網(wǎng)平差使用同濟大學(xué)研制的工程控制GPS網(wǎng)專用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)GPS-NET Processing System進行處理。

平差采用含有地面起算數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)的GPS網(wǎng)三維嚴(yán)密平差。平差的起算數(shù)據(jù)以一個控制點為三維平差的基準(zhǔn)點和一個已知基線的方向作為方位基準(zhǔn)。聯(lián)合平差模型主要由GPS基線向量ΔRij觀測值誤差方程和邊長誤差方程組成。平差模型中基線向量ΔRij誤差方程為：

(1)

平差模型中邊長誤差方程式為：

(2)

4 應(yīng)用實例

蘇錫常南部高速公路為規(guī)劃建設(shè)“五縱九橫五聯(lián)”高速公路網(wǎng)中的“橫六”，工程起自與常宜高速公路聯(lián)接的前黃樞紐，沿東南方向進入無錫馬山境內(nèi)，穿越太湖灣接無錫環(huán)太湖高速公路。項目路線里程全長43.2 km，總投資預(yù)計達142.6億元，其中太湖隧道長10.9 km，是目前國內(nèi)最長的連續(xù)水下隧道。隧道跨越水面寬度約10 km，為確保隧道的施工和隧道變形監(jiān)測，將建立測量控制網(wǎng)。

在太湖灣南北各埋設(shè)4個二等控制點，點號分別為N01、N02、N03、N04和S01、S02、S03、S04。采用太湖隧道中軸線馬山側(cè)二等控制點N03為起算點、中軸線(N03-S02)方向為起始方向。結(jié)合太湖隧道附近地形地貌情況，布網(wǎng)方案設(shè)計，如圖1所示。二等GPS網(wǎng)應(yīng)布設(shè)成獨立網(wǎng)。全網(wǎng)共8個點，全網(wǎng)平均邊長6.5 km左右?？紤]到太湖隧道獨立控制網(wǎng)的精度要求，為提高本網(wǎng)的可靠性，觀測時段均為4個時段，時段長均大于5 h。

圖1 控制網(wǎng)設(shè)計圖Fig.1 Design map of contral network

本項目采用4臺Leica 530，2臺Leica 1230和2臺Leica 1202同步進行觀測，作業(yè)方式采用靜態(tài)相對定位模式。為了加強GPS網(wǎng)的強度，主要采用網(wǎng)連式構(gòu)網(wǎng)方案，并利用LGO軟件對觀測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

5 精度統(tǒng)計

主要包括以下方面：

1)邊長觀測值改正數(shù)及精度成果

GPS觀測值與邊長觀測值聯(lián)合平差中的邊長改正數(shù)中誤差最大為2.33 mm，最弱邊相對誤差最大為1/806 564。

2)GPS和邊長聯(lián)合平差成果

GPS聯(lián)合網(wǎng)數(shù)據(jù)處理一點一方向無約束平差后，坐標(biāo)X和Y的平移量為482.741 819 6 km和-187.630 970 8 km，單位權(quán)中誤差為0.151 922 mm。其中，平面控制點坐標(biāo)成果及誤差橢圓參數(shù)，最弱點為S03，點位中誤差為2.05 mm。

3)聯(lián)合網(wǎng)成果與實測平距比較

為了分析聯(lián)合網(wǎng)成果的可靠性，將聯(lián)合網(wǎng)成果與實測邊長數(shù)據(jù)進行比較，較差成果統(tǒng)計，見表1。

表1 聯(lián)合平差后平距與實測平距互差統(tǒng)計表

Tab.1 Statistical table for difference between measured and combined adjustment horizontal distances

邊長較差個數(shù)百分比/(%)Δ≤1mm2251mm<Δ≤2mm2252mm<Δ≤3mm112．53mm<Δ≤4mm112．54mm<Δ≤5mm225

從表1可以看出，聯(lián)合網(wǎng)成果與邊長外業(yè)觀測成果差異較小，說明GPS聯(lián)合網(wǎng)成果精度較高、質(zhì)量可靠。邊長丈量方向示意圖，見圖2。

圖2 邊長丈量方向示意圖Fig.2 Diagram of side measured direction

6 結(jié)論

本文介紹了在湖底隧道施工測量工程中，二等GPS平面控制網(wǎng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法，提出了在控制網(wǎng)跨度大、工程現(xiàn)場地質(zhì)情況復(fù)雜的情況下，湖底隧道平面控制網(wǎng)的布設(shè)觀測方案和實施方法即“一點一方向法”。通過具體實例驗證了該方法的可行性和有效性，為湖底隧道測量控制網(wǎng)的建立提供參考。

[1] 張正祿，鄧勇，羅長林，等.測量控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的可靠性準(zhǔn)則法[J].測繪科學(xué)，2008，33(2)：23-24.

[2] 馮林剛.GPS測量控制網(wǎng)納入獨立坐標(biāo)系的方法[J].地礦測繪，2000(3)：6-8.

[3] 龔率，劉曉華，黃志偉，等.基于GPS網(wǎng)“一點一方向”平差的變形監(jiān)測建網(wǎng)研究[J].工程勘察，2015，43(1)：89-92.

Design and Implementation of Surveying Control Networkfor Crossing Lake Tunnel

DU Xiao-fang1，YANG Zhao-long2

(1.GuangdongNo.3WaterConservancyandHydro-electricEngineeringBoardCo.，LTD.，DongguanGuangdong523710，China； 2.JiangsuInstituteofSurveyingandMappingofGeology，NanjingJiangsu211102，China)

This paper introduces the method to establish plan control network of crossing lake tunnel survey project using the “one point one direction” method.The feasibility and effectiveness of the proposed method has been verified by an actual project.Also，it provides some references for the establishment of plan control network in the similar projects.

GPS；tunnel survey；plan control network；adjustment calculation

2017-03-29

P 258； U 452.1+3

A

1007-9394(2017)02-0008-02

杜笑芳(1965～)，男，遼寧遼陽人，工程師，現(xiàn)主要從事工程測量應(yīng)用方面的工作。