引紅濟(jì)石調(diào)水工程施工控制網(wǎng)測(cè)量方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐

張 博

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

引紅濟(jì)石調(diào)水工程施工控制網(wǎng)測(cè)量方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐

張 博

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

為保證引紅濟(jì)石調(diào)水工程順利實(shí)施,需進(jìn)行地面施工控制網(wǎng)的布設(shè)和測(cè)量。結(jié)合工程實(shí)際，提出施工控制測(cè)量方案，依據(jù)行業(yè)規(guī)范確定精度要求,按照儀器標(biāo)稱精度和觀測(cè)條件確定先驗(yàn)權(quán)，運(yùn)用公式進(jìn)行精度估算，確定觀測(cè)方案并實(shí)施，將由平差坐標(biāo)反算的邊長(zhǎng)、夾角和邊角網(wǎng)實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)、夾角進(jìn)行比較,數(shù)據(jù)吻合良好。證明該工程施工控制網(wǎng)精度可靠,足以保證建筑物施工放樣和長(zhǎng)距離輸水隧洞的貫通。

精度估算；施工控制測(cè)量；數(shù)據(jù)處理和分析

為補(bǔ)充渭河流域關(guān)中區(qū)的水資源短缺,緩解日益嚴(yán)峻的城市工業(yè)生產(chǎn)、居民生活、農(nóng)業(yè)生態(tài)供水矛盾,在紅巖河上修建一座高7 m，長(zhǎng)78 m的低水壩抬高水位,再通過556 m的暗渠和長(zhǎng)度為19.76 km、洞徑為3 m的特長(zhǎng)引水隧洞穿越秦嶺將紅巖河水引入石頭河水庫上游。為保證工程順利實(shí)施,需進(jìn)行地面施工控制網(wǎng)的布設(shè)和測(cè)量。

1 施工控制網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

引紅濟(jì)石調(diào)水工程跨度大、距離長(zhǎng)，區(qū)域內(nèi)崇山峻嶺、森林密布，地質(zhì)、地形條件復(fù)雜。布網(wǎng)時(shí)要全面控制、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、整體實(shí)施的原則下選擇可靠、經(jīng)濟(jì)、高精度的最優(yōu)方案。

（1）在19.7 km的隧洞段選埋控制點(diǎn)時(shí),應(yīng)考慮貫通精度和點(diǎn)位要求,便于施工單位布設(shè)洞內(nèi)導(dǎo)線。

（2）選擇施工系統(tǒng)時(shí)應(yīng)便于設(shè)計(jì)坐標(biāo)到施工放樣的銜接,并應(yīng)使坐標(biāo)反算邊長(zhǎng)、角度與實(shí)地接近以保證施工放樣的精度要求。

隧洞控制測(cè)量分為高程控制測(cè)量和平面控制測(cè)量,它們的誤差會(huì)對(duì)隧洞貫通產(chǎn)生豎向、橫向和縱向誤差。縱向誤差對(duì)工程影響不大基本不予考慮,豎向誤差可以用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量方法解決,所以隧洞的貫通誤差主要體現(xiàn)在橫向誤差。

施工平面控制網(wǎng)設(shè)計(jì)的依據(jù)是橫向貫通誤差分配給洞外控制網(wǎng)測(cè)量對(duì)橫向貫通誤差的限差。

1.2 隧洞貫通精度指標(biāo)

根據(jù)工程初步設(shè)計(jì)方案,隧洞共有四個(gè)工作面,只在K7+639（折點(diǎn)）處布設(shè)施工支洞,相向開挖長(zhǎng)度(含支洞)為13 km。根據(jù)規(guī)范規(guī)定,各項(xiàng)中誤差的分配值見表1[1]。

表1 貫通中誤差分配值

1.3 洞外平面控制橫向貫通中誤差估算

規(guī)范規(guī)定:大型水利水電工程,施工平面控制網(wǎng)等級(jí)宜選擇為二等。網(wǎng)中最弱點(diǎn)位允許中誤差為±5 mm[1]。

GPS網(wǎng)不受網(wǎng)形、地面通視條件的限制,施工平面控制采用GPS網(wǎng)。

GPS控制網(wǎng)的精度估算按公式(1)、公式（2）和公式（3）進(jìn)行。假如使用5 mm+1 ppmGPS接收機(jī)觀測(cè)，GPS網(wǎng)一端點(diǎn)相對(duì)另一端點(diǎn)的縱、橫向中誤差分別為[2]:

其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位中誤差為:

用式（1）、式（2）和式（3）（D=19700 m，ρ=206265)估算出的GPS控制網(wǎng)縱、橫向中誤差和點(diǎn)位中誤差分別為，24.7、14.3、28.5 mm。可見橫向中誤差m橫=14.3 mm＜±44 mm。根據(jù)隧洞進(jìn)、出口長(zhǎng)度計(jì)算出隧洞進(jìn)出口邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差應(yīng)滿足m/D=44/19700000≈1/450000。即要求二等GPS網(wǎng)平差后的進(jìn)、出口方向邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差≤1/450000，最弱點(diǎn)中誤差≤±5 mm。

1.4 洞內(nèi)導(dǎo)線橫向貫通中誤差估算

規(guī)范規(guī)定:地下控制采用二等或三等基本導(dǎo)線進(jìn)行。精度估算按公式（4）進(jìn)行:

式中：ms為測(cè)距儀測(cè)距中誤差；mβ為測(cè)角中誤差；n為導(dǎo)線邊數(shù)；ρ為常數(shù)(2062650)；L 為導(dǎo)線長(zhǎng)度[1]。

若取 ms=3 mm，mβ=1.00，n=（6500÷300）≈22，L=6500 m（單向開挖長(zhǎng)度），計(jì)算出MB=±89.3 mm＜110 mm。

即要求：洞內(nèi)導(dǎo)線按二等精度進(jìn)行，平均邊長(zhǎng)≥300 m，測(cè)距中誤差≤3 mm，測(cè)角中誤差≤10。

1.5 豎向貫通誤差估算

高程測(cè)量中誤差按下式計(jì)算:

式中，MΔ為每千米高差中數(shù)偶然中誤差,取相應(yīng)等級(jí)參考值(mm)，L 為水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度(km)。

按公式(5)計(jì)算，取 MΔ=3(三等)，L=20，則地面高程測(cè)量中誤差m9h=±13.4 mm；取MΔ=3，L=13，則地下高程測(cè)量中誤差：m9h=±10.8 mm；取 MΔ=5(四等)，L=13，則地下高程測(cè)量中誤差：m9h=±18 mm。

上述數(shù)值均＜27 mm，滿足表1規(guī)定。由此確定,地面高程控制等級(jí)為三等,采用幾何水準(zhǔn)方法施測(cè)。洞內(nèi)高程測(cè)量按四等水準(zhǔn)或同精度光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法進(jìn)行。

2 施工控制網(wǎng)布設(shè)

2.1 平面施工控制網(wǎng)布設(shè)

單純的GPS網(wǎng)難以達(dá)到mm級(jí)的精度,而且GPS測(cè)量在選擇點(diǎn)位時(shí)受衛(wèi)星高度角影響,有其特定局限性。為此,需要在隧洞進(jìn)、出口及支洞口等特征部位用高精度全站儀加測(cè)一定數(shù)量的邊長(zhǎng)和角度構(gòu)成GPS邊角混合網(wǎng)。這樣在選點(diǎn)時(shí)只需對(duì)洞口附近網(wǎng)的圖形、邊長(zhǎng)、通視情況按經(jīng)典邊角網(wǎng)要求選取，其余點(diǎn)位均可靈活選建,就減少了清障、森林砍伐的工作量。

選擇GPS網(wǎng)點(diǎn)要求如下：①點(diǎn)位應(yīng)選在通視良好、視線開闊地基穩(wěn)定并能長(zhǎng)期保存的地方。②視線離障礙物不宜小于2 m；應(yīng)避免通過吸熱、散熱不同的地區(qū)，更不應(yīng)該有強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾。③控制點(diǎn)應(yīng)有利于施工放樣及測(cè)設(shè)洞口點(diǎn)。

為了消除對(duì)中誤差的影響,應(yīng)埋設(shè)混凝土觀測(cè)墩并安裝F-1A型強(qiáng)制對(duì)中基座。

根據(jù)工程初步設(shè)計(jì)方案,全網(wǎng)共布設(shè)21個(gè)點(diǎn)。其中G01～G04位于隧洞進(jìn)口處，G08～G12位于1#支洞處，G18～G21位于隧洞出口處，預(yù)設(shè)支洞和通風(fēng)井兩處各布設(shè)3點(diǎn)和4點(diǎn),分別為G05～G07和G15～G17。網(wǎng)型如圖1所示。

圖1 平面施工控制網(wǎng)示意圖

2.2 高程施工控制網(wǎng)布設(shè)

高程控制測(cè)量采用三等水準(zhǔn)方法實(shí)施。全線路共布設(shè)14個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn),分別埋設(shè)在隧洞進(jìn)口及壩址處,1#支洞進(jìn)口和隧洞出口處,對(duì)通風(fēng)井和預(yù)設(shè)的支洞處各布設(shè)一對(duì)水準(zhǔn)點(diǎn)。

高程控制測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單,本文不再贅述,以下主要針對(duì)平面施工控制測(cè)量。

3 平面施工控制測(cè)量

3.1 GPS觀測(cè)

用Ashtech雙頻接收機(jī)按靜態(tài)測(cè)量網(wǎng)要求觀測(cè)。觀測(cè)所用天線統(tǒng)一為扼徑圈天線,減弱了多路徑效應(yīng)的影響。采用6臺(tái)儀器同步環(huán)邊連接的觀測(cè)模式。儀器標(biāo)稱精度為5 mm+1 ppm。

觀測(cè)技術(shù)要求:①衛(wèi)星高度角≥15°；②數(shù)據(jù)記錄方式:壓縮；③采樣間隔：15 s；④連續(xù)同步觀測(cè)時(shí)間:≥4 h⑤PDOP≤6[3]。

3.2 邊角網(wǎng)觀測(cè)

用LeicaTCA2003全站儀對(duì)特征部位按二等平面網(wǎng)要求進(jìn)行角度和邊長(zhǎng)觀測(cè)。PDA外業(yè)記錄（記錄軟件為清華山維專用記錄軟件Elerce）。全站儀標(biāo)稱測(cè)角精度0.5，標(biāo)稱測(cè)距精度1mm+1ppm。

（1）水平角觀測(cè):水平角采用方向觀測(cè)法觀測(cè)9測(cè)回。網(wǎng)中共測(cè)角14個(gè)。

（2）邊長(zhǎng)測(cè)量：天頂距采用中絲法對(duì)向觀測(cè)各6測(cè)回，斜距觀測(cè)往、返測(cè)各4測(cè)回。測(cè)站、鏡站觀測(cè)前后各量取一次氣溫、氣壓,最小讀值分別至0.2℃，50 Pa,并取中值。網(wǎng)中共測(cè)邊28條。

4 GPS混合網(wǎng)數(shù)據(jù)處理及成果分析

4.1 數(shù)據(jù)處理

（1）采用GPS后處理軟件(Ashetech Solutions2.5)進(jìn)行基線解算,采用Power Adj4.0軟件進(jìn)行平差。

（2）GPS網(wǎng)的無約束平差?；€處理結(jié)束后，首先進(jìn)行基線質(zhì)量檢驗(yàn)。檢核結(jié)果如下：①重復(fù)基線最大較差3 mm＜±14.8 mm；②異步環(huán)最大閉合差11.4 mm＜±173 mm；異步環(huán)坐標(biāo)分量最大閉合差 Wx=3.2 mm、Wy=9.1 mm、Wz=6.2 mm,允許值為±27 mm；③同步環(huán)最大閉合差2.1 mm＜±65 mm；同步環(huán)坐標(biāo)分量最大閉合差 Wx=1.5 mm、Wy=1.2 mm、Wz=1.6 mm，允許值為±14.6 mm。

從以上三項(xiàng)檢核可知，本次觀測(cè)所有基線滿足二等GPS網(wǎng)外業(yè)精度要求。

以所有獨(dú)立基線構(gòu)成閉合圖形,所有基線向量及相應(yīng)方差協(xié)方差陣作為觀測(cè)信息；以G02的大地坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù)，進(jìn)行GPS網(wǎng)的無約束平差。平差后最弱點(diǎn)為G09點(diǎn)位中誤差為1.8 mm＜±5 mm，最弱邊G20～G19，邊長(zhǎng)比例誤差為1/1022261＜1/450000。

平差結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許值，表明該平面施工控制網(wǎng)具有良好的內(nèi)部符合精度。

（3）GPS混合網(wǎng)的約束平差。①系統(tǒng)聯(lián)測(cè):對(duì)勘測(cè)設(shè)計(jì)階段留設(shè)的控制點(diǎn)GPS04、GPS05、GPS06，用Leica TCA2003按二等精度進(jìn)行校測(cè)，角度差值為-1.62，邊長(zhǎng)差值為-6.4 mm，小于規(guī)范規(guī)定，證明原有控制點(diǎn)精度可靠。再按二等精度聯(lián)測(cè)出G10-G13方位角和邊長(zhǎng)，并將邊長(zhǎng)投影至1456 m（隧洞進(jìn)出口平均高程），按極坐標(biāo)法計(jì)算出G10、G13的坐標(biāo)。

②電磁波測(cè)距邊的計(jì)算:利用斜距(經(jīng)儀器加、乘常數(shù)、氣象改正后),往、返測(cè)高差中數(shù)及相應(yīng)的儀器高、棱鏡高分別計(jì)算往(返)測(cè)水平距離,較差應(yīng)小于 2（1 mm+1×10-6D）(D 取值至 km),再將往、返測(cè)水平距離取中數(shù)作為實(shí)測(cè)水平距離。

③二維約束平差:選擇G10，G13作為約束點(diǎn)，平差時(shí)將GPS基線與全站儀測(cè)邊結(jié)果合并在一起進(jìn)行整體網(wǎng)間接平差。

平差后最弱點(diǎn)G19點(diǎn)位中誤差為1.3 mm＜±5 mm，最大邊長(zhǎng)比例誤差：1/1194568＜1/450000，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 成果分析

將平差成果反算的角度與邊角網(wǎng)中實(shí)測(cè)的角度進(jìn)行比較(部分)見表 2 (包含最大差值)。

表2 角度比較表(只取尾數(shù))

將平差成果反算邊長(zhǎng)與電磁波測(cè)距邊長(zhǎng)比較 (投影至1456 m)結(jié)果見表3(包含最大差值)。

表3 邊長(zhǎng)比較表(只取尾數(shù))

由上表可知角度和邊長(zhǎng)差值均＜1/3限差。說明地面全站儀的測(cè)量數(shù)據(jù)與成果反算的數(shù)據(jù)吻合很好,從而證明該施工平面控制網(wǎng)具有良好的外部符合精度和較高的作業(yè)質(zhì)量。

5 結(jié)論

（1）控制網(wǎng)內(nèi)加測(cè)地面邊長(zhǎng)有效提高了網(wǎng)的精度,平差后控制網(wǎng)的尺度與施工放樣的尺度一致,滿足施工放樣要求。

（2）GPS混合網(wǎng)平差時(shí)固定高程投影后的電磁波測(cè)距邊長(zhǎng)，在提高控制網(wǎng)精度的同時(shí)可最大程度消除高斯投影和高程投影對(duì)邊長(zhǎng)的影響。

[1]SL52-2015,水利水電施工測(cè)量規(guī)范[S].

[2]白玉春.特長(zhǎng)引水隧洞GPS控制測(cè)量研究與應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2008.10.

[3]GBT18314-2009,全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范[S].

P332.5

B

1673-9000（2017）05-0176-02

2017-04-18

張博(1981-)，男,陜西西安人,工程師,主要從事水電測(cè)繪方面的工作及研究。