長距離跨海地鐵隧道高精度空間基準(zhǔn)建立及探討

王智，劉寶華，張洪德，胡玉祥，孟慶年

(青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032)

長距離跨海地鐵隧道高精度空間基準(zhǔn)建立及探討

王智*，劉寶華，張洪德，胡玉祥，孟慶年

(青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032)

青島地鐵1號線是國內(nèi)首條跨海地鐵線路，全長 59.9 km，其中過海隧道區(qū)間長達(dá) 8.1 km。為充分保證與已建及規(guī)劃中的地鐵線路銜接，提出以QDCORS作為GNSS控制網(wǎng)的起算基準(zhǔn)，將Gamit與LGO兩種軟件解算的基線分別定權(quán)，改進(jìn)了平差算法，優(yōu)化精密導(dǎo)線網(wǎng)布設(shè)方案，保證地面有兩個起算方向傳入地下，并將測量機(jī)器人用于導(dǎo)線外業(yè)觀測，利用VC6.0開發(fā)平臺研發(fā)邊長改化軟件，實(shí)現(xiàn)邊長改正自動化批量處理。

CORS；GNSS控制網(wǎng)；基線解算；定權(quán)平差

1 引 言

青島地鐵1號線全長 59.9 km，其中下穿膠州灣過海隧道區(qū)間長達(dá)8.1 km，是連接青島西海岸國家級新區(qū)與青島主城區(qū)的南北向重要軌道交通走廊。線路進(jìn)入海域段施工后，施工作業(yè)面以千分之五的坡度進(jìn)入海底，整個海域段離海平面最深處大約 85 m，共穿越18條地質(zhì)斷裂帶。作為目前國內(nèi)第一條地鐵過海隧道，建立高精度空間基準(zhǔn)，保證隧道放樣、開挖方向與設(shè)計線路精確重合，確保過海段兩側(cè)對向開挖精確貫通，成為長距離過海段施工關(guān)鍵性控制因素。

為保證長距離跨海地鐵隧道精準(zhǔn)貫通，需建立高精度的空間基準(zhǔn)，為整個工程施工提供可靠的測量起算數(shù)據(jù)。其中高精度的GNSS控制網(wǎng)以及精密導(dǎo)線網(wǎng)是確保精確貫通的關(guān)鍵因素，為了與其他地鐵線路的空間基準(zhǔn)保持一致，GNSS控制網(wǎng)以青島市連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站(QDCORS)作為起算[1]，考慮到CORS站點(diǎn)距離測區(qū)較遠(yuǎn)，為了提高與CORS站相連的長基線解算精度，選取GNSS控制網(wǎng)中的部分點(diǎn)位與CORS站點(diǎn)組成框架網(wǎng)進(jìn)行長時間觀測，并采用高精度解算軟件Gamit進(jìn)行長基線處理，短基線采用LGO進(jìn)行解算，為解決兩種軟件解算基線精度相差較大造成精度不均勻，對其分別定權(quán)進(jìn)行平差。精密導(dǎo)線網(wǎng)采用高精度測量機(jī)器人TS50進(jìn)行作業(yè)，并優(yōu)化導(dǎo)線布設(shè)方案，保證地面有兩個定向邊引入地下，并研發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)線邊長改化自動化批量處理。

2 高精度GNSS控制網(wǎng)及算法改進(jìn)

2.1 CORS在GNSS控制網(wǎng)的應(yīng)用

連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS)是空間大地測量技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種高新技術(shù)深度結(jié)合的產(chǎn)物[2]。2006年，青島市建成了山東省第一個衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)(QDCORS)。該系統(tǒng)是一個高標(biāo)準(zhǔn)、高精度、多功能的GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)系統(tǒng)[3]。

地鐵1號線與2號線、3號線、4號線、8號線等多條線路銜接換乘，為了與這些銜接地鐵線路的保持空間基準(zhǔn)的一致性，本項(xiàng)目采用QDCORS作為地鐵1號線高精度GNSS控制網(wǎng)的起算基準(zhǔn)，充分保證青島市所有地鐵線路空間基準(zhǔn)的一致性，考慮到各個CORS站點(diǎn)距離測區(qū)相距較遠(yuǎn)，一般為十幾千米至幾十千米，為了提高長基線解算精度，選取地鐵1號線GNSS控制網(wǎng)中的若干個點(diǎn)與起算CORS站點(diǎn)組成框架網(wǎng)，如圖1所示，進(jìn)行長時間觀測，觀測時間為 4 h，其余時段觀測 1.5 h，作業(yè)時采用徠卡GS14高精度雙頻GNSS接收機(jī)，其靜態(tài)后處理定位精度為：平面 3 mm+0.3 ppm，高程 5 mm +0.3 ppm，采用的觀測參數(shù)如表1所示：

圖1 地鐵1號線GNSS框架網(wǎng)圖

GNSS外業(yè)觀測技術(shù)參數(shù) 表1

外業(yè)觀測共54個時段，平均重復(fù)設(shè)站數(shù)為3.5，滿足規(guī)范要求。

2.2基線精化及定權(quán)平差

為了提高與CORS站相連接長基線的解算精度，框架網(wǎng)采用專業(yè)高精度軟件Gamit進(jìn)行解算，其余短基線采用徠卡隨機(jī)軟件LGO進(jìn)行解算。采用Gamit進(jìn)行長基線處理時，首先對外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的齊全性進(jìn)行檢查與整理，同時使用Teqc軟件對整理好的數(shù)據(jù)做觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。下載數(shù)據(jù)處理所使用的廣播星歷、精密星歷以及表文件。采用LGO進(jìn)行短基線處理時，應(yīng)對導(dǎo)入文件的點(diǎn)名、天線類型、量高方式等進(jìn)行檢查確認(rèn)，相關(guān)設(shè)置選擇默認(rèn)參數(shù)。

基線經(jīng)重復(fù)基線、同步環(huán)及異步環(huán)閉合差檢驗(yàn)，檢驗(yàn)不合格或者基線解算精度較差時進(jìn)行基線精化處理，主要精化處理方法如下：

外業(yè)觀測時通過手簿或測前在軟件中將衛(wèi)星截止高度角設(shè)置成15°，以降低電離層與對流層的干擾，采用相關(guān)優(yōu)化模型對對流層和電離層延遲進(jìn)行改正[4]；基線解算時，以青島市連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站作為起算點(diǎn)[5]；屏蔽衛(wèi)星觀測時間太短的數(shù)據(jù)，使之不參與基線解算，以確保解算基線的質(zhì)量；通過減小編輯因子來刪除殘差較大的觀測值，以此來減小多路徑效應(yīng)，或者通過刪除多路徑效應(yīng)嚴(yán)重的時間段或衛(wèi)星的方法[6]；

由于Gamit和LGO兩種軟件解算基線精度相差約1萬倍，將兩種不同精度的基線進(jìn)行合并平差前，通過科傻平差軟件對其分別定權(quán)，Gamit解算基線和LGO解算基線的權(quán)值分別設(shè)置成10000和1，再合并成一個文件進(jìn)行平差計算。平差前，在青島當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下，對擬采用的CORS站起算點(diǎn)進(jìn)行兼容性檢查分析，并結(jié)合點(diǎn)位分布情況，選用兼容性好的點(diǎn)位作為二維約束平差的起算數(shù)據(jù)，合并后再進(jìn)行平差計算，數(shù)據(jù)解算流程如圖2所示。

GNSS控制網(wǎng)最終各項(xiàng)精度指標(biāo)如表2所示，根據(jù)二維約束平差后的結(jié)果對GNSS控制網(wǎng)做出精度評定。

在青島當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下，二平差后最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為 0.49 cm，小于規(guī)范要求的 1.2 cm，最弱邊相對中誤差為1/269000，小于規(guī)范要求的1/100000，與聯(lián)測的11個現(xiàn)有城市高等級控制點(diǎn)的坐標(biāo)較差最大值為 38.4 mm，小于規(guī)范要求的 50 mm，與2號線、3號線等銜接工程控制網(wǎng)重合點(diǎn)坐標(biāo)較差最大為 10.8 mm，小于規(guī)范要求的 25 mm，通過上述精度分析表明，GNSS控制網(wǎng)各項(xiàng)精度指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求，甚至遠(yuǎn)高于規(guī)范要求，可作為1號線過海隧道工程測量的測繪基準(zhǔn)。

圖2 數(shù)據(jù)解算流程圖

地鐵衛(wèi)星定位控制網(wǎng)主要技術(shù)指標(biāo) 表2

3 導(dǎo)線網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計及邊長改正自動化處理程序研發(fā)

3.1精密導(dǎo)線網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計及測量機(jī)器人應(yīng)用

為確保1號線長距離過海隧道空間基準(zhǔn)的穩(wěn)定性及可靠性，提高外業(yè)觀測效率，將目前世界上精度最高的測量機(jī)器人徠卡TS50用于空間精密導(dǎo)線測量，并搭載多測回測角軟件，外業(yè)實(shí)現(xiàn)首次人工瞄準(zhǔn)，后續(xù)自動化觀測并存儲數(shù)據(jù)，作業(yè)效率相對于傳統(tǒng)方法提高了4倍～5倍，導(dǎo)線網(wǎng)布設(shè)時綜合考慮了各種因素，使得線路設(shè)計最優(yōu)化，確保過海隧道施工斜井有多個地面起算方向，增加測量檢核條件，作業(yè)流程如圖3所示：

圖3 測量機(jī)器人自動觀測作業(yè)流程

3.2邊長改正自動化處理程序研發(fā)

對外業(yè)觀測完的導(dǎo)線數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，平差前對導(dǎo)線邊長進(jìn)行高程歸化和高斯投影改化，其中歸化到城市軌道交通線路測區(qū)平均高程面上測距邊長度，按下式計算：

Ra—參考橢球體在測距邊方向法截弧的曲率半徑(m)；

Hp—投影面高程；

Hm—測距邊兩端的平均高程。

測距邊在高斯投影面上的長度，按下式計算：

式中：Ym—測距邊兩端點(diǎn)的橫坐標(biāo)的平均值(m)

Rm—測距邊中點(diǎn)的平均曲率半徑(m)

△Y—測距邊兩端點(diǎn)近似橫坐標(biāo)的增量(m)

根據(jù)上述公式采用VC6.0開發(fā)平臺研發(fā)導(dǎo)線邊長自動改化程序，實(shí)現(xiàn)批量化自動處理，在程序中依次打開導(dǎo)線點(diǎn)的近似三維坐標(biāo)和未改化的科傻平差文件，自動生成改化后的科傻平差文件，軟件界面及結(jié)果文件如圖4所示：

圖4 導(dǎo)線邊長改正自動化批量處理程序

通過該研發(fā)程序的應(yīng)用，極大地提高了內(nèi)業(yè)解算效率，避免了人工解算出錯，保證了過海隧道空間基準(zhǔn)解算成果的可靠性。

4 總 結(jié)

(1)用CORS作為過海隧道空間基準(zhǔn)的起算數(shù)據(jù)，可以有效保證各條地鐵線路空間基準(zhǔn)的統(tǒng)一性，避免交叉線路控制點(diǎn)成果不一致帶來的施工矛盾。

(2)過海隧道區(qū)域控制點(diǎn)距離CORS站較遠(yuǎn)，對形成的骨架網(wǎng)應(yīng)長時間進(jìn)行觀測，以提高長基線解算質(zhì)量，為解決Gamit解算的長基線與LGO解算的短基線精度相差較大的問題，對其進(jìn)行分別定權(quán)平差。

(3)對過海隧道地面精密導(dǎo)線網(wǎng)需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，保證有多個起算方向傳遞到地下，外業(yè)采用測量機(jī)器人并搭載多測回測角軟件，可大大提高外業(yè)外測效率，針對導(dǎo)線邊長高斯投影改化和高程規(guī)化研發(fā)自動化批量處理軟件，可節(jié)省數(shù)據(jù)處理時間，并避免內(nèi)業(yè)計算出錯。

[1] 王智. 地鐵盾構(gòu)姿態(tài)自動測量系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)測量與國土信息工程系，2011.

[2] 王智，趙亞波. QDCORS在青島地鐵控制網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J]. 城市勘測，2016(4)：106～109.

[3] 孫曉麗，李效超，王智. 地鐵盾構(gòu)隧道軸線測量及糾偏曲線設(shè)計[J]. 城市勘測，2014(2)：138～140.

[4] 戴吾蛟，丁曉利，朱建軍. GPS動態(tài)變形測量中的多路徑效應(yīng)特征研究[J]. 大地測量與地球動力學(xué)，2008，28(1)：65～71.

[5] 張雙成，張鵬飛，范朋飛. GPS對流層改正模型的最新進(jìn)展及對比分析[J]. 大地測量與地球動力學(xué)，2012，32(2)：91～95.

[6] 邵成立，王智. 基于C#的空間任意角度直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 城市勘測，2012(4)：146～148.

EstablishmentandDiscussionofHighPrecisionSpatialDatumforLongDistanceSeaCrossingMetroTunnel

Wang Zhi，Liu Baohua，Zhang Hongde，Hu Yuxiang，Meng Qinnian

(Qingdao Surveying and Mapping Research Institute，Qingdao 266032，China)

Qingdao Metro Line 1 is China’s first cross sea subway lines，a total length of 59.9 kilometers，the sea tunnel length of 8.1 km. In order to fully guarantee the cohesion with built and planning subway lines，put forward using QDCORS as the Metro Line 1 GNSS benchmark control network. Using GAMIT and LGO two software to calculate the baseline and weighted adjustment. Improving adjustment algorithm，optimization of precision wire layout，ensure the floor has two from the direction of incoming underground，and measuring robot for wire field observation，using the VC6.0 platform to develop length correction software，realize the change and elevation naturalization automated batch processing of Gauss projection.

CORS；GNSS control network；baseline calculating；weighted adjustment

1672-8262(2017)05-26-03

P228，P258

A

2017—07—11

王智(1986—)，男，碩士，工程師，注冊測繪師，研究方向：精密工程測量和工業(yè)測量。

本論文獲得2017年“華正杯”城市勘測優(yōu)秀論文二等獎。