隧道工程施工中GPS 測量技術(shù)的應(yīng)用探討

李貴兵

（貴州省有色地質(zhì)勘查局二總隊，貴州 六盤水 553004）

1 GPS隧道控制測量

1.1 工程概況

該隧道是某高速公路的重要工程,它包含兩個隧道,一號和二號,長度分別為1270m 和640m,設(shè)計高度為7.8m。測區(qū)植被覆蓋高、森林茂密。

1.2 布網(wǎng)設(shè)計

在隧道的兩端,各有一個高等級的GPS已知點。G210,G214,為保證施工期間對洞口控制點的穩(wěn)定性進行常規(guī)檢測。進出口各設(shè)了3個GPS 控 制 點 ,GP01、GP02、GP03、GP04、GP05、GP06,其中GP03、GP06 分別是進洞與出洞樁。

1.3 GPS的外業(yè)觀測

實際作業(yè)中采用4臺AshtechZ-Xtreme 接收機按照靜態(tài)測量的方法進行。觀測嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)度計劃,按規(guī)定時間進行同步觀測。在進行GPS觀測時,應(yīng)注意以下幾點。

1.3.1 根據(jù)衛(wèi)星可見性預(yù)報,優(yōu)選最佳觀測時段進行GPS觀測。

1.3.2 天線的對中精度為1mm,標(biāo)志線指北誤差≤±5°,以減弱相位中心偏差的影響。

1.3.3 天線高在觀測時段前后,從3個方向分別量取,誤差≤2mm,采用算術(shù)平均值。

1.3.4 衛(wèi)星高度截止角≥15°,PDOP 值<4,接收衛(wèi)星數(shù)>5。

1.3.5 為確保控制網(wǎng)實測精度,每個時段觀測時間均大于90min。

1.3.6 觀測時,不要在天線附近使用對講機或移動電話,以減少信號干擾。

1.4 GPS測量的數(shù)據(jù)處理與精度分析

在外業(yè)取得了合格的數(shù)據(jù)以后,采用AshtechSo-lutions2.60 英文版軟件進行基線解算及控制網(wǎng)的平差。

1.4.1 基線處理

剔除記錄時間短于10min 及出現(xiàn)周跳部分的衛(wèi)星數(shù)據(jù),進行基線解算:

①同步環(huán)閉合差根據(jù)自行處理后的基線向量結(jié)果,共搜索到17個同步環(huán)。相對誤差最大為2.468×10-6,最小為0.479×10-6,小于允許值5×10-6。

②異步環(huán)閉合差異步環(huán)的檢查至關(guān)重要,是衡量外業(yè)觀測成果和GPS網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要指標(biāo),它反映了GPS測量總體精度。全網(wǎng)共檢查異步環(huán)13個,相對誤差最大為2.873×10-6,最小為 1.438×10-6,小于允許值 5×10-6。

1.4.2 無約束平差

基線解算符合精度要求后調(diào)入基線數(shù)據(jù)。平差時,不輸入已知點進行約束,讓整個控制網(wǎng)在沒有控制點的情況下,在WGS84 系統(tǒng)下進行三維無約束平差。經(jīng)過平差,得到各個向量平差后的相應(yīng)的改正數(shù),改正數(shù)絕對值(V△x,V△y,V△z)應(yīng)滿足下式:

式中σ—相應(yīng)等級基線規(guī)定精度。

在隧道控制網(wǎng)GPS數(shù)據(jù)解算時,無約束平差后各個基線分量中,誤差最大的基線為G210-GP05, 其改正數(shù)絕對值 V△x=0.015、V△y=0.022、V△z=0.017,均小于 3σ=0.165,滿足《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》GB/T18314-2001 中E級要求。

1.4.3 約束平差

在三維無約束平差確定限差均符合規(guī)范要求的基礎(chǔ)上,以測區(qū)已知GPS控制點G210 和G214的坐標(biāo)作為起算坐標(biāo),進行二維約束平差。約束平差后,基線分量的改正數(shù)與同一基線的無約束平差相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對值 (dV△x,dV△y,dV△z)應(yīng)滿足下式:

式中σ—相應(yīng)等級基線規(guī)定精度。在隧道控制網(wǎng)GPS數(shù)據(jù)解算時,約束平差后,基線分量的改正數(shù)與同一基線的無約束平差相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對值誤差最大的基線為GP02-GP06,其改正數(shù)絕對值 V△x=0.047、V△y=0.028、V△z=0.064,均小于2σ=0.524,滿足《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》GB/T18314-2001 中E級要求。

1.4.4 GPS邊長觀測與全站儀邊長觀測的比較

為了檢驗GPS接收機在隧道控制中的精度問題,利用Leica702 型號的全站儀觀測3條邊,將實測邊長與GPS邊長進行比較,結(jié)果如表1。

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從表1 數(shù)據(jù)比較可見GPS邊長觀測與全站儀邊長觀測的數(shù)據(jù)相差很小、精度高,滿足規(guī)范的要求。2條邊GPS觀測的相對誤差為1/158 078、1/207 085,G210～GP05 邊的相對誤差大些。這是因為GP05 周圍反射物較多,衛(wèi)星接收信號沒有G214、GP02 接收信號好,造成長邊反而誤差大的現(xiàn)象,故在選點時要注意選開闊的地方,減小多路徑效應(yīng)對GPS信號接收的影響。

2 GPS隧道控制網(wǎng)選點要求

為確保GPS觀測質(zhì)量,提高工作效率,方便施工測量,隧道GPS控制網(wǎng)選點時應(yīng)注意以下幾點。

2.1 為了后續(xù)施工放樣的檢核和控制點穩(wěn)定性的檢驗,應(yīng)保證每個洞口至少有3個控制點,每個洞口兩相鄰點間的距離保證在300～500m之間,且要相互通視,以便常規(guī)測量儀器的施工放樣。

2.2 由于隧道多位于山區(qū),地面上各點的垂線是不平行的,重力水準(zhǔn)面并不是一個規(guī)則的曲面,法線與垂線不一致,存在一個垂線偏差β。所以控制點位應(yīng)盡量等高、等距布設(shè),以減弱觀測調(diào)焦和垂線偏差對進洞連接角的影響。

2.3 控制點應(yīng)盡量沿隧道軸線布置,控制點埋設(shè)要穩(wěn)固,最好埋設(shè)在基巖上,以便保持長久穩(wěn)定。

2.4 在GPS選點布網(wǎng)時,要注意避免反射現(xiàn)象,如池塘、河道、沙灘、山谷等地形都能構(gòu)成反射現(xiàn)象。采取提高天線高度和其他防止措施,同時也要注意高電磁物體的影響,盡量遠離高電磁物體以減小電磁波對GPS接收信號的干擾。

3 GPS控制網(wǎng)網(wǎng)型設(shè)計

3.1 隧道GPS網(wǎng)一般應(yīng)通過獨立基線構(gòu)成閉合圖形,所有控制點均由同步環(huán)或異步環(huán)相聯(lián),并組成空間三角形和空間大地四邊形以加強網(wǎng)的幾何結(jié)構(gòu)強度。網(wǎng)中不應(yīng)存在自由基線(自由基線不具備發(fā)現(xiàn)粗差的能力),某一閉合條件中的基線數(shù)不可過多,避免導(dǎo)致各邊粗差在求閉合差時相互抵消,不能起到發(fā)現(xiàn)粗差的作用。

3.2 網(wǎng)中各點最好至少應(yīng)通過3條獨立基線,以保證檢核條件,提高網(wǎng)的可靠性,使網(wǎng)的精度、可靠性較均勻。每個控制點應(yīng)獨立觀測至少兩個時段。

3.3 在GPS網(wǎng)的觀測方案設(shè)計中,應(yīng)考慮最佳觀測時段,考慮到同時能接收5顆以上衛(wèi)星的信號的觀測時段。衡量觀測時段好壞的標(biāo)準(zhǔn)是精度衰減因子(DOP)值,對于靜態(tài)定位來說主要是幾何精度衰減因子GDOP的大小,GDOP 值一般應(yīng)小于4,應(yīng)避免在某一時段出現(xiàn)GDOP 陡然變化的情況。

4 結(jié)束語

通過使用GPS和對該網(wǎng)的精度分析,我們認(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、邊長觀測的精度都優(yōu)于規(guī)范的規(guī)定。隧道貫通后,估算與實測貫通相差7mm,從而進一步證明了GPS隧道測量的可信度。由此得知GPS隧道控制網(wǎng)能滿足隧道貫通精度的要求。

[1]徐昭銓,張華海,楊志強等，GPS測量原理及應(yīng)用[M].

[2]關(guān)寶樹，隧道工程施工要點集，人民交通出版社.