GPS沉降變形監(jiān)測技術(shù)在工程實際中的應(yīng)用研究

吳昊旭　程鵬　宋爽

摘 要:本文基于筆者多年從事變形監(jiān)測的相關(guān)工作經(jīng)驗,以基于GPS的沉降變形監(jiān)測技術(shù)為研究對象,探討了其在某高速公路沉降變形監(jiān)測中的應(yīng)用思路,全文是筆者長期實踐基礎(chǔ)上的理論升華,相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞:GPS沉降變形監(jiān)測公路

中圖分類號:P2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0044-02

1工程概述

某高速公路全線采用雙向四車道全封閉高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),設(shè)計行車時速100～120km/h。本人選取其中10km作為GPS沉降變形監(jiān)測的工程項目,所處地形為平原和丘陵連接地帶,設(shè)計路基寬度26m。路線設(shè)計為四車道該段有11個各種系統(tǒng)的平面控制點,經(jīng)過實地尋找,找出了5個。在已找出的5個控制點中,國家測繪局系統(tǒng)一等點2個,二等點1個,城市測量系統(tǒng)點2個,這些平面控制點分屬不同測量系統(tǒng),且等級不同。2010年9月,本人對其中 10km路段進行了測定,采用了GPS技術(shù)進行高程測量,并與用二等水準(zhǔn)測量的高程數(shù)據(jù)進行比較和分析,在測量過程中有意識對GPS的高程進行了檢驗。

2 工程實施過程

(1)觀測使用AshtechZ-X雙頻GPS接收機5臺,二等水準(zhǔn)采用NAZ+GPM3型水準(zhǔn)儀。并對兩種方法測量的成果進行分析,同時用全站儀檢驗了GPS點的坐標(biāo)。(2)GPS網(wǎng)采用靜態(tài)模式觀測,網(wǎng)形采用邊連式。觀測時最少衛(wèi)星數(shù)5顆,存儲的限差:水平為±5mm,垂直為±10mm；水準(zhǔn)測量參照二等水準(zhǔn)的精度指標(biāo)。(3)在測區(qū)內(nèi)l0km范圍內(nèi)有GPS基準(zhǔn)點7個,布設(shè)14個變形監(jiān)測點,每個點監(jiān)測1h～2h。

3精度分析

3.1 測區(qū)GPS沉降變形監(jiān)測網(wǎng)的精度分析

下面結(jié)合某高速公路的其中10km路段的變形監(jiān)測網(wǎng),對GPS基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測網(wǎng)的精度進行分析,該路段沉降變形監(jiān)測網(wǎng),由7個基準(zhǔn)點(JZ03、JZ06、JZ08、JZ09、JZ10、JZ18和JZ21)組成了GPS基準(zhǔn)網(wǎng)；由14個監(jiān)測點(BJ01、BJ02、BJ04、BJ05、BJ07、BJ11、BJ12、BJ13、BJ14、BJ15、BJ16、BJ17、BJ19、BJ20)組成了GPS監(jiān)測網(wǎng)。通過長時間的精密水準(zhǔn)觀測和基準(zhǔn)分析,認(rèn)定JGO3點是穩(wěn)定的,把JZO3作為基準(zhǔn)起算點,解算整個GPS網(wǎng),GPS沉降變形監(jiān)測網(wǎng)采用邊連接形式布設(shè)。

表1給出了GPS基準(zhǔn)網(wǎng)基線解算的邊長中誤差。從表1中可以看出,GPS基準(zhǔn)網(wǎng)的基線解算精度達(dá)到了毫米級。最大的基線邊長中誤差為5.7mm,最小的基線邊長中誤差為0.lmm。GPS基準(zhǔn)網(wǎng)是在WGS－84坐標(biāo)系下進行整體平差。平差時,固定具有精密WGS－84坐標(biāo)的JG03點,以提高整個基準(zhǔn)網(wǎng)的位置精度。平差后獲得其它基準(zhǔn)點在WGS－84坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)和高斯平面直角坐標(biāo)及相關(guān)精度信息。監(jiān)測網(wǎng)的平差也在WGS－84坐標(biāo)系下進行。經(jīng)過平差后獲得監(jiān)測點在WGS－84坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)及相關(guān)的精度信息；然后固定JGO3點和方向,在WGS－84坐標(biāo)系的高斯平面上進行平差。平差后獲得變形監(jiān)測點的高斯平面直角坐標(biāo)、監(jiān)測點間的平面邊長及其相關(guān)信息。

從GPS基準(zhǔn)點和變形監(jiān)測點的中誤差統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn),高程分量的精度雖然不如南北和東西方向分量的精度,但也沒有超過6mm的,除了個別點因為周圍觀測條件的影響(特別是多路徑效應(yīng)的影響)以及城區(qū)觀測環(huán)境的因素外,大多數(shù)都在4mm左右,是可以滿足沉降變形監(jiān)測的需要。當(dāng)然,如果在觀測過程中,采取更多的措施,比如,采集數(shù)據(jù)前,精確檢驗每個天線的相位中心位置,特別是垂直方向的差值；觀測時段增加到10h以上,同時擁有更多的同步觀測站點等,精度會更高,也是值得進一步考慮的(如圖2）。

3.2 沉降監(jiān)測及與精密水準(zhǔn)的一致性分析

通過表3比較GPS與全站儀2種方法的測量結(jié)果可以看出:在2種方法下測得的同一坐標(biāo)之差的最大值分別為:△Xmax=4.0mm,△Ymax=5.0mm。因此,GPS測量成果是精確可靠的,從下面定位精度一致性檢驗結(jié)果來看,GPS技術(shù)測量的點位精度可達(dá)毫米級,與全站儀測定結(jié)果符合得較好,可以較好地滿足公路變形監(jiān)測的精度要求。使用GPS測出變形監(jiān)測點的高程,然后將GPS高程與水準(zhǔn)高程進行比較,其比較結(jié)果具有很高的參考價值。

可以得出,GPS高程與水準(zhǔn)高程最大差值不超過5mm。GPS高程能滿足公路變形監(jiān)測的精度要求。GPS的數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明,在水平方向上的監(jiān)測精度能達(dá)到毫米級,在豎直方向上的精也能達(dá)到毫米級。完全符合公路沉降變形監(jiān)測的精度要求。下面表格中的數(shù)據(jù)是從工程實例中抽取具有代表性的公路GPS沉降變形監(jiān)測點,并以此數(shù)據(jù)為例,對數(shù)據(jù)進行分析。

表4中僅列出了五個觀測周期的數(shù)據(jù)進行分析,從中可以看出,不同周期的數(shù)據(jù)有所變化,相鄰觀測周期之間的高程變化不大,到了監(jiān)測后期變化甚小,趨于平穩(wěn)狀態(tài)。也就是說,在公路剛剛進入運營階段,是最容易發(fā)生沉降變形的,因此,剛剛投入使用的公路,前期的維護和保養(yǎng)是相當(dāng)關(guān)鍵的。

在此基礎(chǔ)上,筆者選擇工程中的部分變形監(jiān)測點,繪制在公路使用過程中的高程變化趨勢圖。由于選取的變形監(jiān)測點是隨機的,因此,該圖形可以代表該高速公路的其中10km路段的整體變化情況,可以清楚的看到,在公路使用前期,監(jiān)測點隨時間呈下沉趨勢,而且下沉比較明顯。到了沉降監(jiān)測后期,由于前期在沉降變形過程中,對公路進行了科學(xué)的維護和保養(yǎng),路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,強度較高,在后期的運營過程中,高程變化很小,相鄰觀測周期之間的高差趨于零。也就是說,通過工程實踐,可以認(rèn)定鐵朝高速公路是穩(wěn)定的。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王繼衛(wèi),徐學(xué)輝,劉茂華.GPS在變形觀測中的應(yīng)用[J].江西測繪,2006(4).