GPS 在烏巖山隧道貫通測量中的應用研究

■劉 靜 ■中鐵二十五局西北分公司，陜西 西安 710048

1 工程概況

烏巖山隧道全長6480 米，位于溫嶺市大溪鎮前溪村，隧道工程由中鐵十一局二公司承建，屬大型隧道，且地處山巒起伏、樹木茂盛，地勢變化大，山區多云霧，通視條件差。隧道所在地區山上和進出洞口附近樹林密集、通視條件極差，給隧道外控制和進洞聯系測量帶來一定的困難，洞外控制網若采用常規測量方法建立，不僅難以實現，而且建網效率低、費用高。GPS 全球定位系統由于其具有較高的相對定位精度、控制點間無須通視、在隧道施工控制中只需在洞口處及其附近布點和建網速度快、效率高等優點，在隧道施工洞外測量控制中已被普遍應用。

2 GPS 作業基本要求

2.1 測量儀器

GPS 靜態測量使用美國Trimble 5700 型雙頻GPS 接收機2 臺和Trimble 4600 型3 臺共5 臺套，GPS 接收機標稱精度均為0.5 +1ppm ×D，滿足規范規定的精度要求。

2.2 GPS 測量作業依據

(1)《新建鐵路工程測量規范》(TB10101—99);(2)《全球定位系統(GPS)鐵路測量規程》(TB10054—97);(3)已有的相關資料，平面圖、交樁資料、現場找到的線路控制樁橛。

2.3 GPS 網等級選擇

烏巖山隧道其橫向貫通誤差限差為150mm，高程貫通誤差限差為50mm，。而其它隧道長度均小于4000 米，橫向貫通誤差限差為100mm，高程貫通誤差限差為50mm。按照新鐵路測量規范的要求，采用C 級GPS 網。

2.4 GPS 網型設計

限于山區地形條件限制，GPS 控制點布設較為困難，要滿足諸如:便于安置儀器和操作，周圍視野開闊，便于通視，對通視能見良好，高度角15 度以上不得有成片障礙物阻擋衛星信號，遠離高壓輸電線，其限距不小于50 米等。故每個洞口附近GPS 子網分別布設四個GPS 控制。

2.5 作業要求

(1)各級GPS 網點位應均勻分布，相鄰點間距離最大不宜超過該區域平均點間距的2 倍。(2)布設的GPS 網應與附近的已有的國家高等級控制點進行聯測，聯測點數不應少于3 點。(3)C 級網點高程按三等水準測量或與其精度相同當的方法進行高程聯測。

2.6 GPS 測量觀測要求

GPS 接收機的儀器高應量至毫米，開機前量測1 次，關機后量測1次，共量測2 次，且量測互差不大于3mm，可取平均值作為最后結果。

2.7 GPS 測量數據處理要求

GPS 數據處理是一項非常重要的工作，關系到坐標成果質量的好壞，必須認真對待。復測基線的長度較差，兩兩比較應滿足下式的規定:

式中:σ—相應級別規定的精度(按實際平均邊長計算)。

獨立閉合環或附合路線坐標閉合差應滿足:

式中:n—閉合環邊數;

σ—相應級別規定的精度(按實際平均邊長計算)

在基線向量檢核符合要求后，以三維基線向量及其相應方差—協方差陣作為觀測信息，以一個點的WGS84 三維坐標作為起算依據，進行網的無約束平差。無約束平差須提供各點在WGS84 系下的三維坐標、各基線向量及其改正數和其精度信息。無約束平差中，基線分量的改正數絕對值應滿足下式:

否則，認為該基線或其附近的基線存在粗差，應在平差中采用軟件提供的自動方法或人工方法剔除，直至上式滿足。但數據剔除率不應大于10%。

利用無約束平差后的可靠觀測量，進行二維約束平差。平差中，對已知點坐標、已知距離和已知方位，可以強制約束，也可加權約束。平差結果應輸出在相應坐標系中的三維或二維坐標、基線向量改正數、基線邊長、方位、轉換參數及其相應的精度信息。約束平差中，基線分量的改正數與經過粗差剔除后的無約束平差結果的同一基線相應改正數較差的絕對值應滿足下式:

否則，認為作為約束的已知坐標、已知距離、已知方位中存在一些誤差較大的值應采用自動或人工的方法剔除這些誤差較大的約束值，直至上式滿足。但約束點不能少于3 個，且應分布均勻。

3 GPS 數據處理

3.1 數據處理

(1)GPS 數據處理軟件采用LEICA 公司的LGO 軟件，BLxy 和GPSTranse 坐標轉換軟件。(2)基線計算采用雙差相位觀測值作為起算值的衛星坐標一般由廣播星歷確定。(3)GPS 測量平差采用WGS-84 大地坐標系，投影基準面采用隧道進出口高程的平均高程面。投影方法采用橫軸墨卡托投影，即采用直接投影法計算施工坐標，它是以工程橢球為參考橢球，將GPS 網平差結果直接投影至工程橢球相切的高斯平面上(注:平面的高程與工程平均高程相等)，進行施工坐標計算的。工程橢球的球心和扁率與WGS84 參考橢球相同，即a84=6378137，扁率e=298.257223563，工程測區中心的卯酉圈曲率半徑

平差時采用兩次測量的原始收據統一平差的方案，以獲得同等精度的GPS 平差結果。

3.2 數據處理及對比

3.2.1 采用LGO 軟件處理原有數據

(1)打開LEICA Geo Office，建立新的工程。(2)菜單欄點擊輸入-＞輸入原始數據，將原始的烏巖山隧道控制網GPS 數據導入。(3)選擇GPS 處理，點擊右鍵—＞處理模式，選擇自動。點擊界面上方的全部選擇，然后右鍵選擇處理。(4)將處理后的結果全選，然后點擊右鍵選擇存儲。選擇界面下方網平差標簽，點擊進行平差。(5)點擊結果，選擇報告，輸出處理總結。(6)點擊結果，右鍵選擇結果—＞網，輸出網平差結果。在結果界面右鍵選擇計算閉合環，然后右鍵選擇結果-＞閉合環，輸出閉合環及閉合差處理報告。

3.2.2 將已知數據轉為3 度帶高斯坐標

(1)將已知坐標數據經計算得出中央午線為121°14＇38.26″，測區平均緯度為28°24＇36.98″，投影面大地高為60.6612m，參考橢球為WGS-84，將得到的數據按要求輸入BLxy 軟件。(2)輸出結果得到3度帶高斯坐標。將已知數據中的其中兩點假設為已知點，使用GPSTranse 軟件，求出轉換參數。然后將高斯坐標輸入“待轉換GPS 坐標”框，經坐標轉換得到轉換后的地方坐標。(3)將生成的地方坐標與原數據烏巖山隧道GPS 控制網成果進行對比。

表1 大壩工程混凝土配合比

比較可知，經計算所得X 坐標與Y 坐標，與原坐標的誤差大部分小于1cm，達到毫米級精度。

4 結束語

通過實際應用中GPS 的精度分析，我認為GPS 網布設方案科學，平差精度優異，無論同步環，異步環、三維無約束平差、約束平差、邊長觀測的精度都優于規范的規定。由此得知GPS 隧道控制網能滿足隧道貫通精度的要求。但是，GPS 在隧道貫通中相關問題的研究中，關于GPS 隧道貫通控制網形的設計、GPS 高程精度的提高、GPS 數據內業分析與處理、GPS 成果對貫通誤差的影響以及其數據可靠性保障等方面，仍有探討的空間和研究的必要。

［1］邢庭松.GPS 在隧道工程測量中的應用.隧道建設，2001，12.

［2］張項鐸，陳新煥，路伯祥.GPS 在隧道控制測量應用中幾個問題探討，1997.

［3］楊國興.GPS 應用于布測長大隧道控制網的研究.科技創新導報，2009.

［4］李貴兵.隧道工程施工中GPS 測量技術的應用探討.中國新技術新產品，2010.