淺談GPS特長隧道高精度施工控制網(wǎng)的建立

■李仕春

（浙江省隧道工程公司浙江杭州310030）

淺談GPS特長隧道高精度施工控制網(wǎng)的建立

■李仕春

（浙江省隧道工程公司浙江杭州310030）

本文就GPS特長隧道高精度施工控制網(wǎng)的建立展開研究，首先提出控制網(wǎng)的設(shè)計方案以及施工測量要求，然后進(jìn)行相關(guān)李例子的介紹，對今后相關(guān)工程的建設(shè)具有重要的參考價值。

GPS 特長隧道 高精度 施工控制網(wǎng)

0　前言

近些年來，我國交通、水利建設(shè)不斷發(fā)展，各項施工技術(shù)也取得了較大的進(jìn)步，特長隧道的建設(shè)數(shù)量也有明顯的增加。在特長隧道高精度施工控制網(wǎng)的建立中，GPS測量技術(shù)的應(yīng)用為其帶來不少便利。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，特長隧道的長度在6千米以上時，就必須進(jìn)行高精度施工控制網(wǎng)的建立。本文以引洮供水二期工程中的施工控制網(wǎng)的建立為例，對相關(guān)設(shè)計方案、施測與數(shù)據(jù)處理的過程進(jìn)行介紹。

1　工程簡介

引洮供水工程是以已建成的九甸峽水利樞紐為水源，從洮河流域調(diào)水到嚴(yán)重干旱缺水的甘肅省中部干旱地區(qū)11個國家扶貧重點(diǎn)縣，工程分兩期進(jìn)行建設(shè)，其中一期工程經(jīng)過7年多的建設(shè)，已于2014年年底實現(xiàn)了全線試通水運(yùn)行。

引洮供水二期工程供水范圍為定西市安定區(qū)、隴西縣、通渭縣，白銀市會寧縣，天水市武山縣、甘谷縣、秦安縣及平?jīng)鍪徐o寧縣4市8個縣區(qū)97個鄉(xiāng)鎮(zhèn)1692個行政村,引洮供水二期工程建設(shè)內(nèi)容包括1條總干渠，長95.091km；6條干渠（四～九干渠）及2條分干渠，總長 299.968km（其中：干渠總長 254.719km，分干渠總長45.249km）；18條供水管（渠）線，總長176.471km（包含三座加壓提水泵站）。

2　GPS控制網(wǎng)測量方案

2.1設(shè)計基準(zhǔn)坐標(biāo)

按照相關(guān)規(guī)范，隧道施工獨(dú)立控制網(wǎng)的邊長投影變形值應(yīng)在1cm/km以內(nèi)。通常采用任意帶法與抵償高程面法進(jìn)行施工獨(dú)立平面坐標(biāo)系統(tǒng)的建立，也就是在調(diào)整投影中央子午線的基礎(chǔ)上，同時調(diào)整投影面的高程，從而達(dá)到邊長變形抵償?shù)哪康摹８咚雇队熬嚯x改正和邊長高程歸化改正的抵償?shù)貛Т嬖谙嗷バ?，也就是?/p>

其中，表示邊長投影變形值，必須符合≤10mm/km這個標(biāo)準(zhǔn)。R表示地球平均曲率半徑，表示該邊兩端點(diǎn)的平均橫坐標(biāo)，表示觀測邊投影面和平均大地高的差值，確定隧道平均經(jīng)線為中央子午線，平均高程面為投影面，可得到與的值均為0，此時也等于0.在此抵償原理的基礎(chǔ)上，設(shè)法確定特長隧道施工獨(dú)立控制網(wǎng)的平面坐標(biāo)基準(zhǔn)，包括投影面、中央子午線以及參考橢球的確定。

2.2布設(shè)控制網(wǎng)

控制網(wǎng)應(yīng)對全隧道的方向及長度進(jìn)行控制，并且將標(biāo)定隧道中線的控制點(diǎn)納入控制網(wǎng)當(dāng)中。特長隧道兩端洞口控制點(diǎn)的布設(shè)，需要結(jié)合實際進(jìn)行考慮，最少保證每個洞口有3個及以上GPS點(diǎn)的布設(shè)，各點(diǎn)的間距在500米至800米這個范圍內(nèi)較為理想，從而使洞內(nèi)導(dǎo)線測量的定向具有較高的精確度。最好采用強(qiáng)制觀測墩設(shè)置隧道洞口的控制點(diǎn)，有利于提高控制點(diǎn)周期性復(fù)測使用的便捷性，其他豎井、斜井控制點(diǎn)可設(shè)置成普通標(biāo)石。

2.3GPS測量

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括《新建鐵路工程測量規(guī)范》以及《公路勘測規(guī)范》等，規(guī)定采用靜態(tài)測量模式獲取特長隧道GPS控制點(diǎn)的野外數(shù)據(jù)。引洮供水二期工程隧道群GPS控制網(wǎng)有以下特點(diǎn)：第一、通過多臺儀器集群式作業(yè)模式的采用，使作業(yè)效率顯著提高，并且其測量精度具有較好的保障。使用10臺雙頻接收機(jī),4臺基站進(jìn)行GPS測量,觀測的過程存中相互連接，形成一個網(wǎng)絡(luò)體系。在保證強(qiáng)制觀測墩為主的洞口控制點(diǎn)網(wǎng)與豎井、斜井控制點(diǎn)網(wǎng)完整性的同時,也要將其與原線路控制網(wǎng)聯(lián)測的內(nèi)容納入考慮范圍。格式文件和格式原始文件為觀測數(shù)據(jù)所提供。第二、GPS施工控制網(wǎng)與太原系統(tǒng)基站和國家級控制點(diǎn)聯(lián)測,實施GPS控制點(diǎn)大地坐標(biāo)的測量，且要求具有較高的精確度,從而有利于大地水準(zhǔn)面的精確計算。第三、在同一天的觀測中，洞口強(qiáng)制觀測墩控制點(diǎn)的位置不作出調(diào)整,設(shè)定8小時的觀測時段長度，不僅實現(xiàn)了時間的高效利用,又能確保主控制點(diǎn)的精確度。其余控制點(diǎn)觀測時段的長度超過2個時段,以4小時為1個時段。

2.4高程測量

將起算點(diǎn)定為引洮供水二期工程隧道7標(biāo)四干渠原線路控制點(diǎn)的高程點(diǎn),布設(shè)二等水準(zhǔn)閉合路線設(shè)，從而有利于水準(zhǔn)聯(lián)測控制點(diǎn)的二等水準(zhǔn)聯(lián)測。其余山頂控制點(diǎn)的測量采用精密三角高程進(jìn)行。采用2臺自動安平水準(zhǔn)儀測量其二等水準(zhǔn),過程中需要用到線條式銦瓦標(biāo)尺以及E500電子手簿記錄,各項測站限差的控制可通過電子手簿程序來實現(xiàn)。水準(zhǔn)路線整個路段長度達(dá)到196.6千米。三角高程的測量需要用到一臺徠卡全站儀,按照對向觀測的要求進(jìn)行邊長的測量。在測站中，需要進(jìn)行氣溫以及氣壓值的測量,憑借全站儀的輸入,可實現(xiàn)測距中氣壓及氣溫的直接改正。例如重力異常改正、水準(zhǔn)標(biāo)尺1米長度的改正以及正常位水準(zhǔn)面不平行改正，這些均為水準(zhǔn)測量概算改正的項目。采用南方易軟件進(jìn)行平差計算,平差計算得到路線長度為88.3千米,高差閉合差為23.40毫米。每公里水準(zhǔn)測量的允許誤差在0.52毫米之間,最弱點(diǎn)高程中誤差是6.52毫米。

3　GPS數(shù)據(jù)處理

GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理是對當(dāng)天獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,在分析的過程需要參考?xì)埐罘植紙D的顯示,應(yīng)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選得到質(zhì)量較好的,對出現(xiàn)的周跳進(jìn)行修復(fù),從而有效保障外業(yè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量,基線解算都應(yīng)柑橘雙差固定解進(jìn)行多次解算。

在基線解算過程之后,應(yīng)對基線的質(zhì)量進(jìn)行檢查,在后續(xù)處理中所使用基線的質(zhì)量一定要合格,如果與標(biāo)準(zhǔn)存在差距,就應(yīng)該對基線進(jìn)行再次解算，也可以對基線進(jìn)行重新測量?；€質(zhì)量的檢驗需要采用同步環(huán)閉和差、異步環(huán)閉和差以及重復(fù)基線較差，重復(fù)基線較差同時也需要符合相關(guān)公式的規(guī)定。

平差前,先將起算依據(jù)定為控制網(wǎng)中一點(diǎn)的系坐標(biāo)，進(jìn)行無約束平差,對GPS基線向量網(wǎng)進(jìn)行檢查，包括檢查其內(nèi)符合精度以及基線向量間的系統(tǒng)誤差。并且，將含有較大誤差的基線邊進(jìn)排除在外。在基線解算過程中，采用隨機(jī)軟件版解算處理觀測數(shù)據(jù)基線,共計253條觀測基線數(shù)。檢查結(jié)果表明，重復(fù)基線檢驗、閉合環(huán)精度檢驗均符合限差標(biāo)準(zhǔn)。

平差計算在軟件下的各項平差精度滿足要求的基礎(chǔ)上,采用軟件進(jìn)行控制網(wǎng)平差,平差主要有以下幾個步驟。

首先，計算線路控制網(wǎng)系統(tǒng)。結(jié)合原線路設(shè)計坐標(biāo)采用北京54坐標(biāo)系,中央子午線111°這個因素進(jìn)行考慮,故施工獨(dú)立控制網(wǎng)點(diǎn)與原路線控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測,并將其作為已知點(diǎn),實施約束平差,通過計算得到施工控制網(wǎng)的原路線坐標(biāo)。

再者，施工獨(dú)立控制網(wǎng)系統(tǒng)計算。在北京54橢球系統(tǒng)下,選取控制網(wǎng)一點(diǎn)ZE07為約束點(diǎn),約束方向定為點(diǎn)ZE14,進(jìn)行約束平差,通過計算得到坐標(biāo)的B值與L值,再進(jìn)行高斯投影計算,求得投影高程面和特定中央子午線下的獨(dú)立控制網(wǎng)成果。

其次，進(jìn)行地心坐標(biāo)的精確計算。將系統(tǒng)基站點(diǎn)作為已知點(diǎn),基于橢球系統(tǒng)下進(jìn)行約束平差,同時檢查國家C級點(diǎn)CJ32、CJ25等檢核點(diǎn),得到各控制點(diǎn)的國家坐標(biāo)。結(jié)合洮供水工程似大地水準(zhǔn)面精化模型的參考,用坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算,實現(xiàn)各控制點(diǎn)1985國家基準(zhǔn)高程值的獲取。

最后，嚴(yán)密轉(zhuǎn)換獨(dú)立坐標(biāo)和原線路坐標(biāo)。獨(dú)立坐標(biāo)和原線路坐標(biāo)的嚴(yán)密轉(zhuǎn)換應(yīng)按以下步驟進(jìn)行：第一、采用一點(diǎn)一方向的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。獨(dú)立坐標(biāo)在北京54橢球下約束ZE01點(diǎn)、約束ZE07～ZE14方向后,原線路坐標(biāo)為北京54坐標(biāo),中央子午線111°,獨(dú)立坐標(biāo)與原線路坐標(biāo)在ZE07～ZE14方向上偏移— 秒,距離縮放因子為；第二、進(jìn)行高斯正形投影任意帶平面直角坐標(biāo)系系統(tǒng)的建立,使主中央子午線在隧道中心區(qū)經(jīng)過,將投影面作為施工平均面。

4　GPS似大地水準(zhǔn)面精化成果和CORS技術(shù)的應(yīng)用

GPS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)是在限制范圍內(nèi),通過各個連續(xù)運(yùn)行的GPS接收臺站,由系統(tǒng)控制中心向用戶提供服務(wù)，服務(wù)具有統(tǒng)一性、精確性以及存在三維空間基準(zhǔn)等特征。本項目較先進(jìn)行GPS似大地水準(zhǔn)面精化成果和CORS技術(shù)在特長隧道施工控制網(wǎng)測量中應(yīng)用的嘗試。

由于測區(qū)地形較為復(fù)雜,二等水準(zhǔn)不具備較好的觀測條件,需要耗費(fèi)較長的施測時間,為確保施工的順利實施，,首先采用技術(shù)進(jìn)行高精度的框架、2000.0歷元下地心坐標(biāo)的獲取,結(jié)合引洮供水工程大地水準(zhǔn)面精化模型,得到的隧道控制點(diǎn)的高程值作為臨時成果,在施工過程中作為數(shù)據(jù)進(jìn)行參考。

引洮供水工程水準(zhǔn)面精化模型的轉(zhuǎn)換精度中誤差為±3.8厘米。各種數(shù)據(jù)表明,此次引洮供水工程特長隧道施工控制網(wǎng)的似大地水準(zhǔn)面精化成果的點(diǎn)位高程精度為中誤差±1.39厘米,可供施工單位進(jìn)行初步使用。

5　結(jié)語

總之，GPS高精度施工控制網(wǎng)測量在特長隧道測量中的應(yīng)用,需要要嚴(yán)格按照相關(guān)測量規(guī)范進(jìn)行,并且需要通過GPS測量方面的新技術(shù)的引進(jìn)，使測量精度得到有效提高,從而充分保障施工的質(zhì)量。本文所研究的引洮供水二期工程特長隧道高精度GPS施工控制網(wǎng),測量設(shè)計具有較高的合理性,測量過程也比較規(guī)范,尤其憑借CORS技術(shù)與GPS似大地水準(zhǔn)面精化成果的應(yīng)用,達(dá)到了較高的測量精度,促進(jìn)了測量效率的顯著提高,對今后類似工程的實施而言，具有十分重要的參考意義。

[1]任靖峰.太原西山特長隧道高精度施工控制網(wǎng)的建立 [J].公路,2014,05:193～195.

[2]趙佳楠,譙生有.石林特長隧道洞外GPS施工控制網(wǎng)建立探討 [J].山西建筑,2012,17: 216～217.

F407.1[文獻(xiàn)碼]B

1000～405X（2016）～4～293～1