全球定位系統(tǒng)在隧道測量中的應用研究

李紀新

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司,重慶 400700)

我國地形結構復雜，鐵路道路在施工中需要挖掘相應的隧道才能形成道路，而隧道測量是整個鐵路隧道施工建設的重中之重，一般隧道測量采用三角測量法或者精密導線測量法。但大量應用實例表明，這些傳統(tǒng)的測量方法具有很強的局限性，容易受到地質情況和通視條件的影響，而且在進行隧道測量時很難選擇出正確的觀測點。而全球定位系統(tǒng)屬于一項先進的科學技術，將其合理地應用在隧道測量中，既能有效解決傳統(tǒng)測量技術存在的弊端，還能提升隧道測量的精度。在此基礎上，開展全球定位系統(tǒng)在隧道測量中應用的研究，就顯得尤為重要。

一、工程概述

圖1 隧道施工組織安排示意圖

成昆鐵路EMZQ-5標全長14085m，進口里程DK239+915，出口里程DK254+000，雙線隧道，設計為1‰（585m）、12‰（6700m）、3‰（650m）、-9‰（600m）、-12‰（5050m）、-3‰（500m）的人字坡。其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別 5630m（39.97%）、7720m（54.81%）、735m（5.22%），全隧除進口DK240+608.872～DK241+664.568段位于半徑R=2800m的左偏曲線，出口DK251+808.465～DK254+000段位于半徑R=3000m的左偏曲線上外，其余地段均為直線。

隧道施工的工程主要包括:正洞以及輔助坑道（一座斜井，一座進、出口平導），為加快施工進度，解決排水、施工通風、防災救援，兼顧施工場地布置，設進口（含進口平導）、斜井、出口（含出口平導）共3個工區(qū)組織施工，項目主要工程如圖1所示。

二、全球定位系統(tǒng)組成和定位原理

（一）全球定位系統(tǒng)組成

從結構上而言，全球定位系統(tǒng)由空間星座、地面監(jiān)控、用戶使用三大部分共同組成。從定義上而言，全球定位系統(tǒng)代表了整個運行系統(tǒng)，如：天空中運轉的衛(wèi)星、地面監(jiān)控站、GPS接收機等。而從使用功能上而言，全球定位系統(tǒng)只是指GPS接收機，主要原因是用戶在使用過程中，只能接觸到GPS接收機。

（二）全球定位系統(tǒng)定位原理

從概念上而言，全球定位系統(tǒng)的定位原理非常復雜，涉及天體運行學、測量定位學、統(tǒng)計學、數(shù)據(jù)處理學等眾多學科。但在隧道測量中應用時，并不需要對其進行深入研究，只要簡單掌握全球定位系統(tǒng)定位的基礎原理即可，就是利用衛(wèi)星發(fā)出的準確信息就可以計算出GPS接收機在某一空間內的具體位置。具體情況如圖2所示。

如果假設GPS接收機的空間位置為（X，Y，Z），而衛(wèi)星的位置為（X1，Y1，Z1），通過下述公示：P2=（X-X1）2+（Y-Y1）2+（Z-Z1）2就可以計算出接收機和衛(wèi)星之間的距離。由于衛(wèi)星的位置是已知的，可以通過信息發(fā)出和接收的時間來計算衛(wèi)星和接收機之間的距離。當接收機同時接收四顆以上衛(wèi)星發(fā)出的信息時，就可以通過同樣的方法，計算出接收機的實際位置坐標。

三、全球定位系統(tǒng)在隧道測量中的應用

（一）測量方法和精度指標

1.加密測量方法和精度指標

施工加密控制網均采用GPS測量方法施測，其加密方法、精度指標均與原測相同，即采用邊聯(lián)結方式構網，組成三角形或者大地四邊形相連的帶狀網。GPS測量的精度及主要技術指標如附表1所示。

圖2 全球定位系統(tǒng)定位原理圖

2.水準點加密測量的方法和精度指標

采用水準測量方法施測，使用電子水準儀，測量等級為二等水準，按照《國家一、二等水準測量規(guī)范》（GB/T 12897-2006）規(guī)定的精度指標執(zhí)行。具體的精度指標如附表2所示。

（二）洞外測量

施測前，對所有需進入現(xiàn)場使用的水準儀、全站儀、GPS等儀器進行檢校和標定，合格后方可投入使用。

平面控制采用GPS，按照原測平面控制網精度施測，高程控制按照二等水準測量的技術要求施測，并盡可能地將導線點與水準點合并，建立平面和高程控制網，測量成果報監(jiān)理認可、批復后，方可作為施工放樣的依據(jù)及竣工后的驗收之用。對使用的控制點定期校核，防止由于其發(fā)生變化引起的施工誤差。洞外控制網等級選擇如附表3所示。

本工程采用平差軟件嚴密平差，對導線和高程平差計算，對最弱點進行精度評定，人工計算加以校核。其中，中誤差計算公式如下：

角度中誤差計算公式，分兩種情況：

此上述公式中△表示左、右之和與360°之差；f表示附合導線（或閉合導線）的方向角閉合差；n表示三角形的個數(shù)或計算的測站數(shù)；N表示附合導線或閉合導線環(huán)的個數(shù)。

（三）隧道測量

洞內導線應布設成多邊形或閉合導線環(huán)，洞內導線邊長主要考慮通視條件，宜選擇長邊，根據(jù)本隧道的特點，導線邊長宜選為200～500m。導線點應布設在施工干擾小、穩(wěn)固可靠的地方，并離洞內設施0.5m以上。導線點埋設采用購買的不銹鋼專用測量標志，全站儀在洞內測量距離時應注意儀器物鏡面有無霧水。投影改正：洞外GPS點及洞內導線點必須做投影改正，一般是投影到設計所交平均高度面上。

洞內閉合導線控制測量均按二等導線精度控制，測角用左右角全圓方向觀測導線水平角，半數(shù)測回左角，半數(shù)測回右角，左右角分別取中數(shù)后相加，其中與360度的差值不應超過本等級測角中誤差的兩倍，限差內取平均值。距離往返觀測限差內進行加常數(shù)、乘常數(shù)、氣壓、溫度改正和折光系數(shù)改正并取平均值。結合我們所用的測量儀器的精度，測距、測角均能滿足較高等級測量要求。

（四）貫通測量

隧道的貫通誤差包括橫向貫通誤差、縱向貫通誤差、高程貫通誤差三項，其中縱向貫通誤差對隧道施工、運營影響極小，且在施工測量過程中很容易保證精度，故在此對該項不做貫通誤差設計。下面根據(jù)平面控制測量、高程控制測量精度對橫向貫通誤差、高程貫通誤差分別作出估算。

1.洞外控制網布設

根據(jù)進、出洞口現(xiàn)場情況，選用強度較好的圖形加密洞口控制點。洞內主導線按二等導線精度施測，高程按二等水準精度測量，當斜井施工至主洞交叉口處，與正洞導線形成附合導線，對正洞導線平面、高程進行檢核。

2.洞內控制網布設

導線點埋設采用專用不銹鋼測量標志，布置在施工干擾小、穩(wěn)固可靠的地方，必要時采取保護措施。導線邊長一般控制在200～500m左右。隧道的里程前進方向的左側編號為Z，右側編號為Y，如出口平導的進洞左側導線點編號為CKPDZ-1、CKPDZ-2如圖3所示。

圖3 出口平導導線布設示意圖

為實現(xiàn)安全貫通，要按兩洞口以二等支導線一次測量的方式向洞內引測平面控制網來估算洞內控制測量對橫向貫通誤差的影響，預期誤差的精度估算應滿足隧道貫通誤差規(guī)定的測量精度要求。

本文結合工程實例，研究了全球定位系統(tǒng)在隧道測量中的應用。研究結果表明，全球定位系統(tǒng)比較適用于隧道測量中，既能有效保證測量的精度，還能有效節(jié)約測量的人力、物力、財力等。在實際測量中也不需要在安裝測量點，有效提升了測量的效率，保證了測量工作能順利完成，促使隧道工程安全完工。

附表1 CPI、CPII網GPS測量的精度指標

附表2 水準測量的精度指標（mm）

附表3 洞外控制網等級選擇表