GPS測量在隧道施工中的應(yīng)用
2012-08-21 來源：作者：王福龍 來源：中國論文網(wǎng)
1、概述
蛤蟆嶺隧道位于銅陵至九江新建鐵路第1合同段，為單線隧道，全長3765m，隧道進(jìn)口位于直線上，出口位于曲線上，中部為緩和曲線段段，隧道分進(jìn)出口兩個工作面相向開挖。測區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，溫暖濕潤、光照充足。測區(qū)位于皖南地區(qū)山區(qū)，植被覆蓋高、森林茂密、交通不便，常規(guī)測量通視條件相當(dāng)困難。因此，采用GPS靜態(tài)定位進(jìn)行控制測量，測量使用四臺美國天寶4600LS單頻GPS接收機(jī)，平面標(biāo)稱定位精度為5mm+1ppm，基線解算軟件采用隨機(jī)軟件TGOffice。
2、蛤蟆嶺隧道GPS網(wǎng)的精度設(shè)計
根據(jù)隧道長度和橫向貫通誤差精度要求，參照《公路全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》JTJ/T066-98，蛤蟆嶺隧道控制網(wǎng)應(yīng)按二級GPS網(wǎng)的精度要求布設(shè)和施測，技術(shù)指標(biāo)如下：
衛(wèi)星高度角≥15°
數(shù)據(jù)采集間隔≥15秒
觀測時間≥60分
點位幾何圖形強(qiáng)度因子（GDOP）≤6
重復(fù)測量的最少基線數(shù)≥5%
施測時段數(shù)≥2
有效觀測衛(wèi)星總數(shù)6
3、蛤蟆嶺隧道GPS網(wǎng)的網(wǎng)型優(yōu)化
與常規(guī)地面平面控制網(wǎng)一樣，GPS網(wǎng)布設(shè)的原則是保證隧道按設(shè)計精度正確貫通，從洞口投點給出精確的進(jìn)洞方向以指導(dǎo)隧道開挖。
在布設(shè)控制網(wǎng)時，各開挖洞口布設(shè)的GPS點不應(yīng)少于3個，為便于使用常規(guī)測量方法進(jìn)行檢測，加密和恢復(fù)，各開挖洞口布設(shè)的三點間至少應(yīng)有一個點能與其它兩點通視，并且隧道定向邊距離應(yīng)大于300米，以滿足施工中的常規(guī)檢測和提高進(jìn)洞方位角的傳遞精度。對于鐵路直線隧道，應(yīng)在進(jìn)出口定測中線上，布設(shè)兩個控制點，以便于建立施工坐標(biāo)系，曲線隧道應(yīng)在每一切線上布設(shè)兩個點，以便精確計算曲線偏角和施工放樣數(shù)據(jù)。對于公路隧道，應(yīng)在進(jìn)出口各連測一個線路定測導(dǎo)線點，以便確定隧道GPS點與線路導(dǎo)線點的關(guān)系，測定和調(diào)整隧道控制測量與線路測量的連接誤差。
隧道GPS網(wǎng)應(yīng)采用網(wǎng)連式的布網(wǎng)方法，應(yīng)通過獨立基線構(gòu)成閉合圖形，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)致各邊中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。網(wǎng)中各點最好至少應(yīng)通過三條獨立基線，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。除了采用同步環(huán)和異步環(huán)作為基線質(zhì)量檢核外，還可用全站儀測施測1～2條測距邊，加測角度作為外部檢核。
蛤蟆嶺隧道由于長隧道施工周期長，控制點使用時間較長，為便于在隧道施工期間對洞口控制點的穩(wěn)定性進(jìn)行常規(guī)檢測，進(jìn)出口各設(shè)了4個GPS控制點，其中E004、EO11-1為線路定測導(dǎo)線點?？刂凭W(wǎng)布設(shè)如圖1（示意圖中部分基線邊未表示）。
GPS控制點點位選擇的好壞，對GPS控制網(wǎng)的精度影響很大，通過對隧道進(jìn)出口進(jìn)行實地踏勘，點位均設(shè)在山頂穩(wěn)定的基巖上，視野開闊，沒有高度角大于15°的障礙物，遠(yuǎn)離高壓線及大功率無線電發(fā)射源，隧道定向邊進(jìn)出口均大于500米。
4、外業(yè)觀測
4.1星歷預(yù)報
運行TGOffice，利用軟件的作業(yè)計劃工具，將測站的概略經(jīng)度、緯度、高程、衛(wèi)星的截止高度角、觀測時間等測站信息輸入對話框，查看衛(wèi)星的可見性。從衛(wèi)星數(shù)示意圖中可以看出，在擬定的觀測時間中測區(qū)可見最少衛(wèi)星顆數(shù)為6，說明全天均可觀測。
4.2制定作業(yè)計劃表
根據(jù)隧道的長度、開挖口的分布、精度要求、接收機(jī)的臺數(shù)、星歷預(yù)報情況、作業(yè)方式、交通條件來確定GPS網(wǎng)的觀測方案和制定作業(yè)計劃。
為確?？刂凭W(wǎng)實測精度，每個時段觀測時間均大于90分鐘，因為在基線處理時要剔除或刪除部分不合格的觀測時段，所以在不增加工作量的前提下多觀測30分鐘是非常必要的。
與常規(guī)地面控制測量一樣，GPS網(wǎng)也要求有足夠的多余觀測量，即有一定的可靠性。GPS網(wǎng)的可靠性用平均可靠性指標(biāo)r表示，r=nr/n，n為所選的獨立基線向量總數(shù)，nr為多余基線向量數(shù)，nr等于基線向量總數(shù)n減去必要的基線向量數(shù)nt，而必要的基線向量數(shù)nt等于總點數(shù)np減1，因此，r=（n-np+1）/n。根據(jù)隧道長度和精度要求等因素，r值應(yīng)大于0.3。
從表1看出，蛤蟆嶺隧道GPS網(wǎng)的獨立向量總數(shù)21個，每個點觀測3個時段，平均可靠性指標(biāo)r，r=（21-7）/21=0.67,r值大于0.3，可靠性指標(biāo)較好。
由于采用4臺GPS接收機(jī)進(jìn)行觀測，進(jìn)出口各設(shè)兩臺接收機(jī)，嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)度計劃，按規(guī)定時間進(jìn)行同步觀測作業(yè)。根據(jù)觀測方案，整個外業(yè)工作為時一天。
4.3GPS接收機(jī)靜態(tài)操作
對中，整平GPS接收機(jī)，量取天線高，開機(jī)觀測，測完以后先關(guān)機(jī)，再搬站，搬站前再測天線高，兩次量高誤差不大于2mm。
每站觀測結(jié)束前，需要記錄天線高，開、關(guān)機(jī)時間，接收機(jī)系列號，天線類型，日期，接收機(jī)類型，量高方式，以方便數(shù)據(jù)的后處理。
5、GPS測量數(shù)據(jù)處理
GPS測量外業(yè)自動化程度較高，數(shù)據(jù)采集由接收機(jī)自動完成，人工干預(yù)很少，但是GPS外業(yè)測量采集的數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用于工程實際，必須應(yīng)用相應(yīng)的解算軟件對GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過基線處理、GPS基線向量網(wǎng)的平差解算、無約束平差、約束平差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)化等一系列的數(shù)據(jù)處理流程，才能得到可用于施工的測量成果。
5.1建立坐標(biāo)系
野外觀測的靜態(tài)數(shù)據(jù)是基于WGS-84橢球的，采用的是WGS-84全球大地坐標(biāo)系統(tǒng)。但蛤蟆嶺隧道線路設(shè)計是在北京54坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行的，中央子午線經(jīng)度為120度45分，因此，應(yīng)利用解算軟件建立和設(shè)計單位坐標(biāo)系一致的地方坐標(biāo)系，以便于進(jìn)行GPS網(wǎng)的約束平差，將測量成果由WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化至施工坐標(biāo)系。
5.2下傳并導(dǎo)入數(shù)據(jù)
先建立一個名稱為“蛤蟆嶺隧道”的文件夾來存放GPS數(shù)據(jù)處理過程中的文件，然后將GPS接收機(jī)通過電纜線與電腦連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)4600Ls接收機(jī)自動文件命名規(guī)則，選擇蛤蟆嶺隧道GPS網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)文件進(jìn)行下傳，按照測站記錄輸入測站各時段的測站信息（點名、天線高、量高方式），這個時候要認(rèn)真地核對點名、文件名、開機(jī)時間、關(guān)機(jī)時間、天線類型、量高方式、天線高，確保對應(yīng)關(guān)系。逐一將4臺GPS接收機(jī)中的觀測數(shù)據(jù)下傳至“蛤蟆嶺隧道”文件夾。
數(shù)據(jù)下傳完成后應(yīng)立即對下傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，以便保存?zhèn)鬏數(shù)脑紨?shù)據(jù)。
5.3基線處理
首先對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析和預(yù)處理，將各衛(wèi)星觀測時段跳動較大的衛(wèi)星信號利用Timeline工具禁止掉，利用TGOffice逐一對所有基線進(jìn)行處理。
基線處理后，查看基線處理質(zhì)量的評估指標(biāo)，最好的解算類型是L1固定解，最好的比率是大于3，并且越大越好，參考變量經(jīng)驗值是2左右為最好，均方差RMS是小于3厘米，且越小越好，在這幾個指標(biāo)中，解算類型和均方差最關(guān)鍵。
基線處理時，刪除工作狀態(tài)不佳的衛(wèi)星數(shù)據(jù)是提高偽距定位精度的重要途徑。如果處理后的基線由墨色變成黃色，表明質(zhì)量很好。如果有個別的基線呈紅色，或者有被拒絕的基線，說明基線的質(zhì)量有問題，需要對觀測信號進(jìn)行剔除，逐一選擇質(zhì)量有問題的基線進(jìn)行精細(xì)處理。
查看基線處理報告中的衛(wèi)星殘差，記住衛(wèi)星殘差大的衛(wèi)星和某些衛(wèi)星殘差大的時段。將殘差大的衛(wèi)星和殘差大的時段禁止，不讓它們參加基線處理。殘差大的衛(wèi)星時段對基線處理結(jié)果的影響非常顯著，因此，剔除殘差大的衛(wèi)星時段在基線處理中尤為重要。
其次，逐一選擇質(zhì)量有問題的基線，查看PDOP值。如果某時段的PDOP值有突變或較大，將這個時段的衛(wèi)星信號禁止。
另外，打開星空圖，看衛(wèi)星的高度角。記下高度角低的衛(wèi)星和衛(wèi)星高度角低的時段，將衛(wèi)星高度角低的衛(wèi)星和衛(wèi)星高度角低的時段的信號禁止。
如此反復(fù)處理，直到所有的基線處理后呈黃色或者處理基線時拒絕的基線數(shù)為零。
查看GPS環(huán)閉合差，閉合差反映了內(nèi)符合精度，如果內(nèi)符合精度較差，重新處理基線，內(nèi)符合精度的好壞將直接影響最終的精度。
蛤蟆嶺隧道GPS控制網(wǎng)閉合差數(shù)目88個，通過88個，全部通過，表明基線內(nèi)符合精度較好，基線處理完成，可進(jìn)行無約束平差。
5.4無約束平差
進(jìn)行無約束平差以檢查GPS基線向量網(wǎng)的本身內(nèi)符合精度，以及檢查基線向量間有沒有明顯的系統(tǒng)誤差，從而剔除含有粗差的基線邊。
進(jìn)行無約束平差時，首先要確?；鶞?zhǔn)是WGS84，選擇基準(zhǔn)為WGS-84，然后單擊平差工具條中的“平差”進(jìn)行無約束平差。
平差之后查看網(wǎng)平差報告，查看統(tǒng)計總結(jié)，查看網(wǎng)參考因子是否在1左右，X方檢測是否通過，如果沒有通過，采用加權(quán)策略，繼續(xù)無約來平差，直到通過且平面坐標(biāo)變化量為零。
5.5約束平差
由于隧道控制測量主要強(qiáng)調(diào)各開挖面控制點之間的相對精度，GPS網(wǎng)是否精確位于地心坐標(biāo)系統(tǒng)并不重要，因此通常采用固定一點的經(jīng)典自由網(wǎng)平差法做最小約束平差。
首先將基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)（中心經(jīng)度為120°45′的蛤蟆嶺隧道Beijing1954坐標(biāo)系），即將基準(zhǔn)選為“投影基準(zhǔn)-beijing1954”，以線路導(dǎo)線點E004的54北京坐標(biāo)系坐標(biāo)為已知坐標(biāo)進(jìn)行最小約束平差。
平差后查看網(wǎng)平差報告中的參考因子是否在1左右，X方檢測是否通過，平面坐標(biāo)變化量是否為零，否則，應(yīng)采用加權(quán)策略，繼續(xù)進(jìn)行平面約束平差。直到網(wǎng)參考因子在1左右，X方檢測是通過，平面坐標(biāo)變化量為零。整個觀測成果的好壞，可以通過網(wǎng)平差報告中是否出現(xiàn)紅色警告數(shù)據(jù)、殘差柱狀圖、誤差橢球、水平精度和高程精度的比率等撐握。
5.6成果輸出
平差成果的所有信息都包含在“網(wǎng)平差報告”中，殘差柱狀圖、點位誤差橢圓圖、平差成果表、協(xié)方差、環(huán)閉合差、平差后觀測成果表等等。
“網(wǎng)平差報告”中的“平差格網(wǎng)坐標(biāo)”成果就是蛤蟆嶺隧道洞外平面控制測量各控制點的施工坐標(biāo)。
報告可以直接打印輸出，也可以復(fù)制到Word文字處理系統(tǒng)中排版輸出。
6、小結(jié)
蛤蟆嶺隧道GPS測量外業(yè)選點埋石一天，外業(yè)觀測一天，數(shù)據(jù)處理一天，三天完成了常規(guī)測量要十幾天才能完成的測量任務(wù)，通過對蛤蟆嶺隧道的GPS控制測量實踐，可以得出如下幾點結(jié)論。
（1）GPS隧道控制測量精度高，采用GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)精度可達(dá)毫米級。
（2）GPS測量勞動強(qiáng)度低，無須翻山越嶺，在山頂設(shè)置過渡點，外業(yè)測量為傻瓜型，只需按開機(jī)測量按鈕即可測量，數(shù)據(jù)采集由GPS接收機(jī)自動完成，無須過多的人工干預(yù)。
?。?）GPS測量作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)通常是常規(guī)測量的四倍以上，隧道越長作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益越顯著。
?。?）控制點易于恢復(fù)，若某個控制點丟失，只需幾個小時即可恢復(fù)。
?。?）GPS測量是一項先進(jìn)的定位技術(shù)，可以提高企業(yè)的科技水平，為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
（6）GPS測量要求測站上空障礙物較少。天空可視條件差，接收的衛(wèi)星數(shù)少于4顆的地區(qū)無法使用，是GPS測量的一個不足之處。
GPS用于長大隧道控制測量可以提高測量精度，降低測繪成本，其高精度，高效率的突出特點表現(xiàn)出傳統(tǒng)測量模式無法比擬的優(yōu)越性，在隧道控制測量方面仍然具有良好的應(yīng)用前景，采用GPS進(jìn)行長大隧道洞外平面控制測量已成為目前隧道控制測量的主要發(fā)展趨勢。
