基于GPS的隧道平面控制測量技術探討

摘 要:在傳統的辦法中，建立隧道施工控制網通常采用三角測量方法，近幾年來又采用精密導線法，但是，這些常規方法受到通視條件、圖形條件、地形條件等諸多因素的影響，本文基于筆者多年從事控制測量的相關經驗，以GPS應用于某隧道控制網布測為研究背景，分析探討了洞內外平面控制測量的方法與流程，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞:GPS 特長隧道 控制網 貫通誤差

中圖分類號:P2文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)08(a)-0112-021 GPS技術概述

傳統隧道施工控制網的方法有三角測量方法和精密導線法，其中三角測量方法是最為傳統的隧道施工控制網方法，而精密導線法近幾年應用較多。然而，通視條件、圖形條件、地形條件等諸多因素都會對這些常規方法產生影響。換言之，控制網在選點布網及觀測等諸多過程中受到限制。

常規測量辦法在隧道測量中難度都較大，因為其一般都在地形復雜的山區。而如果選擇采用GPS來建立隧道控制網，由于通視條件對GPS觀測影響較小，而GPS控制網網形也較常規控制網更為隨意，故GPS測量是隧道控制測量中一種行之有效的辦法。

GPS如下幾個優點在在測量中的應用中較為實用:(1)觀測站之間可以相互不通視。點位選擇比傳統方法更為靈活，也極大地減少了因為選點的苛刻增加的經費和時間。(2)有較高的定位精度。如基線<50km時，可以實現1～2PPm的相對精度，定位精度會隨著基線的加長而提高。一般測量手段很難達到這樣的精度級別。(3)極大地縮短了觀測時間。以完成一條基線的相對定位所需要的觀測時間為例，采用經典的靜態定位方法，一般為l～3h(具體時間依精度不同而不同)。(4)三維坐標能與觀測成果一同提供，這是因為，測站點的大地高程可以被GPS精確測定，所以在精確提供測站點的平面位置的同時，能同時得到大地高程。這開辟了一條新的途徑，即可以研究大地水準面的形狀和地面點的高程。(5)GPS用用簡便的操作，較輕的重量，小的體積等特點。(6)GPS能在所有氣候條件下作業。跟傳統的測量方法不同，GPS觀測不受地點、時間限制，也不受天氣條件影響，可以實現連續觀測。

2 項目簡介

全長4126m的隧道位于某山脈中段，屬于目前我國建成的最長隧道之一。隧道進口處于直線地段，出口在曲線上，曲線半徑為598m，緩和曲線長122m，偏角為31°04′30″。進口處高程2241m，出口處高程為2836多米，越嶺地段牛背梁的高程為3900m，整個測區相對高差近1300多m，山勢相對陡峻，地形極其復雜，有著極差的通視條件。如不選擇GPS方法方法建網，不管是平面控制網還是高程控制網，都將面臨測量工作量大，周期長，測量精度很難達到等問題，因此項目組決定采用GPS建網，為了使該特長隧道實現高精度貫通，準備在洞外利用GPS全球定位技術和一等水準，而在洞內采用一等導線環網和二等水準建立隧道施工控制網。

3 隧道口外平面控制測量

3.1 控制測量的精度

為了提高GPS測量的精度，精度的標準可以參考《全球定位系統(GPS)測量規范》，其中定義了隧道長度和技術設計方案，洞外GPS平面控制網的施測可以按B級進行，可以用計算相鄰點間定位精度(標準差)，式中a(固定誤差)等于5到10mm；b為比例誤差，范圍是1到2PPm；d(點間距)≤20Km；要求使用儀器標釋精度應優于10mm±2PPm。

3.2 點位設置

為滿足施工引測進洞需要，通過對方案進行反復比選設計，認為在隧道進出口應該設置6個GPS平面控制點，如圖1所示，圖中J1、J2、QL02、QL03、QL04為隧道進口GPS控制點，C1、HY、PD2、QL05、QL06、QL07為隧道出口GPS控制點。所有控制點均用異步環相聯，并組成空間三角形和空間大地四邊形以加強GPS網的幾何強度。

3.3 觀測方法與作業要求

接收機在觀測前必須全面進行檢測，查看儀器精度是否達到標稱精度的規定，觀測方式可以選擇GPS靜態相對定位進行測量。觀測過程中應當注意，GPS觀測應當選擇選擇最佳時段，而有時應當適當增加觀測時間，比如一些長邊和觀測條件欠佳的點位。觀測要求及采用主要參數為:

(1)周邊觀測時段數不小于2；(2)時段長度:當1km＜S≤20km時，為1.5～2h；當S＜1km時，為0.5～1h；(3)衛星高度角≥150；(4)PDOP不大于6；(5)衛星個數≥5；(6)采樣率不小于15S；(7)每顆衛星連續跟蹤時間大于15min。

3.4 數據處理

數據處理選用WILD200的隨機軟件SKI版進行，基線解算時采用下列參數:采用Hopfield作為對流層模型；采用標準模型作為電離層模；采用廣播星歷作為星歷，采用碼和相位數據；采用L1+L2頻率，使用＜20km作為解模糊盾的邊長限制，)先驗中誤差控制為±10mm。利用計算機程序軟件計算GPS基線網平差、坐標轉換、平面網平差等數據。采用觀測數據資料整理、平差計算均采用兩組對算、復核、審核等方式來確保數據無誤。

3.5 測量精度

表1列出了平差后各控制點的點位平面坐標誤差。

GPS測量可靠性可以采用一些手段得到進一步驗證，比如如下方法:采用全站儀測導線方法，檢測了出口GPS點群所組成的局部小網，兩成果對比，X坐標相差為1.5mm，Y坐標相差為1.7mm，水平角相差1.53″，說明數據可靠。

4 隧道口平面控制測量

4.1 施測等級的確定

依據《鐵路測量技術規則》的規定，17到20kM范圍的隧道，其洞內外貫通中誤差總和不超過250mm，按照這一規定，洞內可以依據通視情況設點，平均邊長設置為500m。洞內外貫通誤差按照250mm計算，精度即可滿足要求和精度指標進行施測基于二等導線的要求。另外，項目組經過綜合論證，決定洞內導線布設成導線閉合環網，并按一等導線的要求和精度指標進行施測，這一方法確保了橫向貫通誤差＜100mm。

4.2 控制樁點設置

如上所述，等邊閉合導線環網作為洞內外平面控制導線。設置500m作為導線平均邊長，一個閉合導線由10條邊組成，而設置4個閉合環在出口段。一條導線設在離洞壁1到2m的位置，另外一條導線沿隧道中線方向，這樣的設置方法，使得沿隧道中線方向的導線可用來放樣，且不會破壞導線點。

4.3 貫通誤差預計

由式m2洞內=(mβ×Ｌ/r)2×(n+3)/12

其中mβ=0.7″，L=19km，r=206265″，n=38，代入上式，得m洞內=±119mm

由于洞內導線布設為等邊導線閉合環網(如圖所示)，可按兩條單導線計算貫通精度，則根據誤差傳播理論雙導線在貫通點的精度比單導線在貫通點的精度提高了倍，即m內=m洞內/=84mm。

根據洞外GPS控制測量成果計算得

m外=±45mm，則由

m2總=m2內＋m2外

將m內和m外代入上式，得

m總=±95mm

小于橫向貫通中誤差值100mm的要求，并遠小于《鐵路測量技術規則》規定的全隧道橫向貫通中誤差值250mm的要求。

4.4 數據處理

(1)測站平差，在水平角每測站測完后進行。(2)檢查閉合差粗差，即計算每個閉合環的角度閉合差，檢查其中是否存在粗差。(3)通過加、乘常數改正，氣象改正，投影改正，使所有測量邊長值歸算到隧道統一高程面(976m)。(4)在計算機上用導線網平差程序完成計算，包括對整個閉合環網進行嚴密平差計算，從而可計算出每個控制點的坐標值，并進行精度評定。計算結果表明，洞內導線的測角精度為m=±0.63″。

5 結語

(1)從精度分析來看，可以采用GPS B級網進行隧道平面控制測量，其結果是可靠的，能達到隧道貫通要求的京都，其優點是節省了費用，并縮短了測量周期。(2)可以采用等邊閉合導線環網進行隧道洞內平面控制測量網布設，但要根據隧道貫通精度要求設計導線測量精度。同時，為了達到滿意的貫通京都，施測時的精度控制指標不能低于設計精度要求。(3)采用Ⅱ等水準進行洞內高程控制測量，結果表明能達到很高的貫通精度，以后長大隧道施工進行洞內高程控制測量可以借鑒該方法。(4)采用合理的平差計算方法處理隧道洞內控制測量觀測數據，結果為:橫向誤差12mm，高程誤差1mm，縱向貫通誤差125mm。

參考文獻

[1]劉大杰，施一民.全球定位系統(GPS)的原理與數據處理[M].上海:同濟大學出版社，1996.

[2]鐵道部第一勘測設計院.鐵路測量技術規范[S].北京:中國鐵道出版社，1986.

[3]周忠漠，易杰軍，周琪.GPS衛星測量原理與應用[M].北京:測繪出版社，1995.

[4]張雨化，隧道勘測設計[M].武漢:人民交通出版社，2006.

[5]劉吉章，全球定位系統原理及應用[M].北京:測繪出版社，2008.