基于GPS的高速鐵路沉降觀測可行性研究

張訓(xùn)虎，章 磊，王曉奇

(1.國家測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗測試中心，北京 100830；2.北京七維航測科技股份有限公司，北京 100094）

基于GPS的高速鐵路沉降觀測可行性研究

張訓(xùn)虎1，章 磊1，王曉奇2

(1.國家測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗測試中心，北京 100830；2.北京七維航測科技股份有限公司，北京 100094）

一、引 言

隨著中國高速鐵路主干網(wǎng)建設(shè)的開展，高速鐵路建設(shè)中的許多技術(shù)問題成了近幾年內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究重點。其中高速鐵路建設(shè)環(huán)節(jié)中對施工速度與效率形成的制約瓶頸―――施工方式、技術(shù)方面雖屢有突破，但是因遵循原有測量檢核流程，在速度上沒有得到本質(zhì)的提高。尤其是高鐵建設(shè)與運行維護中的沉降監(jiān)測方面，現(xiàn)在還在采用常規(guī)測量方式，即人工觀測方法。這種方式無論是在速度上還是實時性上都不能滿足高鐵快速建設(shè)的需要，成為高速鐵路建設(shè)過程中的瓶頸。

本文采用GPS觀測的方式進行沉降監(jiān)測工作，提出了新見解，并且在沈丹高速四工區(qū)得到驗證。通過一系列工作驗證和測試證實了高速鐵路建設(shè)中應(yīng)用本文所提的沉降觀測方法的可行性與快捷性。測試結(jié)果證明了這一方式能夠在高速鐵路施工與運行維護環(huán)節(jié)的沉降觀測工作中使用。

二、理論基礎(chǔ)及測試方法

在高速鐵路建設(shè)過程中，通常采用等級水準的方式，人工往返測量的方法進行沉降觀測[1]。這種方法耗時、耗力、耗人，作業(yè)時間長，需要人員多，每個測段都需要大量人力進行獨立測量，并且為保證精度，還需要考慮時間、氣候、環(huán)境等的影響，嚴重制約了測量的進度和效果；同時測量結(jié)果不能實時上傳，導(dǎo)致結(jié)果滯后。例如：部分區(qū)域發(fā)生沉降，施工單位不能在第一時間發(fā)現(xiàn)問題，需要等到下一個測量時段進行后才能獲知，從而導(dǎo)致不可彌補的損失。以上弊端決定了等級水準測量在高鐵沉降觀測工作中應(yīng)用的局限性。

本研究采用GPS實時測量外加高精度后處理軟件的方法進行。該方法能夠提供水平和垂直方向上均達到1 mm精度的觀測結(jié)果，并且能夠?qū)崟r提供測量成果，彌補了上述等級水準測量出現(xiàn)的問題[2]。

1.理論基礎(chǔ)

我國常用的高程基準為正常高系統(tǒng)。所謂正常高即地面上觀測點沿垂線方向至似大地水準面的距離。GPS所測高程為WGS-84坐標系下的大地高，即地面上觀測點沿法線方向至參考橢球面上的距離，如圖1所示。

圖1

大地高與正常高之間的關(guān)系是H正常＝H大地-ξ，其中ξ為該點的高程異常。在沉降測量中，若要計算兩點間的高差，即H正常1＝H大地1-ξ1，H正常2＝H大地2-ξ2的高差，在兩點間的距離很近的情況下，可以視ξ1與ξ2相同，從而兩點間的正常高高差與大地高高差為同一值。故可以采用GPS高程來代替水準測量的方式，觀測同一點的高程變化。

由于GPS測得的高程值為WGS-84的橢球高，該高程垂直于WGS-84橢球的橢球面。水準測量獲取的是正常高，該高程垂直于似大地水準面。兩個高程值在數(shù)值上和表示上具有明顯的區(qū)別。但是，空間的一個點上，如果相對似大地水準面上發(fā)生沉降，那么在橢球面上一定也發(fā)生相應(yīng)的變化。雖然與高程相關(guān)的兩個變化量在方向上不同，由于兩者之間的夾角θ非常小，因此這兩個變化量在方向上的區(qū)別可以認為是微乎其微的，從而可以認為兩個值是可以互相代替的。如圖2、圖3所示。

圖2

圖3

2.測試方法

本文采用麥格集團GPS實時觀測加高精度后處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，麥格監(jiān)測軟件是利用三差法與卡爾曼濾波技術(shù)研發(fā)的快速高精度解算軟件，軟件能夠?qū)崿F(xiàn)絕對位移與相對位移的高精度解算。滿足觀測條件的情況下觀測15～30 min后觀測數(shù)據(jù)即可達到實時毫米級精度。

測試按照如下過程進行：首先利用等級水準測量的方式測量監(jiān)測點位的高程；然后架設(shè)GPS接收機到監(jiān)測點位上，采用多次量取GPS天線高的方式，把監(jiān)測點的高程傳遞到GPS天線頂面上。

由于測量時間短，為了讓沉降過程更加明顯，本次測試采用自帶的升降臺進行人工變高，以達到變化高程的目的。本次測試的目的是人為在高程上制造一個變量，使用GPS獲取的大地高變化來檢查這個變量。如果兩個值的互差很小，則完全可以使用GPS測量大地高高差代替水準測量的正常高高差。檢測方法就是對兩次水準測量的高程互差值與兩次GPS測量的大地高互差值進行對比，從而得到兩者之間的相對關(guān)系[3]。

如果數(shù)據(jù)處理軟件能夠及時并準確地反映整個變高的過程，說明測試方法及軟件解算精度與解算速度應(yīng)用于沉降觀測是可行的[4-5]。

三、測試過程

系統(tǒng)的測試工作于2010年10月31日在沈丹線鳳城市的四工區(qū)進行，用以驗證以上方法的可行性。首先使用水準儀按照等級水準的方式進行全線路的水準測量，測得各個監(jiān)測點的高程值；然后在監(jiān)測點上架設(shè)GPS，共計4個點，其中8108點為精度最高的CPI，本次測試以該點作為基準站，架設(shè)儀器為Trimble NetR8 GNSS接收機，該接收機能夠接收雙頻雙星數(shù)據(jù)。其他3個監(jiān)測點采用Trimble 4700 GPS接收機進行測量。各點的空間分布情況如圖4所示。

圖4

所有接收機均采用1 Hz的采樣間隔。觀測時間為2010年10月31日10：00―17：00。其中9070點位GPS接收機在15：00上升了14 mm，如圖5所示。其他幾個點在觀測過程中始終未變。9070點的高程時程曲線如圖6所示。

圖5 儀器變高前后對比

圖6 9070點高程時程曲線圖

從測試結(jié)果(見表1）中各點GPS測量在各個方向的偏差范圍和偏差值情況可以看出，測試結(jié)果符合毫米級的精度要求。并且9070點位的高程由0.003 m變成0.017 m時，高程測量結(jié)果也準確地變化了14 mm，準確測出了監(jiān)測點高程的變化情況。而9008和9069兩個點在連續(xù)7 h的觀測過程中，無論平面和高程都沒有顯著的變化。因此證明了該方法能夠準確監(jiān)測高程變化的數(shù)值，并且具有較好的穩(wěn)定性、時效性。

表1 各監(jiān)測點GPS測量情況統(tǒng)計

四、結(jié) 論

由于現(xiàn)場和時間的原因，沒有把GPS接收機天線安裝在強制對中墩上，而是架設(shè)在三腳架上，造成了因三腳架受到太陽、風(fēng)力的影響而出現(xiàn)的一定程度上的精度損失。如果將GPS接收機天線架設(shè)在強制對中墩上，所體現(xiàn)的測量精度會更好。由于是臨時測試，沒有防盜裝置，不能長時間進行測試。雖然僅僅測試了7 h，但已經(jīng)能充分體現(xiàn)出這種方法的測量精度和軟件數(shù)據(jù)處理的能力。

通過這次測試的結(jié)果可以看出，GPS應(yīng)用于沉降觀測確實能達到1 mm的精度，完全滿足高鐵沉降觀測需要。所使用的軟件能在高程方向上進行沉降觀測的同時得到平面上的變化量，針對橋墩等構(gòu)筑物可以進行變形觀測。能夠通過網(wǎng)絡(luò)按照一定的時間間隔把形變數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的地點，實現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果實時入庫，并以圖形或曲線的方式展示出來。這種沉降觀測方式的數(shù)據(jù)具備實時性、高效性，為分析、處理和應(yīng)對形變原因提供了充足的時間，可以確保高鐵施工及運行管理維護的安全。

五、應(yīng)用展望

利用GPS進行變形觀測的技術(shù)具有成熟性、穩(wěn)定性、實時性特點，已經(jīng)在三峽、地震等很多工程項目中得到應(yīng)用[6-7]。結(jié)合本次測試的結(jié)論，沿高鐵線路按照一定的距離間隔，選取地質(zhì)條件穩(wěn)定的地點布設(shè)GPS基準站，在高鐵沿線地質(zhì)不穩(wěn)定有可能形成形變的區(qū)域，如長橋、地下水超采區(qū)、大型水庫附近等進行監(jiān)測GPS點布設(shè)，就可以實現(xiàn)三維的實時形變監(jiān)測[8]，利用這種方法可以確保高鐵施工及運行維護安全。

為更好地實現(xiàn)GPS在高速鐵路建設(shè)中的應(yīng)用，可以在施工前布設(shè)足夠的基準點實現(xiàn)GPS帶狀構(gòu)網(wǎng)，并結(jié)合多功能軟件系統(tǒng)(如VRS軟件），服務(wù)于工程的前期、中期及運行維護各個階段。如在施工的前期，涉及選線、征地、填挖土方等工作都可以利用該VRS網(wǎng)絡(luò)進行GPS測量實現(xiàn)全區(qū)域厘米級實時測量精度[9]，比原來的作業(yè)方法效率高、精度好；在施工過程中能提供實時坐標，并且可以作為基樁控制網(wǎng)(CPⅢ）點坐標的復(fù)核使用，快速、高效；在高速鐵路的運行維護階段，使用GPS自動觀測系統(tǒng)能夠很好地替代需要投入大量人力、物力、財力而且效率低的常規(guī)水準觀測，快速、高效地完成沉降監(jiān)測工作。因此，基于GPS的沉降觀測方式的應(yīng)用將助力于高速鐵路的施工和運行維護工作。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB 10601―2009高速鐵路工程測量規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[2]夏朋，羅新宇，吳和元.GPS高程測量代替精密水準測量的可行性研究[J].甘肅科技，2010，26(3）：45-46.

[3]劉天亮.GPS應(yīng)用于鐵路沉降監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012(2）：97-98.

[4]李宏賢.地表移動綜合成果解算系統(tǒng)[J].甘肅科技縱橫，2007(6）：43.

[5]陳超，張獻州，尚金光.高速鐵路沉降觀測數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程質(zhì)量控制與管理[J].高速鐵路技術(shù)，2011(5）：25-29.

[6]董龍橋.應(yīng)用GPS技術(shù)進行大面積地面沉降監(jiān)測[J].測繪通報，2006(2）：39-41.

[7]張鵬飛.RTK和GPS在礦區(qū)地面變形觀測中的應(yīng)用[C]∥《測繪通報》測繪科學(xué)前沿技術(shù)論壇摘要集.北京：測繪出版社，2008.

[8]章振欣.GPS-RTK技術(shù)在水下地形測量中的應(yīng)用[J].浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報，2009，21(2）：28-31.

[9]劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].2版.北京：科學(xué)出版社，2008.

Study on the Feasibility of High-speed Railway Settlement Observation Based on GPS

ZHANG Xunhu，ZHANG Lei，WANG Xiaoqi

通過理論分析和實際測試，采用人為變化測試點高程的方法，論證并檢驗使用GPS測量橢球高代替水準測量的可行性。通過測試結(jié)果可以看出，GPS測量能夠準確反映各點的三維坐標變化情況，在高程測量方面能夠準確測量出人為變化的高程值。測試過程中所使用的軟件能夠準確及時地解算數(shù)據(jù)，為沉降觀測工作提供可靠的計算保障。

GPS；水準測量；高鐵沉降觀測

P258

B

0494-0911(2014）10-0092-03

2013-07- 26；

2014-01-24

張訓(xùn)虎(1977―），男，山東濟南人，碩士，高級工程師，主要從事GPS及GIS應(yīng)用工作。

張訓(xùn)虎，章磊，王曉奇.基于GPS的高速鐵路沉降觀測可行性研究[J].測繪通報，2014(10）：92-94.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0338