引漢濟渭工程黃三隧洞施工貫通地面GPS網(wǎng)的建立與效果分析

王寧（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院測繪分院陜西西安710002）

引漢濟渭工程黃三隧洞施工貫通地面GPS網(wǎng)的建立與效果分析

王寧
（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院測繪分院陜西西安710002）

本文以引漢濟渭工程黃三黃金峽水庫至三河口水庫隧洞施工貫通地面GPS網(wǎng)的建立為例，探討了地面GPS控制網(wǎng)等級與坐標(biāo)系基準(zhǔn)的選取、洞口地面控制點布設(shè)數(shù)量和位置確定、網(wǎng)形組成與建造墩標(biāo)、觀測與數(shù)據(jù)處理等主要確定過程，再進(jìn)行精度統(tǒng)計，分析了驗證實施效果的可靠性，以期為類似案例提供借鑒。

黃三輸水隧洞；地面GPS網(wǎng)；效果分析

1　概況

黃三輸水隧洞是將黃金峽水庫的漢江水輸送到三河口水庫匯流池，該隧洞全長16.8km，隧洞地處秦嶺腹地深山地域。隧洞施工除在進(jìn)、出口兩端相向開挖掘進(jìn)之外，同時還在洞身中間布設(shè)了4個施工支洞增加開挖面；為了保證輸水隧洞施工的準(zhǔn)確貫通，施工開工前，需在每一個開挖洞口（進(jìn)出口、支洞口）附近設(shè)立固定的平面控制點和高程控制點，建立洞外施工貫通測量GPS和高程控制網(wǎng)，為進(jìn)洞施工確定中線掘進(jìn)方向和高程放樣提供基準(zhǔn)值。

2　技術(shù)方案與建網(wǎng)觀測

2.1GPS控制網(wǎng)等級

黃金峽水利樞紐工程壩后左岸緊近黃三隧洞進(jìn)口端，黃三隧洞4#支洞位于三河口水利樞紐工程大壩下游右岸，這兩座大型水利樞紐工程大壩均屬于混凝土建筑物，按照《水利水電工程施工測量規(guī)范》SL197-2015首級平面控制網(wǎng)等級適用范圍的規(guī)定，其首級平面控制網(wǎng)等級應(yīng)取二等；黃三隧洞支洞間相向開挖長度為5km～10km，其地面控制網(wǎng)等級也可取二等；而黃金峽和三河口水利樞紐首級平面控制網(wǎng)點可以兼做黃三隧洞進(jìn)口與4#支洞進(jìn)洞控制點使用，因此，黃三隧洞施工貫通地面控制與黃金峽、三河口水利樞紐工程首級平面控制網(wǎng)統(tǒng)一布設(shè)為整體網(wǎng)、等級統(tǒng)一選取二等。

2.2地面GPS網(wǎng)坐標(biāo)系的選取

鑒于引漢濟渭調(diào)水工程秦嶺隧洞已先期建立地面施工控制網(wǎng)，為了方便黃三隧洞4#施工支洞與秦嶺隧洞椒溪河施工支洞施工貫通洞內(nèi)連接，黃三隧洞地面GPS控制網(wǎng)采用的坐標(biāo)系統(tǒng)與秦嶺隧洞地面GPS控制網(wǎng)的坐標(biāo)系統(tǒng)相一致，即：WGS84橢球體下的獨立施工坐標(biāo)系統(tǒng)，中央子午線108°06′28″，投影面1985國家高程基準(zhǔn)的高程525m，投影面大地高495m。

2.3地面GPS網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)引漢濟渭調(diào)水工程總平面布置圖與設(shè)計報告，經(jīng)實地查勘黃三隧洞各個施工支洞口、黃金峽與三河口水庫壩區(qū)地形地貌特征，地面GPS網(wǎng)布設(shè)采用分級布網(wǎng)方式，即：黃三隧洞的進(jìn)口端2個點、4#施工支洞口（三河口水庫壩區(qū)）1個點，與秦嶺隧洞的椒溪河支洞、4#支洞、出口端各1個點，并聯(lián)測拉薩（LHAS）、武漢（WUHN）、西安（XIAN）、昆明（KMIN）等4個GPS連續(xù)運行參考站構(gòu)成B 級GPS網(wǎng)觀測，作為基礎(chǔ)網(wǎng)；再在此基礎(chǔ)網(wǎng)上將黃三隧洞施工支洞口、黃金峽與三河口壩區(qū)布設(shè)的平面控制點組成二等GPS網(wǎng)統(tǒng)一觀測，同時分別聯(lián)測黃金峽、三河口設(shè)計階段留設(shè)的2個平面固定點，作為黃三隧洞施工貫通地面GPS控制網(wǎng)。

2.4點位選取與墩標(biāo)建造

2.4.1點位選設(shè)的基本要求

點位應(yīng)選在土質(zhì)堅硬與穩(wěn)定（目的防止位移）、便于長期保存（不易破壞）的地方；洞外平面控制網(wǎng)應(yīng)沿兩洞口連線方向布設(shè)成多邊形組合圖形，構(gòu)成閉合檢核條件；采用GPS觀測方案時，控制點應(yīng)布設(shè)在頂空星況（不可忽視隱蔽、遮擋）開闊，通視良好的地方，避免GPS多路徑效應(yīng)的影響（如：無線塔、高壓塔與線、大面積水面、強反光建筑物）。

2.4.2點位選取需要綜合考慮的因素

2.4.2.1主進(jìn)洞點位置的確定

隧洞施工貫通洞外控制布網(wǎng)前，選點人員到達(dá)隧洞進(jìn)出口、支洞口時，首先要根據(jù)設(shè)計圖紙或設(shè)計坐標(biāo)現(xiàn)場標(biāo)定洞口位置。只有洞口位置標(biāo)定后，才能結(jié)合現(xiàn)場地形地貌特征選取洞口控制點點。洞口附近控制點選設(shè)需要綜合考慮的因素有以下3點：

（1）選設(shè)洞口控制點時，必須滿足至少有1個控制點（即：主進(jìn)洞點）直接看到洞口位置。

（2）主進(jìn)洞點盡可能選在距洞口200m～300m的位置，主進(jìn)洞點與進(jìn)洞方向點之間距離盡可能控制在300m～600m。這是因為：洞內(nèi)控制測量只有布設(shè)為導(dǎo)線形式，采用全站儀觀測水平角和邊長，由于水工隧洞都是單隧洞，洞內(nèi)通風(fēng)條件差、濕度大，全站儀在洞內(nèi)測距長度一般在200m～300m，特別是洞內(nèi)貫通控制遇到施工干擾灰塵大、洞徑小的作業(yè)環(huán)境時，洞內(nèi)全站儀測距長度只能達(dá)到200m左右。如圖1所示。當(dāng)洞外GPS控制點邊長小于300m時，GPS測量精度較低（因為GPS接收機精度5mm+1ppm）；當(dāng)洞外GPS控制點邊長超過600m時，在進(jìn)洞點設(shè)站進(jìn)行水平角觀測，前后視方向為長短邊，觀測員照準(zhǔn)目標(biāo)要調(diào)焦，這樣，測角精度會降低。

圖1　進(jìn)洞導(dǎo)線布設(shè)圖

（3）洞口GPS控制點盡量布設(shè)在與隧洞洞口位置處于同一高程面上，可消除或減弱垂線偏差對進(jìn)洞定向方向觀測精度的影響。

2.4.2.2洞口控制點布設(shè)數(shù)量的確定

從洞口GPS控制點向洞內(nèi)引測導(dǎo)線時，必須確認(rèn)控制點穩(wěn)定后方可向洞內(nèi)引測傳遞坐標(biāo)，因此，向洞內(nèi)引測控制時，應(yīng)在主進(jìn)洞點架設(shè)全站儀檢測水平角和距離。

（1）當(dāng)洞口布設(shè)3個點時，檢測結(jié)果會出現(xiàn)以下兩種情況：

1）第一種情況：如圖2所示，JD1作為進(jìn)洞點，JD2、JD3是后視方向點，布設(shè)洞內(nèi)導(dǎo)線前應(yīng)在該測站檢測洞外控制點的穩(wěn)定性，即應(yīng)設(shè)站觀測β1和S1、S2。

圖2　進(jìn)洞設(shè)站檢測2方向關(guān)系圖

a）當(dāng)△β=β1-β0≤2mβ

△S1=S1-S01≤2mS，△S2=S2-S02≤2mS時，說明進(jìn)洞口的洞外3個控制點穩(wěn)定，可以作為起始點引測洞內(nèi)導(dǎo)線。

b）當(dāng)△β＞2mβ，△S1＞2mS，△S2＞2mS時，應(yīng)分析進(jìn)洞口的洞外3個控制點的穩(wěn)定性，可能至少有1個點位移或不穩(wěn)定，這時就不好判斷哪個哪個點發(fā)生位移（移動了）。

2）第二種情況是，如果進(jìn)洞口的洞外這三個點之中有任一個控制點破壞時，進(jìn)洞前就無法檢測洞口控制點的水平角。

（2）當(dāng)洞口布設(shè)4個點時，如圖3所示，JD1作為進(jìn)洞點，JD2、JD3、JD4是后視方向點，洞內(nèi)導(dǎo)線測量前，在該測站JD1檢測洞外控制點的穩(wěn)定性，即可設(shè)站觀測β1、β1和S1、S2、S3。

a）如果檢測△β1＞2mβ或△β2＞2 mβ時，說明JD2、JD3、JD4之中有一個點發(fā)生了位移，檢測β1、β2就能發(fā)現(xiàn)哪個點動了（發(fā)生位移）。

圖3　進(jìn)洞設(shè)站檢測3方向點關(guān)系圖

b）如果檢測△β1、△β2都＞2mβ，就要看JD1是否發(fā)生位移；

這時，必須在JD2設(shè)站檢測JD3、JD1、JD4之間的角度，驗證JD1的穩(wěn)定性。這也是我們選點時，要求JD1至JD2、JD3、JD4必須通視，也要盡可能保證JD2至JD3、JD4通視的原因。

雖然規(guī)范要求建立隧洞（道）施工貫通洞外控制測量時，每個洞口布設(shè)平面控制點不少于3個，但從上述分析可以看出：最可靠的布點方案是每個洞口布設(shè)平面控制點數(shù)量應(yīng)為4個。因此，在黃三隧洞1#、2#、3#支洞口各布設(shè)4個點；進(jìn)口緊鄰黃金峽水庫大壩下游、4#支洞口緊鄰三河口水庫混凝土雙曲拱壩下游，布設(shè)2個樞紐的控制點時，兼顧隧洞進(jìn)口與4#支洞口進(jìn)洞控制點位需要。

2.4.2.3GPS點墩標(biāo)建造

在黃金峽水庫樞紐、三河口水庫樞紐、1#、2#、3#支洞口所選設(shè)的GPS點全部建造混凝土觀測墩，安置強制對中基座，這樣不僅保障測量儀器在施工控制網(wǎng)的觀測過程中始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，消除光學(xué)基座的對中誤差，而且是提高觀測成果的精度和可靠性的保障。

2.5地面GPS網(wǎng)的觀測

GPS網(wǎng)使用6臺Trimble R8-3型GPS接收機靜態(tài)模式觀測。B級GPS網(wǎng)外業(yè)觀測3個時段，每個時段觀測長度23.5h，數(shù)據(jù)采樣間隔30s；C級GPS網(wǎng)外業(yè)觀測2個時段，每個時段觀測長度2h，數(shù)據(jù)采樣間隔15s。

3　數(shù)據(jù)處理與精度統(tǒng)計分析

3.1B級網(wǎng)

B級GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理采用美國麻省理工學(xué)院的GAMIT/GLOBK軟件。外業(yè)觀測完成后，收集4個GPS連續(xù)運行參考站的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；再進(jìn)行GPS基線解算，由檢測點同步環(huán)Nrms統(tǒng)計值均小于0.23周說明基線解算時周跳基本剔除干凈，基線重復(fù)性統(tǒng)計知：基線X分量的重復(fù)性平均值為±2.6mm，最大值為±6.3mm；基線Y分量的重復(fù)性平均值為±1.0mm，最大值為±1.9mm；基線Z分量的重復(fù)性平均值為±5.8mm，最大值為±10.9mm；基線長度的重復(fù)性平均值為±2.5mm，最大值為±6.4mm。

約束LHAS、WUHN、XIAA、KMIN等4個連續(xù)運行站，做三維約束平差，求出B級網(wǎng)點坐標(biāo)。其空間坐標(biāo)精度為：X分量的中誤差平均值為±1.6mm，最大值為±2.1mm；Y分量的中誤差平均值為±3.5mm，最大值為±4.5mm；Z分量的中誤差平均值為± 2.4mm，最大值為±3.0mm。B級GPS網(wǎng)點南北分量的中誤差平均值為±0.9mm，最大值為± 1.0mm；東西分量的中誤差平均值為±1.1mm，最大值為±1.3mm；高程分量的中誤差平均值為±4.4mm，最大值為±5.6mm。

3.1.3聯(lián)測秦嶺隧洞施工地面GPS控制點坐標(biāo)與原值比較均小于±10.mm。

3.2二等網(wǎng)

二等GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理采用Trimble Business Center（V2.2）GNSS數(shù)據(jù)處理軟件。共統(tǒng)計重復(fù)基線66條，重復(fù)基線長度較差最小為0.05mm，最大為10.51mm（限差14.4mm），平均值為3.58mm；共統(tǒng)計三邊同步環(huán)43個，同步環(huán)全長相對閉合差最小為0.04ppm，最大為2.81ppm（限差3.0ppm），平均值為1.15 ppm；共統(tǒng)計異步環(huán)33個，異步環(huán)全長相對閉合差最小為0.21ppm，最大為8.63ppm（限差10.0ppm），平均值為2.22 ppm。

采用TBC軟件在WGS84坐標(biāo)系下進(jìn)行三維無約束平差，再固定HSP01、HSP19等兩個獨立坐標(biāo)系的坐標(biāo)進(jìn)行約束平差，平差后最弱點位中誤差為±5.6mm，優(yōu)于規(guī)范允許值±10.0mm的精度要求。

4　結(jié)語

黃三隧洞施工貫通地面GPS控制網(wǎng)的等級、坐標(biāo)系基準(zhǔn)、洞口控制點的布設(shè)數(shù)量和位置、網(wǎng)形構(gòu)成等關(guān)鍵技術(shù)方案，結(jié)合工程特點的論證確定體現(xiàn)了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、經(jīng)濟合理的基本原則，是隧洞施工精準(zhǔn)貫通的地面GPS網(wǎng)建立的可靠保障。

觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制準(zhǔn)確，最終平差成果精度優(yōu)于規(guī)范要求，滿足黃三隧洞施工進(jìn)洞開挖掘進(jìn)定向的精度要求。陜西水利

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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