引紅濟石調水工程施工控制網測量方案設計與實踐

張 博

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

引紅濟石調水工程施工控制網測量方案設計與實踐

張 博

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

為保證引紅濟石調水工程順利實施,需進行地面施工控制網的布設和測量。結合工程實際，提出施工控制測量方案，依據行業規范確定精度要求,按照儀器標稱精度和觀測條件確定先驗權，運用公式進行精度估算，確定觀測方案并實施，將由平差坐標反算的邊長、夾角和邊角網實測邊長、夾角進行比較,數據吻合良好。證明該工程施工控制網精度可靠,足以保證建筑物施工放樣和長距離輸水隧洞的貫通。

精度估算；施工控制測量；數據處理和分析

為補充渭河流域關中區的水資源短缺,緩解日益嚴峻的城市工業生產、居民生活、農業生態供水矛盾,在紅巖河上修建一座高7 m，長78 m的低水壩抬高水位,再通過556 m的暗渠和長度為19.76 km、洞徑為3 m的特長引水隧洞穿越秦嶺將紅巖河水引入石頭河水庫上游。為保證工程順利實施,需進行地面施工控制網的布設和測量。

1 施工控制網方案設計

1.1 設計要點

引紅濟石調水工程跨度大、距離長，區域內崇山峻嶺、森林密布，地質、地形條件復雜。布網時要全面控制、統一設計、整體實施的原則下選擇可靠、經濟、高精度的最優方案。

（1）在19.7 km的隧洞段選埋控制點時,應考慮貫通精度和點位要求,便于施工單位布設洞內導線。

（2）選擇施工系統時應便于設計坐標到施工放樣的銜接,并應使坐標反算邊長、角度與實地接近以保證施工放樣的精度要求。

隧洞控制測量分為高程控制測量和平面控制測量,它們的誤差會對隧洞貫通產生豎向、橫向和縱向誤差。縱向誤差對工程影響不大基本不予考慮,豎向誤差可以用精密水準儀測量方法解決,所以隧洞的貫通誤差主要體現在橫向誤差。

施工平面控制網設計的依據是橫向貫通誤差分配給洞外控制網測量對橫向貫通誤差的限差。

1.2 隧洞貫通精度指標

根據工程初步設計方案,隧洞共有四個工作面,只在K7+639（折點）處布設施工支洞,相向開挖長度(含支洞)為13 km。根據規范規定,各項中誤差的分配值見表1[1]。

表1 貫通中誤差分配值

1.3 洞外平面控制橫向貫通中誤差估算

規范規定:大型水利水電工程,施工平面控制網等級宜選擇為二等。網中最弱點位允許中誤差為±5 mm[1]。

GPS網不受網形、地面通視條件的限制,施工平面控制采用GPS網。

GPS控制網的精度估算按公式(1)、公式（2）和公式（3）進行。假如使用5 mm+1 ppmGPS接收機觀測，GPS網一端點相對另一端點的縱、橫向中誤差分別為[2]:

其對應的點位中誤差為:

用式（1）、式（2）和式（3）（D=19700 m，ρ=206265)估算出的GPS控制網縱、橫向中誤差和點位中誤差分別為，24.7、14.3、28.5 mm。可見橫向中誤差m橫=14.3 mm＜±44 mm。根據隧洞進、出口長度計算出隧洞進出口邊長相對中誤差應滿足m/D=44/19700000≈1/450000。即要求二等GPS網平差后的進、出口方向邊長相對中誤差≤1/450000，最弱點中誤差≤±5 mm。

1.4 洞內導線橫向貫通中誤差估算

規范規定:地下控制采用二等或三等基本導線進行。精度估算按公式（4）進行:

式中：ms為測距儀測距中誤差；mβ為測角中誤差；n為導線邊數；ρ為常數(2062650)；L 為導線長度[1]。

若取 ms=3 mm，mβ=1.00，n=（6500÷300）≈22，L=6500 m（單向開挖長度），計算出MB=±89.3 mm＜110 mm。

即要求：洞內導線按二等精度進行，平均邊長≥300 m，測距中誤差≤3 mm，測角中誤差≤10。

1.5 豎向貫通誤差估算

高程測量中誤差按下式計算:

式中，MΔ為每千米高差中數偶然中誤差,取相應等級參考值(mm)，L 為水準路線長度(km)。

按公式(5)計算，取 MΔ=3(三等)，L=20，則地面高程測量中誤差m9h=±13.4 mm；取MΔ=3，L=13，則地下高程測量中誤差：m9h=±10.8 mm；取 MΔ=5(四等)，L=13，則地下高程測量中誤差：m9h=±18 mm。

上述數值均＜27 mm，滿足表1規定。由此確定,地面高程控制等級為三等,采用幾何水準方法施測。洞內高程測量按四等水準或同精度光電測距三角高程測量方法進行。

2 施工控制網布設

2.1 平面施工控制網布設

單純的GPS網難以達到mm級的精度,而且GPS測量在選擇點位時受衛星高度角影響,有其特定局限性。為此,需要在隧洞進、出口及支洞口等特征部位用高精度全站儀加測一定數量的邊長和角度構成GPS邊角混合網。這樣在選點時只需對洞口附近網的圖形、邊長、通視情況按經典邊角網要求選取，其余點位均可靈活選建,就減少了清障、森林砍伐的工作量。

選擇GPS網點要求如下：①點位應選在通視良好、視線開闊地基穩定并能長期保存的地方。②視線離障礙物不宜小于2 m；應避免通過吸熱、散熱不同的地區，更不應該有強電磁場的干擾。③控制點應有利于施工放樣及測設洞口點。

為了消除對中誤差的影響,應埋設混凝土觀測墩并安裝F-1A型強制對中基座。

根據工程初步設計方案,全網共布設21個點。其中G01～G04位于隧洞進口處，G08～G12位于1#支洞處，G18～G21位于隧洞出口處，預設支洞和通風井兩處各布設3點和4點,分別為G05～G07和G15～G17。網型如圖1所示。

圖1 平面施工控制網示意圖

2.2 高程施工控制網布設

高程控制測量采用三等水準方法實施。全線路共布設14個水準點,分別埋設在隧洞進口及壩址處,1#支洞進口和隧洞出口處,對通風井和預設的支洞處各布設一對水準點。

高程控制測量相對簡單,本文不再贅述,以下主要針對平面施工控制測量。

3 平面施工控制測量

3.1 GPS觀測

用Ashtech雙頻接收機按靜態測量網要求觀測。觀測所用天線統一為扼徑圈天線,減弱了多路徑效應的影響。采用6臺儀器同步環邊連接的觀測模式。儀器標稱精度為5 mm+1 ppm。

觀測技術要求:①衛星高度角≥15°；②數據記錄方式:壓縮；③采樣間隔：15 s；④連續同步觀測時間:≥4 h⑤PDOP≤6[3]。

3.2 邊角網觀測

用LeicaTCA2003全站儀對特征部位按二等平面網要求進行角度和邊長觀測。PDA外業記錄（記錄軟件為清華山維專用記錄軟件Elerce）。全站儀標稱測角精度0.5，標稱測距精度1mm+1ppm。

（1）水平角觀測:水平角采用方向觀測法觀測9測回。網中共測角14個。

（2）邊長測量：天頂距采用中絲法對向觀測各6測回，斜距觀測往、返測各4測回。測站、鏡站觀測前后各量取一次氣溫、氣壓,最小讀值分別至0.2℃，50 Pa,并取中值。網中共測邊28條。

4 GPS混合網數據處理及成果分析

4.1 數據處理

（1）采用GPS后處理軟件(Ashetech Solutions2.5)進行基線解算,采用Power Adj4.0軟件進行平差。

（2）GPS網的無約束平差。基線處理結束后，首先進行基線質量檢驗。檢核結果如下：①重復基線最大較差3 mm＜±14.8 mm；②異步環最大閉合差11.4 mm＜±173 mm；異步環坐標分量最大閉合差 Wx=3.2 mm、Wy=9.1 mm、Wz=6.2 mm,允許值為±27 mm；③同步環最大閉合差2.1 mm＜±65 mm；同步環坐標分量最大閉合差 Wx=1.5 mm、Wy=1.2 mm、Wz=1.6 mm，允許值為±14.6 mm。

從以上三項檢核可知，本次觀測所有基線滿足二等GPS網外業精度要求。

以所有獨立基線構成閉合圖形,所有基線向量及相應方差協方差陣作為觀測信息；以G02的大地坐標作為起算數據，進行GPS網的無約束平差。平差后最弱點為G09點位中誤差為1.8 mm＜±5 mm，最弱邊G20～G19，邊長比例誤差為1/1022261＜1/450000。

平差結果遠遠小于允許值，表明該平面施工控制網具有良好的內部符合精度。

（3）GPS混合網的約束平差。①系統聯測:對勘測設計階段留設的控制點GPS04、GPS05、GPS06，用Leica TCA2003按二等精度進行校測，角度差值為-1.62，邊長差值為-6.4 mm，小于規范規定，證明原有控制點精度可靠。再按二等精度聯測出G10-G13方位角和邊長，并將邊長投影至1456 m（隧洞進出口平均高程），按極坐標法計算出G10、G13的坐標。

②電磁波測距邊的計算:利用斜距(經儀器加、乘常數、氣象改正后),往、返測高差中數及相應的儀器高、棱鏡高分別計算往(返)測水平距離,較差應小于 2（1 mm+1×10-6D）(D 取值至 km),再將往、返測水平距離取中數作為實測水平距離。

③二維約束平差:選擇G10，G13作為約束點，平差時將GPS基線與全站儀測邊結果合并在一起進行整體網間接平差。

平差后最弱點G19點位中誤差為1.3 mm＜±5 mm，最大邊長比例誤差：1/1194568＜1/450000，滿足設計要求。

4.2 成果分析

將平差成果反算的角度與邊角網中實測的角度進行比較(部分)見表 2 (包含最大差值)。

表2 角度比較表(只取尾數)

將平差成果反算邊長與電磁波測距邊長比較 (投影至1456 m)結果見表3(包含最大差值)。

表3 邊長比較表(只取尾數)

由上表可知角度和邊長差值均＜1/3限差。說明地面全站儀的測量數據與成果反算的數據吻合很好,從而證明該施工平面控制網具有良好的外部符合精度和較高的作業質量。

5 結論

（1）控制網內加測地面邊長有效提高了網的精度,平差后控制網的尺度與施工放樣的尺度一致,滿足施工放樣要求。

（2）GPS混合網平差時固定高程投影后的電磁波測距邊長，在提高控制網精度的同時可最大程度消除高斯投影和高程投影對邊長的影響。

[1]SL52-2015,水利水電施工測量規范[S].

[2]白玉春.特長引水隧洞GPS控制測量研究與應用[J].測繪通報，2008.10.

[3]GBT18314-2009,全球定位系統（GPS）測量規范[S].

P332.5

B

1673-9000（2017）05-0176-02

2017-04-18

張博(1981-)，男,陜西西安人,工程師,主要從事水電測繪方面的工作及研究。