全球定位系統(tǒng)在隧道測量中的應用研究

李紀新

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司,重慶 400700)

我國地形結構復雜，鐵路道路在施工中需要挖掘相應的隧道才能形成道路，而隧道測量是整個鐵路隧道施工建設的重中之重，一般隧道測量采用三角測量法或者精密導線測量法。但大量應用實例表明，這些傳統(tǒng)的測量方法具有很強的局限性，容易受到地質(zhì)情況和通視條件的影響，而且在進行隧道測量時很難選擇出正確的觀測點。而全球定位系統(tǒng)屬于一項先進的科學技術，將其合理地應用在隧道測量中，既能有效解決傳統(tǒng)測量技術存在的弊端，還能提升隧道測量的精度。在此基礎上，開展全球定位系統(tǒng)在隧道測量中應用的研究，就顯得尤為重要。

一、工程概述

圖1 隧道施工組織安排示意圖

成昆鐵路EMZQ-5標全長14085m，進口里程DK239+915，出口里程DK254+000，雙線隧道，設計為1‰（585m）、12‰（6700m）、3‰（650m）、-9‰（600m）、-12‰（5050m）、-3‰（500m）的人字坡。其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別 5630m（39.97%）、7720m（54.81%）、735m（5.22%），全隧除進口DK240+608.872～DK241+664.568段位于半徑R=2800m的左偏曲線，出口DK251+808.465～DK254+000段位于半徑R=3000m的左偏曲線上外，其余地段均為直線。

隧道施工的工程主要包括:正洞以及輔助坑道（一座斜井，一座進、出口平導），為加快施工進度，解決排水、施工通風、防災救援，兼顧施工場地布置，設進口（含進口平導）、斜井、出口（含出口平導）共3個工區(qū)組織施工，項目主要工程如圖1所示。

二、全球定位系統(tǒng)組成和定位原理

（一）全球定位系統(tǒng)組成

從結構上而言，全球定位系統(tǒng)由空間星座、地面監(jiān)控、用戶使用三大部分共同組成。從定義上而言，全球定位系統(tǒng)代表了整個運行系統(tǒng)，如：天空中運轉的衛(wèi)星、地面監(jiān)控站、GPS接收機等。而從使用功能上而言，全球定位系統(tǒng)只是指GPS接收機，主要原因是用戶在使用過程中，只能接觸到GPS接收機。

（二）全球定位系統(tǒng)定位原理

從概念上而言，全球定位系統(tǒng)的定位原理非常復雜，涉及天體運行學、測量定位學、統(tǒng)計學、數(shù)據(jù)處理學等眾多學科。但在隧道測量中應用時，并不需要對其進行深入研究，只要簡單掌握全球定位系統(tǒng)定位的基礎原理即可，就是利用衛(wèi)星發(fā)出的準確信息就可以計算出GPS接收機在某一空間內(nèi)的具體位置。具體情況如圖2所示。

如果假設GPS接收機的空間位置為（X，Y，Z），而衛(wèi)星的位置為（X1，Y1，Z1），通過下述公示：P2=（X-X1）2+（Y-Y1）2+（Z-Z1）2就可以計算出接收機和衛(wèi)星之間的距離。由于衛(wèi)星的位置是已知的，可以通過信息發(fā)出和接收的時間來計算衛(wèi)星和接收機之間的距離。當接收機同時接收四顆以上衛(wèi)星發(fā)出的信息時，就可以通過同樣的方法，計算出接收機的實際位置坐標。

三、全球定位系統(tǒng)在隧道測量中的應用

（一）測量方法和精度指標

1.加密測量方法和精度指標

施工加密控制網(wǎng)均采用GPS測量方法施測，其加密方法、精度指標均與原測相同，即采用邊聯(lián)結方式構網(wǎng)，組成三角形或者大地四邊形相連的帶狀網(wǎng)。GPS測量的精度及主要技術指標如附表1所示。

圖2 全球定位系統(tǒng)定位原理圖

2.水準點加密測量的方法和精度指標

采用水準測量方法施測，使用電子水準儀，測量等級為二等水準，按照《國家一、二等水準測量規(guī)范》（GB/T 12897-2006）規(guī)定的精度指標執(zhí)行。具體的精度指標如附表2所示。

（二）洞外測量

施測前，對所有需進入現(xiàn)場使用的水準儀、全站儀、GPS等儀器進行檢校和標定，合格后方可投入使用。

平面控制采用GPS，按照原測平面控制網(wǎng)精度施測，高程控制按照二等水準測量的技術要求施測，并盡可能地將導線點與水準點合并，建立平面和高程控制網(wǎng)，測量成果報監(jiān)理認可、批復后，方可作為施工放樣的依據(jù)及竣工后的驗收之用。對使用的控制點定期校核，防止由于其發(fā)生變化引起的施工誤差。洞外控制網(wǎng)等級選擇如附表3所示。

本工程采用平差軟件嚴密平差，對導線和高程平差計算，對最弱點進行精度評定，人工計算加以校核。其中，中誤差計算公式如下：

角度中誤差計算公式，分兩種情況：

此上述公式中△表示左、右之和與360°之差；f表示附合導線（或閉合導線）的方向角閉合差；n表示三角形的個數(shù)或計算的測站數(shù)；N表示附合導線或閉合導線環(huán)的個數(shù)。

（三）隧道測量

洞內(nèi)導線應布設成多邊形或閉合導線環(huán)，洞內(nèi)導線邊長主要考慮通視條件，宜選擇長邊，根據(jù)本隧道的特點，導線邊長宜選為200～500m。導線點應布設在施工干擾小、穩(wěn)固可靠的地方，并離洞內(nèi)設施0.5m以上。導線點埋設采用購買的不銹鋼專用測量標志，全站儀在洞內(nèi)測量距離時應注意儀器物鏡面有無霧水。投影改正：洞外GPS點及洞內(nèi)導線點必須做投影改正，一般是投影到設計所交平均高度面上。

洞內(nèi)閉合導線控制測量均按二等導線精度控制，測角用左右角全圓方向觀測導線水平角，半數(shù)測回左角，半數(shù)測回右角，左右角分別取中數(shù)后相加，其中與360度的差值不應超過本等級測角中誤差的兩倍，限差內(nèi)取平均值。距離往返觀測限差內(nèi)進行加常數(shù)、乘常數(shù)、氣壓、溫度改正和折光系數(shù)改正并取平均值。結合我們所用的測量儀器的精度，測距、測角均能滿足較高等級測量要求。

（四）貫通測量

隧道的貫通誤差包括橫向貫通誤差、縱向貫通誤差、高程貫通誤差三項，其中縱向貫通誤差對隧道施工、運營影響極小，且在施工測量過程中很容易保證精度，故在此對該項不做貫通誤差設計。下面根據(jù)平面控制測量、高程控制測量精度對橫向貫通誤差、高程貫通誤差分別作出估算。

1.洞外控制網(wǎng)布設

根據(jù)進、出洞口現(xiàn)場情況，選用強度較好的圖形加密洞口控制點。洞內(nèi)主導線按二等導線精度施測，高程按二等水準精度測量，當斜井施工至主洞交叉口處，與正洞導線形成附合導線，對正洞導線平面、高程進行檢核。

2.洞內(nèi)控制網(wǎng)布設

導線點埋設采用專用不銹鋼測量標志，布置在施工干擾小、穩(wěn)固可靠的地方，必要時采取保護措施。導線邊長一般控制在200～500m左右。隧道的里程前進方向的左側編號為Z，右側編號為Y，如出口平導的進洞左側導線點編號為CKPDZ-1、CKPDZ-2如圖3所示。

圖3 出口平導導線布設示意圖

為實現(xiàn)安全貫通，要按兩洞口以二等支導線一次測量的方式向洞內(nèi)引測平面控制網(wǎng)來估算洞內(nèi)控制測量對橫向貫通誤差的影響，預期誤差的精度估算應滿足隧道貫通誤差規(guī)定的測量精度要求。

本文結合工程實例，研究了全球定位系統(tǒng)在隧道測量中的應用。研究結果表明，全球定位系統(tǒng)比較適用于隧道測量中，既能有效保證測量的精度，還能有效節(jié)約測量的人力、物力、財力等。在實際測量中也不需要在安裝測量點，有效提升了測量的效率，保證了測量工作能順利完成，促使隧道工程安全完工。

附表1 CPI、CPII網(wǎng)GPS測量的精度指標

附表2 水準測量的精度指標（mm）

附表3 洞外控制網(wǎng)等級選擇表