GPS在长大隧道控制测量中的应用3

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1、GPS在长大隧道控制测量中的应用王科锋 张子明(中铁电气化局西铁工程公司 陕西西安 710032)摘 要：阐述了GPS在控制测量中的特点，结合白石河二号隧道和展沟隧道GPS控制测量的实践，总结了GPS在长大隧道控制测量的应用，并对GPS测量结果与常规测量结果进行了比较，最后对GPS测量做出了展望。关键词： GPS 隧道 控制测量 误差预计Application of GPS in the long and large tunnel controls surveyShiroishi River tunnel two and exhibition ditch tunnel controls sur

2、veyWang kefeng Zhang zimingAbstract: Have set forth the GPS characteristic in control survey, be tied in the practice of wedlock Shiroishi River tunnel two and stretching ditch tunnel GPS control survey, have summed up GPS application in the long and large tunnel has , have carried out comparison be

3、tween GPS measurement result and routine measurement result , has delivered a lecture to GPS measurement out finally and to look into the distance. Key words: GPS, tunnel, control survey ,error estimates 全球定位系统GPS（Global Positioning System,简称GPS）是卫星导航与定位系统，该系统具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好

4、的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术已广泛应用到测量的各个领域，为国家的经济建设做出了重大贡献。1 概述改建铁路襄渝二线白石河二号隧道（全长6921米）和展沟隧道（全长4060米）位于陕西省白河县境内,两隧道洞外控制测量采用三台瑞士徕卡(Leica)公司WILD GPS 200双频大地测量型GPS测量系统对隧道进、出口及白石河二号隧道的辅助坑道东沟斜井的12个控制点进行了测量，在短暂的5天内完成了两座长大隧道的控制测量任务，求出了各控制点的高斯坐标、独立施工坐标、方位角及其中误差。2 GPS在控制测量中的特点GPS在控制测量中主要有以下特点：测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在

5、小于50km的基线上，其相对定位精度可达110-6，在大于1000km的基线上可达110-8。测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20min左右，动态相对定位仅需几秒钟。仪器操作简便。目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机，接收机即可进行自动观测和记录。全天候作业。GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响，提供三维坐标。GPS测量可同时

6、精确测定测站点的三维坐标。随着国民经济的发展，交通工程建设发生着日新月异的变化。高等级的工程级别越高，长大隧道也就越多，用常规的测量技术已不能适应高标准，而GPS具有以上的优势，所以已经广泛地应用在公路、铁路工程中。3 GPS网的施测隧道进、出口、斜井口各布设三个GPS控制点，桥梁和隧道共用相同的控制点。控制点的埋石一般为混凝土包铁芯桩，或基岩上刻“+”钢钉，点位选在稳定可靠，视野开阔，远离高压线、无线电发射塔，便于GPS接收机接收信号的地方。本次GPS控制网共布设了12个点，每个洞口布置三个GPS点,白石河二号隧道出口和展沟隧道进口共用三个GPS点，由50条基线向量组成，共计观测了18个观测

7、时段，全网东西长约11.5公里，南北宽约1公里，GPS网见图一。布网及野外观测方案参照中华人民共和国国家标准GB/T18314-2001全球定位系统(GPS)测量规范中B级网、铁道部标准TB10054-97全球定位系统(GPS)铁路测量规程中B级网。观测中全部实现双频观测，卫星截止高度角设为15，观测数据采样率设为20秒，所有基线边各观测时段长度均设置在120min以上，准动态(stop and go)指标全部超过800%。4 GPS测量的数据处理 GPS观测数据处理分为数据预处理(即基线解算)和数据后处理(即环闭合差的统计和检核、平差、转换、投影、求转换参数再转换)两部分。GPS数据预处理一

8、般是由GPS接收机厂家所提供的基线解算软件完成计算，也可由某些开放式的软件系统进行计算 41 GPS控制网的质量检核GPS数据后处理的一个重要内容是GPS控制网中环闭和差的统计和检核，以检查GPS测量实际所达到的等级。根据GPS测量规范，GPS测量的精度等级由固定误差和比例误差综合确定，综合精度为：GPS控制网中独立闭合环或附合路线闭合差应满足：对本次GPS控制测量的50多个闭和环闭和差的统计表明，闭和环闭和差最大为36cm，其允许误差为57cm，闭和环闭和差最小为1mm，其允许误差为55cm。可见本次GPS洞外控制测量达到了预定的精度等级。42 GPS网平差计算GPS基线计算一般采用随机软件

9、，也有采用自己开发的软件。本次GPS基线解算采用Leica(徕卡)随机处理软件SKI2.3进行计算。GPS基线解算完成后，在WGS-84坐标系（1984年世界大地坐标系）内进行无约束平差，选用WGS-84地球椭球，中央子午线设为东经11004，横穿测区中央，能使高斯投影的长度改化接近于零，高斯投影抵偿面的高程设为测区隧道洞内轨顶平均高程220米，能有效消除全站仪所测导线边长化至抵偿椭球面大地线长度的改化。 经平差得到结果如下: 边长中误差最大为3.0mm，最小为1.1mm。边长的相对精度最高为1/214万；最低为1/18万，远高于规定1/8万的精度。 GPS点54坐标的点位中误差最小为4.3m

10、m；最大为1.6. 43施工坐标系的建立利用隧道参考椭球的高斯投影，把GPS的WGS-84空间坐标转换为隧道测区的独立施工坐标的新方法，减弱了大地水准面相对于参考椭球面倾斜所引起的垂线偏差对隧道贯通精度的影响提高了GPS隧道施工控制网精度。将本次GPS所测高斯平面坐标直接转化成，以测区内最长的隧道主轴线JD153至JD154为X轴、与X轴垂直的方向Y轴方向、以JD153至JD154间夹直线的里程为X坐标的左手系平面直角坐标。将隧道洞外控制点投影到该施工坐标系里，便利了施工放样。5 隧道洞外贯通误差预计GPS技术建立隧道施工控制网估计控制网测量误差对隧道横向贯通误差的影响采用下面的简化公式进行估

11、算：m外2=m12m22=式中，m外表示洞外GPS控制测量误差对贯通面横向贯通误差的总影响，m1、 m2分别表示两端洞口GPS控制点对横向贯通误差的影响，S1 、S2分别为两端洞口GPS进洞控制点至贯通面的距离，m12、m22分别表示两端洞口进洞边测角中误差，为常数206265。白石河二号隧道分两段进行贯通误差预计，隧道进口白水河横洞至东沟斜井构成第一个贯通段(两洞口间开挖长度5131米)，东沟斜井至隧道出口构成第二个贯通段（两洞口间开挖长度3635米），展沟隧道进口到出口构成第三个贯通面,贯通误差预计结果如下表。表一、贯通误差预计表位置里程进洞边方位角中误差()Si(m)mi(m)m外(m)

12、白石河进口184+608JGGPS600.3920570.0040.0181#贯通面186+699东沟斜井188+790DG3DG41.3227700.018东沟斜井188+790DG3DG41.326940.0040.0122#贯通面190+163白石河出口191+536GPS61JC1.6114280.011展沟进口191+583GPS61JC1.6120220.0160.0183#贯通面193+613展沟出口195+643GPS64JA0.9221200.0096 GPS测量可靠性的检验各个洞口的GPS点采用全站仪对部分基线长度和各洞口控制点间的夹角进行了检验，以检验GPS测量的可靠性和

13、外符合精度。比较结果见表二、三。表二、GPS实测地面边长与全站仪检测地面边长比较表边 名GPS地面边长(m)全站仪地面边长(m)差 值(mm)备 注GPS61GPS62600.7084600.7103-1.9JCGPS62376.2527376.2560-3.3DG3DG4468.1008468.1045-3.7JGGPS60537.6438537.6496+5.8GPS60GPS60-1317.8084317.8113+2.2GPS64J19829.5164829.5122+4.2GPS64JA255.1210255.1186+2.4表三、GPS实测角度与全站仪检测角度比较表角 度 名GPS

14、实测角度 全站仪检测角度 差值限差备 注GPS64JAJ19119-28-12.8119-28-09.8+3.05.1三等GPS61JCGPS62143-59-42.3143-59-42.6-0.3J19GPS64JA30-23-14.730-23-14.1+0.6DG4DG3DG290-59-10.990-59-08.8+2.1GPS60-1GPS60JG58-49-35.658-49-35.3+0.3从上表比较看出，本次GPS测量的可靠性和外符合精度良好。7 结论与展望通过以上对GPS测量的应用事例的探讨，可以看出GPS在长大铁路隧道的控制测量中具有很大的发展前景：第一GPS作业有着极高的

15、精度。本次GPS测量的精度为常规全站仪导线测量精度的3倍，而且其作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。第二GPS测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。第三GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。参考文献1 李征航，黄劲松. GPS测量与数据处理 武汉：武汉大学出版社，20052 徐绍铨，张华海等. GPS测量原理及应用 武汉：武汉测绘科技大学出版社 19983 孔祥元，梅是义.控制测量学 武汉：武汉大学出版社，2002.25