GPS測(cè)量在隧道施工中的應(yīng)用
2012-08-21 來源：作者：王福龍 來源：中國論文網(wǎng)
1、概述
蛤蟆嶺隧道位于銅陵至九江新建鐵路第1合同段，為單線隧道，全長3765m，隧道進(jìn)口位于直線上，出口位于曲線上，中部為緩和曲線段段，隧道分進(jìn)出口兩個(gè)工作面相向開挖。測(cè)區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，溫暖濕潤、光照充足。測(cè)區(qū)位于皖南地區(qū)山區(qū)，植被覆蓋高、森林茂密、交通不便，常規(guī)測(cè)量通視條件相當(dāng)困難。因此，采用GPS靜態(tài)定位進(jìn)行控制測(cè)量，測(cè)量使用四臺(tái)美國天寶4600LS單頻GPS接收機(jī)，平面標(biāo)稱定位精度為5mm+1ppm，基線解算軟件采用隨機(jī)軟件TGOffice。
2、蛤蟆嶺隧道GPS網(wǎng)的精度設(shè)計(jì)
根據(jù)隧道長度和橫向貫通誤差精度要求，參照《公路全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》JTJ/T066-98，蛤蟆嶺隧道控制網(wǎng)應(yīng)按二級(jí)GPS網(wǎng)的精度要求布設(shè)和施測(cè)，技術(shù)指標(biāo)如下：
衛(wèi)星高度角≥15°
數(shù)據(jù)采集間隔≥15秒
觀測(cè)時(shí)間≥60分
點(diǎn)位幾何圖形強(qiáng)度因子（GDOP）≤6
重復(fù)測(cè)量的最少基線數(shù)≥5%
施測(cè)時(shí)段數(shù)≥2
有效觀測(cè)衛(wèi)星總數(shù)6
3、蛤蟆嶺隧道GPS網(wǎng)的網(wǎng)型優(yōu)化
與常規(guī)地面平面控制網(wǎng)一樣，GPS網(wǎng)布設(shè)的原則是保證隧道按設(shè)計(jì)精度正確貫通，從洞口投點(diǎn)給出精確的進(jìn)洞方向以指導(dǎo)隧道開挖。
在布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，各開挖洞口布設(shè)的GPS點(diǎn)不應(yīng)少于3個(gè)，為便于使用常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行檢測(cè)，加密和恢復(fù)，各開挖洞口布設(shè)的三點(diǎn)間至少應(yīng)有一個(gè)點(diǎn)能與其它兩點(diǎn)通視，并且隧道定向邊距離應(yīng)大于300米，以滿足施工中的常規(guī)檢測(cè)和提高進(jìn)洞方位角的傳遞精度。對(duì)于鐵路直線隧道，應(yīng)在進(jìn)出口定測(cè)中線上，布設(shè)兩個(gè)控制點(diǎn)，以便于建立施工坐標(biāo)系，曲線隧道應(yīng)在每一切線上布設(shè)兩個(gè)點(diǎn)，以便精確計(jì)算曲線偏角和施工放樣數(shù)據(jù)。對(duì)于公路隧道，應(yīng)在進(jìn)出口各連測(cè)一個(gè)線路定測(cè)導(dǎo)線點(diǎn)，以便確定隧道GPS點(diǎn)與線路導(dǎo)線點(diǎn)的關(guān)系，測(cè)定和調(diào)整隧道控制測(cè)量與線路測(cè)量的連接誤差。
隧道GPS網(wǎng)應(yīng)采用網(wǎng)連式的布網(wǎng)方法，應(yīng)通過獨(dú)立基線構(gòu)成閉合圖形，網(wǎng)中不應(yīng)存在自由基線，自由基線不具備發(fā)現(xiàn)粗差的能力。某一閉合條件中的基線數(shù)不可過多，避免導(dǎo)致各邊中粗差在求閉合差時(shí)相互抵消，不能起到發(fā)現(xiàn)粗差的作用。網(wǎng)中各點(diǎn)最好至少應(yīng)通過三條獨(dú)立基線，以保證檢核條件，提高網(wǎng)的可靠性，使網(wǎng)的精度、可靠性較均勻。每個(gè)控制點(diǎn)應(yīng)獨(dú)立觀測(cè)至少兩個(gè)時(shí)段。除了采用同步環(huán)和異步環(huán)作為基線質(zhì)量檢核外，還可用全站儀測(cè)施測(cè)1～2條測(cè)距邊，加測(cè)角度作為外部檢核。
蛤蟆嶺隧道由于長隧道施工周期長，控制點(diǎn)使用時(shí)間較長，為便于在隧道施工期間對(duì)洞口控制點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)，進(jìn)出口各設(shè)了4個(gè)GPS控制點(diǎn)，其中E004、EO11-1為線路定測(cè)導(dǎo)線點(diǎn)?？刂凭W(wǎng)布設(shè)如圖1（示意圖中部分基線邊未表示）。
GPS控制點(diǎn)點(diǎn)位選擇的好壞，對(duì)GPS控制網(wǎng)的精度影響很大，通過對(duì)隧道進(jìn)出口進(jìn)行實(shí)地踏勘，點(diǎn)位均設(shè)在山頂穩(wěn)定的基巖上，視野開闊，沒有高度角大于15°的障礙物，遠(yuǎn)離高壓線及大功率無線電發(fā)射源，隧道定向邊進(jìn)出口均大于500米。
4、外業(yè)觀測(cè)
4.1星歷預(yù)報(bào)
運(yùn)行TGOffice，利用軟件的作業(yè)計(jì)劃工具，將測(cè)站的概略經(jīng)度、緯度、高程、衛(wèi)星的截止高度角、觀測(cè)時(shí)間等測(cè)站信息輸入對(duì)話框，查看衛(wèi)星的可見性。從衛(wèi)星數(shù)示意圖中可以看出，在擬定的觀測(cè)時(shí)間中測(cè)區(qū)可見最少衛(wèi)星顆數(shù)為6，說明全天均可觀測(cè)。
4.2制定作業(yè)計(jì)劃表
根據(jù)隧道的長度、開挖口的分布、精度要求、接收機(jī)的臺(tái)數(shù)、星歷預(yù)報(bào)情況、作業(yè)方式、交通條件來確定GPS網(wǎng)的觀測(cè)方案和制定作業(yè)計(jì)劃。
為確?？刂凭W(wǎng)實(shí)測(cè)精度，每個(gè)時(shí)段觀測(cè)時(shí)間均大于90分鐘，因?yàn)樵诨€處理時(shí)要剔除或刪除部分不合格的觀測(cè)時(shí)段，所以在不增加工作量的前提下多觀測(cè)30分鐘是非常必要的。
與常規(guī)地面控制測(cè)量一樣，GPS網(wǎng)也要求有足夠的多余觀測(cè)量，即有一定的可靠性。GPS網(wǎng)的可靠性用平均可靠性指標(biāo)r表示，r=nr/n，n為所選的獨(dú)立基線向量總數(shù)，nr為多余基線向量數(shù)，nr等于基線向量總數(shù)n減去必要的基線向量數(shù)nt，而必要的基線向量數(shù)nt等于總點(diǎn)數(shù)np減1，因此，r=（n-np+1）/n。根據(jù)隧道長度和精度要求等因素，r值應(yīng)大于0.3。
從表1看出，蛤蟆嶺隧道GPS網(wǎng)的獨(dú)立向量總數(shù)21個(gè)，每個(gè)點(diǎn)觀測(cè)3個(gè)時(shí)段，平均可靠性指標(biāo)r，r=（21-7）/21=0.67,r值大于0.3，可靠性指標(biāo)較好。
由于采用4臺(tái)GPS接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)出口各設(shè)兩臺(tái)接收機(jī)，嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)度計(jì)劃，按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行同步觀測(cè)作業(yè)。根據(jù)觀測(cè)方案，整個(gè)外業(yè)工作為時(shí)一天。
4.3GPS接收機(jī)靜態(tài)操作
對(duì)中，整平GPS接收機(jī)，量取天線高，開機(jī)觀測(cè)，測(cè)完以后先關(guān)機(jī)，再搬站，搬站前再測(cè)天線高，兩次量高誤差不大于2mm。
每站觀測(cè)結(jié)束前，需要記錄天線高，開、關(guān)機(jī)時(shí)間，接收機(jī)系列號(hào)，天線類型，日期，接收機(jī)類型，量高方式，以方便數(shù)據(jù)的后處理。
5、GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理
GPS測(cè)量外業(yè)自動(dòng)化程度較高，數(shù)據(jù)采集由接收機(jī)自動(dòng)完成，人工干預(yù)很少，但是GPS外業(yè)測(cè)量采集的數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用于工程實(shí)際，必須應(yīng)用相應(yīng)的解算軟件對(duì)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過基線處理、GPS基線向量網(wǎng)的平差解算、無約束平差、約束平差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)化等一系列的數(shù)據(jù)處理流程，才能得到可用于施工的測(cè)量成果。
5.1建立坐標(biāo)系
野外觀測(cè)的靜態(tài)數(shù)據(jù)是基于WGS-84橢球的，采用的是WGS-84全球大地坐標(biāo)系統(tǒng)。但蛤蟆嶺隧道線路設(shè)計(jì)是在北京54坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行的，中央子午線經(jīng)度為120度45分，因此，應(yīng)利用解算軟件建立和設(shè)計(jì)單位坐標(biāo)系一致的地方坐標(biāo)系，以便于進(jìn)行GPS網(wǎng)的約束平差，將測(cè)量成果由WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化至施工坐標(biāo)系。
5.2下傳并導(dǎo)入數(shù)據(jù)
先建立一個(gè)名稱為“蛤蟆嶺隧道”的文件夾來存放GPS數(shù)據(jù)處理過程中的文件，然后將GPS接收機(jī)通過電纜線與電腦連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)4600Ls接收機(jī)自動(dòng)文件命名規(guī)則，選擇蛤蟆嶺隧道GPS網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行下傳，按照測(cè)站記錄輸入測(cè)站各時(shí)段的測(cè)站信息（點(diǎn)名、天線高、量高方式），這個(gè)時(shí)候要認(rèn)真地核對(duì)點(diǎn)名、文件名、開機(jī)時(shí)間、關(guān)機(jī)時(shí)間、天線類型、量高方式、天線高，確保對(duì)應(yīng)關(guān)系。逐一將4臺(tái)GPS接收機(jī)中的觀測(cè)數(shù)據(jù)下傳至“蛤蟆嶺隧道”文件夾。
數(shù)據(jù)下傳完成后應(yīng)立即對(duì)下傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，以便保存?zhèn)鬏數(shù)脑紨?shù)據(jù)。
5.3基線處理
首先對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析和預(yù)處理，將各衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)段跳動(dòng)較大的衛(wèi)星信號(hào)利用Timeline工具禁止掉，利用TGOffice逐一對(duì)所有基線進(jìn)行處理。
基線處理后，查看基線處理質(zhì)量的評(píng)估指標(biāo)，最好的解算類型是L1固定解，最好的比率是大于3，并且越大越好，參考變量經(jīng)驗(yàn)值是2左右為最好，均方差RMS是小于3厘米，且越小越好，在這幾個(gè)指標(biāo)中，解算類型和均方差最關(guān)鍵。
基線處理時(shí)，刪除工作狀態(tài)不佳的衛(wèi)星數(shù)據(jù)是提高偽距定位精度的重要途徑。如果處理后的基線由墨色變成黃色，表明質(zhì)量很好。如果有個(gè)別的基線呈紅色，或者有被拒絕的基線，說明基線的質(zhì)量有問題，需要對(duì)觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行剔除，逐一選擇質(zhì)量有問題的基線進(jìn)行精細(xì)處理。
查看基線處理報(bào)告中的衛(wèi)星殘差，記住衛(wèi)星殘差大的衛(wèi)星和某些衛(wèi)星殘差大的時(shí)段。將殘差大的衛(wèi)星和殘差大的時(shí)段禁止，不讓它們參加基線處理。殘差大的衛(wèi)星時(shí)段對(duì)基線處理結(jié)果的影響非常顯著，因此，剔除殘差大的衛(wèi)星時(shí)段在基線處理中尤為重要。
其次，逐一選擇質(zhì)量有問題的基線，查看PDOP值。如果某時(shí)段的PDOP值有突變或較大，將這個(gè)時(shí)段的衛(wèi)星信號(hào)禁止。
另外，打開星空?qǐng)D，看衛(wèi)星的高度角。記下高度角低的衛(wèi)星和衛(wèi)星高度角低的時(shí)段，將衛(wèi)星高度角低的衛(wèi)星和衛(wèi)星高度角低的時(shí)段的信號(hào)禁止。
如此反復(fù)處理，直到所有的基線處理后呈黃色或者處理基線時(shí)拒絕的基線數(shù)為零。
查看GPS環(huán)閉合差，閉合差反映了內(nèi)符合精度，如果內(nèi)符合精度較差，重新處理基線，內(nèi)符合精度的好壞將直接影響最終的精度。
蛤蟆嶺隧道GPS控制網(wǎng)閉合差數(shù)目88個(gè)，通過88個(gè)，全部通過，表明基線內(nèi)符合精度較好，基線處理完成，可進(jìn)行無約束平差。
5.4無約束平差
進(jìn)行無約束平差以檢查GPS基線向量網(wǎng)的本身內(nèi)符合精度，以及檢查基線向量間有沒有明顯的系統(tǒng)誤差，從而剔除含有粗差的基線邊。
進(jìn)行無約束平差時(shí)，首先要確?；鶞?zhǔn)是WGS84，選擇基準(zhǔn)為WGS-84，然后單擊平差工具條中的“平差”進(jìn)行無約束平差。
平差之后查看網(wǎng)平差報(bào)告，查看統(tǒng)計(jì)總結(jié)，查看網(wǎng)參考因子是否在1左右，X方檢測(cè)是否通過，如果沒有通過，采用加權(quán)策略，繼續(xù)無約來平差，直到通過且平面坐標(biāo)變化量為零。
5.5約束平差
由于隧道控制測(cè)量主要強(qiáng)調(diào)各開挖面控制點(diǎn)之間的相對(duì)精度，GPS網(wǎng)是否精確位于地心坐標(biāo)系統(tǒng)并不重要，因此通常采用固定一點(diǎn)的經(jīng)典自由網(wǎng)平差法做最小約束平差。
首先將基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)（中心經(jīng)度為120°45′的蛤蟆嶺隧道Beijing1954坐標(biāo)系），即將基準(zhǔn)選為“投影基準(zhǔn)-beijing1954”，以線路導(dǎo)線點(diǎn)E004的54北京坐標(biāo)系坐標(biāo)為已知坐標(biāo)進(jìn)行最小約束平差。
平差后查看網(wǎng)平差報(bào)告中的參考因子是否在1左右，X方檢測(cè)是否通過，平面坐標(biāo)變化量是否為零，否則，應(yīng)采用加權(quán)策略，繼續(xù)進(jìn)行平面約束平差。直到網(wǎng)參考因子在1左右，X方檢測(cè)是通過，平面坐標(biāo)變化量為零。整個(gè)觀測(cè)成果的好壞，可以通過網(wǎng)平差報(bào)告中是否出現(xiàn)紅色警告數(shù)據(jù)、殘差柱狀圖、誤差橢球、水平精度和高程精度的比率等撐握。
5.6成果輸出
平差成果的所有信息都包含在“網(wǎng)平差報(bào)告”中，殘差柱狀圖、點(diǎn)位誤差橢圓圖、平差成果表、協(xié)方差、環(huán)閉合差、平差后觀測(cè)成果表等等。
“網(wǎng)平差報(bào)告”中的“平差格網(wǎng)坐標(biāo)”成果就是蛤蟆嶺隧道洞外平面控制測(cè)量各控制點(diǎn)的施工坐標(biāo)。
報(bào)告可以直接打印輸出，也可以復(fù)制到Word文字處理系統(tǒng)中排版輸出。
6、小結(jié)
蛤蟆嶺隧道GPS測(cè)量外業(yè)選點(diǎn)埋石一天，外業(yè)觀測(cè)一天，數(shù)據(jù)處理一天，三天完成了常規(guī)測(cè)量要十幾天才能完成的測(cè)量任務(wù)，通過對(duì)蛤蟆嶺隧道的GPS控制測(cè)量實(shí)踐，可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論。
?。?）GPS隧道控制測(cè)量精度高，采用GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)精度可達(dá)毫米級(jí)。
?。?）GPS測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度低，無須翻山越嶺，在山頂設(shè)置過渡點(diǎn)，外業(yè)測(cè)量為傻瓜型，只需按開機(jī)測(cè)量按鈕即可測(cè)量，數(shù)據(jù)采集由GPS接收機(jī)自動(dòng)完成，無須過多的人工干預(yù)。
（3）GPS測(cè)量作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)通常是常規(guī)測(cè)量的四倍以上，隧道越長作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益越顯著。
（4）控制點(diǎn)易于恢復(fù)，若某個(gè)控制點(diǎn)丟失，只需幾個(gè)小時(shí)即可恢復(fù)。
?。?）GPS測(cè)量是一項(xiàng)先進(jìn)的定位技術(shù)，可以提高企業(yè)的科技水平，為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
?。?）GPS測(cè)量要求測(cè)站上空障礙物較少。天空可視條件差，接收的衛(wèi)星數(shù)少于4顆的地區(qū)無法使用，是GPS測(cè)量的一個(gè)不足之處。
GPS用于長大隧道控制測(cè)量可以提高測(cè)量精度，降低測(cè)繪成本，其高精度，高效率的突出特點(diǎn)表現(xiàn)出傳統(tǒng)測(cè)量模式無法比擬的優(yōu)越性，在隧道控制測(cè)量方面仍然具有良好的應(yīng)用前景，采用GPS進(jìn)行長大隧道洞外平面控制測(cè)量已成為目前隧道控制測(cè)量的主要發(fā)展趨勢(shì)。
