GPS在黄田隧洞控制网测量中应用

GPS在黄田隧洞控制网测量中的应用［摘要］本文通过gps在黄田隧洞施工控制网测量中得到的控制网测量成果，探讨了gps 静态控制测量数据处理公式，并针对公路中线施工控制网与已建立的隧洞段施工控制网衔接问题和工程坐标计算问题提出解决办法。

［关键词］隧洞控制网；gps控制网；计算
1 概述
隧道施工中各种工序衔接紧凑，平行作业、交叉施工的工程很多，且洞内作业面狭小，如排风不畅，空气质量差，红外线测量仪器反射信号太弱，往往无法进行测量工作，随着现代测绘科学技术的不断发展，gps 定位技术已经成为现代工程勘测设计中的一种重要手段。

gps 不受通视和天气状况的影响，劳动强度低，数据精度高，并且大大缩短了设计周期，降低了设计成本，在高等级施工控制网测量中得到了广泛应用。

黄田隧洞是黄衢南高速公路3标一个7.3km长的隧道。

按照业主要求，平面控制测量以d 级gps 网为首级控制网，坐标系统采用1954 年北京坐标系，中央子午线123°。

2 测量方案
为满足隧道施工放样的需要，保障施工顺利进行，根据工程建筑总体布局和地形情况，沿隧道走向，间距3 km 左右布设两个控制点，此两点间距离控制在500 m 以上，并能够通视。

以隧洞为分界，沿线路走向布设两个gps 网，公路中线头部至隧洞进口段布设
一个d 级gps 网，网中点数为91，联测国家已知三角点4 个；隧洞出口至公路中线尾部段再布设一个d 级gps 网，网中点数为29，联测国家已知三角点3 个。

本次外业工作对在本项目初步设计阶段布置的部分控制网点进行了连测，隧洞进口段连测了gczq，d6，dgh，lyd，d15；隧洞出口连测了qjns，g14，g17，g20，xs，qgs，为控制网间的衔接和统一提供数据支持。

3 gps 点位的埋设
所有控制点均埋设钢筋混凝土标石，选用标石规格为15 cm×15 cm×150 cm，，地面露出0.1 m，以便于现场查找。

位于标石顶部的钢筋十字中心即为标心。

4 观测方法
此次布设的gps 网采用4 台leica sr530 双频gps 卫星接收机和4 台trimble r7 双频gps卫星接收机同时进行静态作业。

gps 作业的基本技术要求见表1
_表1 gps 作业的基本技术要求
序号项目等级（d 级实际情况
1 卫星截止高度角 15°15°
2 有效观测卫星数≥5 ≥7
3 平均重复测站数≥1.6 ≥1.98
4 时段长度≥4
5 min ≥45 min
5 数据采样间隔15 s 15 s
6 几何强度因子（pdop）≤6 ≤5
在gps 观测前，首先根据测区中心的概略经纬度和高程以及较新的星历进行预报，根据预报选择最有利的观测时间，提高作业效率。

野外作业时，根据接收机的台数，还有天气、交通车辆和gps 图形编制每天的观测计划，并依照实际作业的进展情况对观测计划进行必要的调整。

按照观测计划各组人员需按时到达指定的点位，并做好仪器安置和开机的准备工作，开机后应认真量取记录仪器高，gps 接收机开始记录数据后应时刻注意接收机的工作状态，包括pdop、信量等，发现异常及时处理。

在观测过程中，观测者不得离开测站，应防止人和其它物体震动或碰动天线以及遮挡卫星信号。

仪器工作正常后，应及时填写gps 测量手簿中各项内容，观测结束后再量取记录一次仪器高。

每日观测结束后，应及时将数据转存或备份，确保观测数据不丢失。

gps 外业观测采用静态相对定位的方式。

5 数据处理
5.1 基线解算
在解算基线之前，对外业采集的数据进行全面检查，包括测站名、天线高输入是否正确、卫星信号是否正常、有效观测时段是否满足等。

解算软件采用leica sr530 gps 接收机的随机解算软件leica geo office combined 6.0，并采用广播星历，双频相位观测值l1，l2，双差组合观测量，gps 网的基线结果采用双差固定解。

基线向
量解算采取软件自动处理的方法进行，适当辅以人工干预模式。

手工处理模式时，通过对基线残差的分析，采用数据的开窗处理技术，截取合适的时间段，删除亚健康状态的卫星。

解算后得到各基线向量值及其方差阵后，进行同步环、重复观测边以及异步观测环的检核，对超限基线予以删除或进行野外返工。

在删除含有较大误差的多余基线向量后，管线头部至隧洞进口段平面网共获得符合相对质量指标的基线493 条，隧洞出口至管线尾部段平面网共获得符合相对质量指标的基线175 条。

5.2 基线质量分析
gps 相邻点间弦长精度用下式表示：
σ=
式中σ—gps 基线向量的弦长中误差，mm；a
gps 接收机标称精度中的固定误差，mm；
b—gps接收机标称精度中的比例误差系数，mm/km；
d—gps 网中相邻点间的空间距离，km。

对于管线头部至隧洞进口段，σ=23.2 mm；对于隧洞出口至管线尾部段，σ=19.3 mm。

（1）重复观测边的检核
对于重复观测边任意两个时段的成果互差，均应小于相应等级规定精度，即ds≤σ。

对于中线头部至隧洞进口段，ds≤σ=65.6 mm，网中ds最大值为20 mm，满足限差要求
（2）环闭合差的检核
对于管线头部至隧洞进口段：w(x,y,z)≤3σ=120.6 mm，网中w(x,y,z)max=55mm，满足限差要求。

对于隧洞出口至中线尾部
段:w(x,y,z)≤3σ=100.3 mm，网中w(x,y,z)max=39mm，满足限差要求。

6 gps 网平差
6.1 wgs84 坐标系下三维无约束平差gps 网的三维无约束平差是在地心坐标系wgs84 坐标下进行的，其目的：（1）提供全网平差后的wgs84 系的三维空间坐标；（2）考察gps 网有无残缺的粗差基线向量，即网的内符合精度。

无约束平差的观测值均为gps 观测值，通过多次试探分析，删除网内含有较大误差的基线，把剩下的基线全部参与三维无约束平差，得到三维无约束平差成果。

对于管线头部至隧洞进口段，最弱点点位中误差4.3 mm （pdl）；对于隧洞出口至公路中线段，最弱点点位中误差5.6 mm （l83，l84）。

两个gps 网的二维约束平差成果精度完全达到d 级gps 网的精度要求。

7 工程坐标计算
由长度归算至参考椭球面和投影至高斯平面改正公式，得长度相对误差公式
根据公式计算隧洞中线沿途的变形量，以使隧洞中线各处施工放样时的变形量最小为基本原则，确定两个网工程坐标的中央子午线。

同时，根据联系测量的结果，计算本控制网的工程坐标与可研、
设计阶段的控制网的坐标转换参数，对全部隧洞中线拐点设计坐标进行转换计算。

为了与已建立的隧洞段施工控制网衔接，将公路中线至隧洞进口段平面控制网北京54（123°带）坐标以隧洞进口观测墩j1 为基点进行平移，平移值△x=-0.060 m，△y=-0.046 m 然后再将所有的1954 年北京坐标系坐标换带由123°带换算到122°23′，由此得到公路中线至隧洞进口段控制点的工程坐标。

经过换带后，测区边界部位长度投影变形值不到2.0 cm/km，满足《工程测量规范》中测区内长度投影变形不大于2.5 cm/km 的要求。

对于隧洞出口至管线尾部段，该测区边界部位长度投影变形值小于1 cm/km，满足要求。

为了与已建立的隧洞段施工控制网衔接，将隧洞出口至管线尾部段平面控制网北京54 （123°带）坐标以隧洞出口观测墩c-1 为基点平移，平移值△x=-0.221 m，△y=-0.142 m，由此得到隧洞出口至公路中线尾部段的工程坐标。

8 结语
（1）黄田隧洞施工控制网测量的顺利完成，是采用gps 静态定位技术建立特长带状平面控制网的成功尝试，该网观测方案合理，观测数据可靠，数据处理正确合理。

证明了应用gps 技术施测特长带状平面控制网效率高、精度好。

（2）双频gps 接收机可以有效削弱电离层折射影响，同时能有效探测和修复整周跳变。

（3）在进行基线解算时要进行人为干预处理掉基线中的残余粗差，剔除掉超限基线，然后才能进行整网平差计算。

（4）在进行二维约束平差时，常会遇到所连测已知点之间不兼容的情况，在平差前应该对起算点坐标进行兼容性分析，避免因为起算点不兼容而引起gps 网变形，降低gps 网的内符合精度和gps 网平差成果精度。

（5）在工程坐标计算问题上应该具体问题具体分析，为了使整个黄田隧洞各个设计阶段的坐标数据和谐统一，有必要将本施工控制网与原有初设、可研阶段控制网相衔接，做法是将坐标进行平移，然后进行换带计算，从而得到施工控制网工程坐标。

［参考文献］
［1］李征航，黄劲松.gps 测量与数据处理［m］.武汉：武汉大学出版社，2005.
［2］张勤，李家权等.gps 测量原理及应用［m］.北京：科学出版社，2005.
［3］张正禄，等.工程测量学［m］.武汉：武汉大学出版社，2006.
个人简介：刘新燕，女，宁夏回族自治区盐池县人，武汉测绘科技大学，测量工程，本科学士，主要从事工程管理、数字化等方面研究工作。

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