山西省中部引黄工程西干线平面施工控制网的建立

刘 瑛

(太原市勘察测绘研究院,山西太原 030002)

山西省中部引黄工程西干线平面施工控制网的建立

刘 瑛∗

(太原市勘察测绘研究院,山西太原 030002)

山西省中部引黄工程西干线隧洞总长度达85.6 km,为保证隧洞正确贯通,控制网要求等级和精度较高。平面控制网的建立充分应用GPS定位技术,通过GPS网设计、外业施测、平差计算、资料整理等工序,高效、快速、高精度地完成了全部工作,为中部引黄工程西干线隧洞施工测量、正确贯通提供了准确可靠的基础资料。

隧洞;GPS测量;贯通

1 工程概述

山西省中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中一项重要的工程,包括取水工程和输水工程,其中输水工程包括总干线、东干线、西干线以及各供水支线输水。西干线接总干线桩号总200+217.14,向西南方向从石楼县东部山区穿过,依次在桩号西34 +576.69及西48+890.75处设分水口,分别给柳林生态园及石楼县分水,然后隧洞再向南,在牛家岭穿分水岭后进入临汾市隰县境内,在隰县下王家庄南部的昕水河左岸山体穿出,全长86.13 km。西干隧洞出口设十字分水闸,分别向隰县、蒲县大宁支线分水,并解决西干隧洞石楼至隰县段退水问题。西干线除西85+ 587.05至西85+697.58处有一处长110.57 m的埋涵外,全线其余地方都为隧洞工程,隧洞长度达85.6 km,隧洞最大埋深694 m,隧洞平均高程940.61 m,中线设计共有14个拐点、24个支洞口和1个隧洞出口。

工程作业区位于山西省的西部高原,地形是以吕梁山脉为骨干的山地型高原,作业区内沟壑纵横、高差较大、交通不便,支洞洞口均位于狭长的山谷内,通视困难,施工控制网的建立难度较大。

受山西省中部引黄工程管理局委托,太原市勘察测绘研究院承担了西干线施工控制网测量任务,目的是为各施工单位提供统一、准确的控制点资料,以保证西干线隧洞的正确贯通。项目组依据西干线的总体布局和实际地形情况,采用先进的技术手段,经过控制网设计、外业施测、平差计算、资料整理等工序,高标准地完成了平面控制网的建立,现将主要过程作一介绍,希望对于类似的工程有一定的参考价值。

2 平面控制网的设计

2.1 布网方案的选择

根据西干线的总体布局和实际地形情况,如选择布设二等导线网,则会增大劳动强度、延长工期,并且导线测量误差会迅速积累,不利于隧洞的正确贯通。所以我们决定布设GPS控制网,由于西干线全线基本上全部为隧洞,作业区全部集中在支洞口,在隧洞出口、各支洞口一次布设GPS网,统一设计、观测,整体平差,这样整个施工控制网精度比较均匀,将有利于隧洞的正确贯通,并且劳动强度低、作业时间短、费用较低[1]。

2.2 贯通误差的确定及分配

《水利水电工程施工测量规范》(SL52-93)中表1对贯通误差的限差及贯通中误差分配值有明确规定[2]。

表1 水工隧洞开挖贯通误差

在进行贯通测量设计时,可取极限误差的1/2,作为贯通面上的贯通中误差,根据隧洞长度,各项测量中误差的分配,应符合表2的规定。

表2 贯通中误差分配值

西干线各支洞间相向开挖长度(包括支洞)为2.8 km～6.2 km,因为本工程地面控制测量只分一级布设,因此GPS网中最弱点的点位中误差应小于±30 mm。

在控制贯通误差方面,采用等级较高的GPS C级网,最后解算的控制网中的点位中误差均较小,最弱点的点位精度也很高,远远优于贯通误差的所需要的点位中误差要求。

2.3 GPS控制网的优化设计

(1)基准设计

采用与设计坐标系一致的1980年西安坐标系(3°带高斯投影,中央子午线111°);平面控制网起算数据为山西省连续运行基准站(柳林、交口、永和),山西省连续运行基准站覆盖全省范围,至本项目开始已稳定运行了三年多,本施工控制网的位置基准、方向基准和尺度基准均由上述3个基准站二维约束整网平差实现;网内重合观测中阳县、苍湾、崔家庄3个国家GPS C级控制点,联测点位中误差应小于±30 mm。

(2)图形设计

按照《水利水电工程施工测量规范》(SL52-93)要求,施测等级为二等,整网以同步三角形和边连式沿南北线路方向扩展成GPS网锁;在每个支洞口、出口附近布设3个控制点(布成三角形)并且相互通视,每个洞口相邻控制点保证同步观测。GPS网主要设计指标[3]如表3所示。

表3 GPS网的主要设计指标

(3)观测方案

综合考虑GPS网的布设方案、卫星的可见性预报、网的连接方式、各时段观测时间和交通情况,制定了最佳的观测方案。

3 平面控制网的测量

选点、埋石及外业施测按相关规范和设计要求进行。

3.1 数据处理

基线处理软件采用LGO软件,软件版本为7.0;平差软件采用武汉大学的科傻软件,软件版本为V5.21。

(1)SXCORS连续运行基准站数据

本次坐标联测的GPS数据处理具体方法为,引入3个SXCORS连续运行基准站,并与联测站点按时段解算,目的是将联测点的坐标基准与CGCS2000系坐标基准统一。

(2)精密星历

卫星轨道的精度是影响GPS基线解算精度的重要因素之一,其对基线的影响可以较为精确地用下式给出:

式(1)中|△r|为卫星轨道的误差,r为卫星至测站的位置矢量,|△b|为基线矢量的误差,b为两站之间基线矢量。设r=22 000 km,b=100 km,如|△r| =20 m,则星历误差对基线解算在最不利的情况下影响为2.2 cm。由此可见,提高卫星轨道的精度是保证GPS相对定位精度的关键之一。

本次联测网的处理,采用IGS精密星历,其轨道精度达到0.05 m。在这种情况下,如控制网中的边长为100 km,星历对基线解算在最不利的情况下影响也不超过0.1 mm。

(3)GPS网基线处理

复测基线的长度较差ds应满足下列公式的规定[4]:

式中:σ为基线测量中误差(仪器的标称精度),其中a取5 mm,b取1 mm/km,d取基线长度(km)。

本网复测基线的长度较差最大的基线为C060-C061,基线长度为0.6 km,2.963 9 mm,小于限差14.31 mm,可见网中复测基线的长度较差满足规范要求。

(4)基线处理各项指标

外业基线处理结果,其独立闭合环或附合路线坐标闭合差Ws和各坐标分量闭合差(Wx、Wy、Wz)应满足下列公式规定[4]:

本网独立环闭合差计算结果中,闭合差最大的环为C053-C046-C052,闭合环总长度为9.6 km,Wx=5.3 mm,Wy=-13.1 mm,Wz=-15.6 mm,均小于限差30.3 mm,Ws=21.0 mm,小于限差52.5 mm,可见基线向量分量闭合差和独立环闭合差满足规范要求。

(5)平差

二维平差采用武汉大学研制的COSA软件进行,以SXCORS基准站(柳林、交口、永和)的西安80坐标作为起算坐标,进行二维向量网平差,计算出二等GPS点的西安80坐标。

3.2 施工控制网的建立和转换

该施工控制网应投影至隧洞平均高程面的高斯平面上。即采用1980西安坐标系,3°带高斯投影,中央子午线111°,940 m投影面。

理由分析如下:对于隧洞工程通常采用隧洞平均高程面作为施工控制网的投影面,西干线主洞起点底面高程为954.07 m,终点底面高程为925.36 m,因此将西干线主洞底面平均高程(939.715 m进行取整) 940 m作为施工坐标系投影面。由长度归算至参考椭球面和投影至高斯平面的改正公式[5]:

本项目中采用隧洞平均高程面作为投影面,则长度归化改正为零。隧洞线路呈东北-西南走向,东西跨度23.66 km,隧洞最东侧位于中央子午线111°以东18 182 m,最西侧位于中央子午线111°以西5 481 m。高斯投影引起的变形值最大为0.4 cm/km,远小于2.5 cm/km,满足规范要求。

4 平面控制网精度及GPS测量误差对横向贯通误差的影响

4.1 平面控制网精度

平面控制网最弱边长相对精度、最弱点点位中误差、新测坐标与原有控制点坐标对比、施工单位复测坐标对比均在限差之内,如表4～表7所示。

表4 最弱边长相对精度统计

表5 点位精度分析

表6 新测坐标与原有控制点坐标对比分析(3个)

表7 施工单位复测控制点坐标对比分析(部分)

4.2 GPS测量误差对横向贯通误差影响的估计

用GPS测量技术建立隧洞施工控制网,估算控制网测量误差对隧洞横向贯通误差的影响值,尚无明确规范可遵循,本项目参照国际“欧洲隧道公司”横穿英吉利海峡的“欧洲隧道”的分析方法,用控制网的平均相对误差估计贯通误差的影响值。

按GPS网最弱边相对中误差1/283 000的精度计算,对于8 km长的隧洞,GPS测量对贯通误差的影响值中误差为8 km×1/283 000=±28 mm＜150 mm。1/283 000是最弱边相对中误差,实测中控制网的平均相对精度必然高于1/283 000,因而地面GPS网对贯通误差影响值中误差要低于±28 mm,完全可以满足隧洞贯通的要求。

5 结 语

本工程充分应用GPS定位技术,高效、快速、高精度地完成了全部工作,为中部引黄工程西干线隧洞施工测量、正确贯通提供了准确可靠的基础资料,经各个标段施工测量队伍复测和使用后反馈意见,认为该控制网布设合理、精度可靠,完全能满足中部引黄工程西干线施工要求。

[1] 王丽英,贾晓堂.观音阁水库引水工程施工控制网的设计[J].测绘通报,2012(6).

[2] DL/T 5173-2003.水电水利工程施工测量规范[S].

[3] 秦长利.城市轨道交通工程测量[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[4] 李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武昌:武汉大学出版社,2005.

[5] 孔祥元,郭际明.控制测量学[M].武昌:武汉大学出版社,1996.

The Establishment of Plane Control Network in the West Main Tunnel of Middle Yellow River Diversion Project in Shanxi Province

Liu Ying
(Taiyuan Institute of Surveying and Mapping,Taiyuan 030002,China)

The total length of the west main tunnel of middle Yellow River diversion project in Shanxi Province is 85.6 km.In order to ensure the accurate cut-through of the tunnel,the control network requires high level and high precision.The establishment of plane control network fully applies GPS positioning technology.All the work was finished with high efficiency,rapid and high precision,which include the adjustment of GPS network design,field testing,calculation,data compilation process and so on.,It provides the basis of accurate and correct information for the Yellow River diversion project in central west main tunnel construction measure.

tunnel;GPS measure;cut-through

2013—12—30

刘瑛(1979—),男,工程师,主要从事工程测量工作和测量项目管理工作。