GPS 在乌岩山隧道贯通测量中的应用研究

■刘 静 ■中铁二十五局西北分公司，陕西 西安 710048

1 工程概况

乌岩山隧道全长6480 米，位于温岭市大溪镇前溪村，隧道工程由中铁十一局二公司承建，属大型隧道，且地处山峦起伏、树木茂盛，地势变化大，山区多云雾，通视条件差。隧道所在地区山上和进出洞口附近树林密集、通视条件极差，给隧道外控制和进洞联系测量带来一定的困难，洞外控制网若采用常规测量方法建立，不仅难以实现，而且建网效率低、费用高。GPS 全球定位系统由于其具有较高的相对定位精度、控制点间无须通视、在隧道施工控制中只需在洞口处及其附近布点和建网速度快、效率高等优点，在隧道施工洞外测量控制中已被普遍应用。

2 GPS 作业基本要求

2.1 测量仪器

GPS 静态测量使用美国Trimble 5700 型双频GPS 接收机2 台和Trimble 4600 型3 台共5 台套，GPS 接收机标称精度均为0.5 +1ppm ×D，满足规范规定的精度要求。

2.2 GPS 测量作业依据

(1)《新建铁路工程测量规范》(TB10101—99);(2)《全球定位系统(GPS)铁路测量规程》(TB10054—97);(3)已有的相关资料，平面图、交桩资料、现场找到的线路控制桩橛。

2.3 GPS 网等级选择

乌岩山隧道其横向贯通误差限差为150mm，高程贯通误差限差为50mm，。而其它隧道长度均小于4000 米，横向贯通误差限差为100mm，高程贯通误差限差为50mm。按照新铁路测量规范的要求，采用C 级GPS 网。

2.4 GPS 网型设计

限于山区地形条件限制，GPS 控制点布设较为困难，要满足诸如:便于安置仪器和操作，周围视野开阔，便于通视，对通视能见良好，高度角15 度以上不得有成片障碍物阻挡卫星信号，远离高压输电线，其限距不小于50 米等。故每个洞口附近GPS 子网分别布设四个GPS 控制。

2.5 作业要求

(1)各级GPS 网点位应均匀分布，相邻点间距离最大不宜超过该区域平均点间距的2 倍。(2)布设的GPS 网应与附近的已有的国家高等级控制点进行联测，联测点数不应少于3 点。(3)C 级网点高程按三等水准测量或与其精度相同当的方法进行高程联测。

2.6 GPS 测量观测要求

GPS 接收机的仪器高应量至毫米，开机前量测1 次，关机后量测1次，共量测2 次，且量测互差不大于3mm，可取平均值作为最后结果。

2.7 GPS 测量数据处理要求

GPS 数据处理是一项非常重要的工作，关系到坐标成果质量的好坏，必须认真对待。复测基线的长度较差，两两比较应满足下式的规定:

式中:σ—相应级别规定的精度(按实际平均边长计算)。

独立闭合环或附合路线坐标闭合差应满足:

式中:n—闭合环边数;

σ—相应级别规定的精度(按实际平均边长计算)

在基线向量检核符合要求后，以三维基线向量及其相应方差—协方差阵作为观测信息，以一个点的WGS84 三维坐标作为起算依据，进行网的无约束平差。无约束平差须提供各点在WGS84 系下的三维坐标、各基线向量及其改正数和其精度信息。无约束平差中，基线分量的改正数绝对值应满足下式:

否则，认为该基线或其附近的基线存在粗差，应在平差中采用软件提供的自动方法或人工方法剔除，直至上式满足。但数据剔除率不应大于10%。

利用无约束平差后的可靠观测量，进行二维约束平差。平差中，对已知点坐标、已知距离和已知方位，可以强制约束，也可加权约束。平差结果应输出在相应坐标系中的三维或二维坐标、基线向量改正数、基线边长、方位、转换参数及其相应的精度信息。约束平差中，基线分量的改正数与经过粗差剔除后的无约束平差结果的同一基线相应改正数较差的绝对值应满足下式:

否则，认为作为约束的已知坐标、已知距离、已知方位中存在一些误差较大的值应采用自动或人工的方法剔除这些误差较大的约束值，直至上式满足。但约束点不能少于3 个，且应分布均匀。

3 GPS 数据处理

3.1 数据处理

(1)GPS 数据处理软件采用LEICA 公司的LGO 软件，BLxy 和GPSTranse 坐标转换软件。(2)基线计算采用双差相位观测值作为起算值的卫星坐标一般由广播星历确定。(3)GPS 测量平差采用WGS-84 大地坐标系，投影基准面采用隧道进出口高程的平均高程面。投影方法采用横轴墨卡托投影，即采用直接投影法计算施工坐标，它是以工程椭球为参考椭球，将GPS 网平差结果直接投影至工程椭球相切的高斯平面上(注:平面的高程与工程平均高程相等)，进行施工坐标计算的。工程椭球的球心和扁率与WGS84 参考椭球相同，即a84=6378137，扁率e=298.257223563，工程测区中心的卯酉圈曲率半径

平差时采用两次测量的原始收据统一平差的方案，以获得同等精度的GPS 平差结果。

3.2 数据处理及对比

3.2.1 采用LGO 软件处理原有数据

(1)打开LEICA Geo Office，建立新的工程。(2)菜单栏点击输入-＞输入原始数据，将原始的乌岩山隧道控制网GPS 数据导入。(3)选择GPS 处理，点击右键—＞处理模式，选择自动。点击界面上方的全部选择，然后右键选择处理。(4)将处理后的结果全选，然后点击右键选择存储。选择界面下方网平差标签，点击进行平差。(5)点击结果，选择报告，输出处理总结。(6)点击结果，右键选择结果—＞网，输出网平差结果。在结果界面右键选择计算闭合环，然后右键选择结果-＞闭合环，输出闭合环及闭合差处理报告。

3.2.2 将已知数据转为3 度带高斯坐标

(1)将已知坐标数据经计算得出中央午线为121°14＇38.26″，测区平均纬度为28°24＇36.98″，投影面大地高为60.6612m，参考椭球为WGS-84，将得到的数据按要求输入BLxy 软件。(2)输出结果得到3度带高斯坐标。将已知数据中的其中两点假设为已知点，使用GPSTranse 软件，求出转换参数。然后将高斯坐标输入“待转换GPS 坐标”框，经坐标转换得到转换后的地方坐标。(3)将生成的地方坐标与原数据乌岩山隧道GPS 控制网成果进行对比。

表1 大坝工程混凝土配合比

比较可知，经计算所得X 坐标与Y 坐标，与原坐标的误差大部分小于1cm，达到毫米级精度。

4 结束语

通过实际应用中GPS 的精度分析，我认为GPS 网布设方案科学，平差精度优异，无论同步环，异步环、三维无约束平差、约束平差、边长观测的精度都优于规范的规定。由此得知GPS 隧道控制网能满足隧道贯通精度的要求。但是，GPS 在隧道贯通中相关问题的研究中，关于GPS 隧道贯通控制网形的设计、GPS 高程精度的提高、GPS 数据内业分析与处理、GPS 成果对贯通误差的影响以及其数据可靠性保障等方面，仍有探讨的空间和研究的必要。

［1］邢庭松.GPS 在隧道工程测量中的应用.隧道建设，2001，12.

［2］张项铎，陈新焕，路伯祥.GPS 在隧道控制测量应用中几个问题探讨，1997.

［3］杨国兴.GPS 应用于布测长大隧道控制网的研究.科技创新导报，2009.

［4］李贵兵.隧道工程施工中GPS 测量技术的应用探讨.中国新技术新产品，2010.