广东某公路工程变形监测技术研究

唐吉林

摘 要：本文基于笔者多年从事公路工程勘察测量的相关工作经验，探讨了GPS在公路工程勘测中的应用，论文首先分析了GPS变形监测的方法，进而结合具体的工程案例，分析了工程实施的过程和精度分析的结果，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：GPS 沉降 变形监测 公路

中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）04（c）-0000-00

1 GPS变形监测方法

1.1 全天候、实时监测方法

对于高等级的公路，由于其使用频率较大，需要实时了解其变化状态，以便及时采取措施，保证人民生命财产的安全，可采用全天候实时监测方法，即GPS自动化监测系统。该系统的精度可按要求设定，最高监测精度可达亚毫米级。系统响应速度快，从控制中心敲击键盘开始，10分钟内可以了解5～10个监测点的实时变化情况。

1.2 定期监测方法

该方法是最常用的方法，本文主要介绍静态测量法，快速静态测量法，以静态测量法为主：

（1）静态测量法：静态测量法，就是把多于3台GPS接收机同时安置在观测点上同步观测一定时段，一般为1小时至2小时不等，用边连接方法构网，用后处理软件解算基线，经平差计算求定观测点三维坐标，这种方法定位精度较高。

（2）快速静态测量法：这种方法尤其适用于对监测点的观测。其工作原理是：

把两台GPS接收机安置在基准点上固定不动连续观测，另1～4台接收机在监测点上移动，每次观测5-10分钟（采样间隔为2秒），经事后处理，解算出各监测点的三维坐标，根据各次观测解算出的三维坐标精度为：水平位移±3-±5mm，垂直位移±5-±8mm。若距离大于3km，水平精度为5mm+1ppm.D，垂直精度为8mm+1ppm.D。为了与传统的变形监测方法进行比较分析，可以用下图所示进行方案比选或共同采用。

2 工程概述

某高速公路全线采用双向四车道全封闭高速公路标准建设，设计行车时速100公里/小时至120公里/小时。本人选取其中 10km作为GPS沉降变形监测的工程项目，所处地形为平原和丘陵连接地带，设计路基宽度26m。路线设计为四车道该段有11个各种系统的平面控制点，经过实地寻找，找出了5个。

在已找出的5个控制点中，国家测绘局系统一等点2个，二等点1个，城市测量系统点2个，这些平面控制点分属不同测量系统，且等级不同。2010年9月，本人对其中 10km路段进行了测定，采用了 GPS技术进行高程测量，并与用二等水准测量的高程数据进行比较和分析，在测量过程中有意识对GPS的高程进行了检验。

3 工程实施过程

（1）观测使用AshtechZ-X双频GPS接收机5台，二等水准采用NAZ+GPM3型水准仪。并对两种方法测量的成果进行分析，同时用全站仪检验了GPS点的坐标。（2）GPS网采用静态模式观测，網形采用边连式。观测时最少卫星数5颗，存储的限差：水平为±5mm，垂直为±10mm；水准测量参照二等水准的精度指标。（3）在测区内l0km范围内有GPS基准点7个，布设14个变形监测点，每个点监测1～2h。

4 精度分析

4.1测区GPS沉降变形监测网的精度分析

下面结合某高速公路的其中10km路段的变形监测网，对GPS基准网和监测网的精度进行分析，该路段沉降变形监测网，由7个基准点（JZ03、JZ06、JZ08、JZ09、JZ10、JZ18和JZ21）组成了GPS基准网；由14个监测点（BJ01、BJ02、BJ04、BJ05、BJ07、BJ11、BJ12、BJ13、BJ14、BJ15、BJ16、BJ17、BJ19、BJ20）组成了 GPS监测网。通过长时间的精密水准观测和基准分析，认定JGO3点是稳定的，把JZO3作为基准起算点，解算整个GPS网，GPS沉降变形监测网采用边连接形式布设。

表1给出了GPS基准网基线解算的边长中误差。从表1中可以看出，GPS基准网的基线解算精度达到了毫米级。最大的基线边长中误差为5.7mm，最小的基线边长中误差为0.lmm。GPS基准网是在WGS-84坐标系下进行整体平差。平差时，固定具有精密WGS-84坐标的JG03点，以提高整个基准网的位置精度。平差后获得其它基准点在WGS-84坐标系下的空间直角坐标、大地坐标和高斯平面直角坐标及相关精度信息。监测网的平差也在WGS-84坐标系下进行。经过平差后获得监测点在WGS-84坐标系下的空间直角坐标、大地坐标及相关的精度信息；然后固定JGO3点和方向，在WGS-84坐标系的高斯平面上进行平差。平差后获得变形监测点的高斯平面直角坐标、监测点间的平面边长及其相关信息。

从GPS基准点和变形监测点的中误差统计可以发现，高程分量的精度虽然不如南北和东西方向分量的精度，但也没有超过6mm的，除了个别点因为周围观测条件的影响（特别是多路径效应的影响）以及城区观测环境的因素外，大多数都在4mm左右，是可以满足沉降变形监测的需要。当然，如果在观测过程中，采取更多的措施，比如，采集数据前，精确检验每个天线的相位中心位置，特别是垂直方向的差值；观测时段增加到10h以上，同时拥有更多的同步观测站点等，精度会更高，也是值得进一步考虑的。

4.2沉降监测及与精密水准的一致性分析

通过表3比较GPS与全站仪2种方法的测量结果可以看出：在2种方法下测得的同一坐标之差的最大值分别为： △Xmax=4.0mm，△Ymax=5.0mm。因此，GPS测量成果是精确可靠的，从下面定位精度一致性检验结果来看，GPS技术测量的点位精度可达毫米级，与全站仪测定结果符合得较好，可以较好地满足公路变形监测的精度要求。使用GPS测出变形监测点的高程，然后将GPS高程与水准高程进行比较，其比较结果具有很高的参考价值。

可以看出，GPS高程与水准高程最大差值不超过5mm。GPS高程能满足公路变形监测的精度要求。GPS的数据处理结果表明，在水平方向上的监测精度能达到毫米级，在竖直方向上的精也能达到毫米级。完全符合公路沉降变形监测的精度要求。下面表格中的数据是从工程实例中抽取具有代表性的公路GPS沉降变形监测点，并以此数据为例，对数据进行分析。

表4中仅列出了五个观测周期的数据进行分析，从中可以看出，不同周期的数据有所变化，相邻观测周期之间的高程变化不大，到了监测后期变化甚小，趋于平稳状态。也就是说，在公路刚刚进入运营阶段，是最容易发生沉降变形的，因此，刚刚投入使用的公路，前期的维护和保养是相当关键的。

在此基础上，笔者选择工程中的部分变形监测点，绘制在公路使用过程中的高程变化趋势图。由于选取的变形监测点是随机的，因此，该图形可以代表该高速公路的其中10km路段的整体变化情况，可以清楚的看到，在公路使用前期，监测点随时间呈下沉趋势，而且下沉比较明显。到了沉降监测后期，由于前期在沉降变形过程中，对公路进行了科学的维护和保养，路面结构稳定，强度较高，在后期的运营过程中，高程变化很小，相邻观测周期之间的高差趋于零。也就是说，通过工程实践，可以认定铁朝高速公路是稳定的。

参考文献

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