浅谈GPS特长隧道高精度施工控制网的建立

■李仕春

（浙江省隧道工程公司浙江杭州310030）

浅谈GPS特长隧道高精度施工控制网的建立

■李仕春

（浙江省隧道工程公司浙江杭州310030）

本文就GPS特长隧道高精度施工控制网的建立展开研究，首先提出控制网的设计方案以及施工测量要求，然后进行相关李例子的介绍，对今后相关工程的建设具有重要的参考价值。

GPS 特长隧道 高精度 施工控制网

0　前言

近些年来，我国交通、水利建设不断发展，各项施工技术也取得了较大的进步，特长隧道的建设数量也有明显的增加。在特长隧道高精度施工控制网的建立中，GPS测量技术的应用为其带来不少便利。根据相关标准，特长隧道的长度在6千米以上时，就必须进行高精度施工控制网的建立。本文以引洮供水二期工程中的施工控制网的建立为例，对相关设计方案、施测与数据处理的过程进行介绍。

1　工程简介

引洮供水工程是以已建成的九甸峡水利枢纽为水源，从洮河流域调水到严重干旱缺水的甘肃省中部干旱地区11个国家扶贫重点县，工程分两期进行建设，其中一期工程经过7年多的建设，已于2014年年底实现了全线试通水运行。

引洮供水二期工程供水范围为定西市安定区、陇西县、通渭县，白银市会宁县，天水市武山县、甘谷县、秦安县及平凉市静宁县4市8个县区97个乡镇1692个行政村,引洮供水二期工程建设内容包括1条总干渠，长95.091km；6条干渠（四～九干渠）及2条分干渠，总长 299.968km（其中：干渠总长 254.719km，分干渠总长45.249km）；18条供水管（渠）线，总长176.471km（包含三座加压提水泵站）。

2　GPS控制网测量方案

2.1设计基准坐标

按照相关规范，隧道施工独立控制网的边长投影变形值应在1cm/km以内。通常采用任意带法与抵偿高程面法进行施工独立平面坐标系统的建立，也就是在调整投影中央子午线的基础上，同时调整投影面的高程，从而达到边长变形抵偿的目的。高斯投影距离改正和边长高程归化改正的抵偿地带存在相互性，也就是：

其中，表示边长投影变形值，必须符合≤10mm/km这个标准。R表示地球平均曲率半径，表示该边两端点的平均横坐标，表示观测边投影面和平均大地高的差值，确定隧道平均经线为中央子午线，平均高程面为投影面，可得到与的值均为0，此时也等于0.在此抵偿原理的基础上，设法确定特长隧道施工独立控制网的平面坐标基准，包括投影面、中央子午线以及参考椭球的确定。

2.2布设控制网

控制网应对全隧道的方向及长度进行控制，并且将标定隧道中线的控制点纳入控制网当中。特长隧道两端洞口控制点的布设，需要结合实际进行考虑，最少保证每个洞口有3个及以上GPS点的布设，各点的间距在500米至800米这个范围内较为理想，从而使洞内导线测量的定向具有较高的精确度。最好采用强制观测墩设置隧道洞口的控制点，有利于提高控制点周期性复测使用的便捷性，其他竖井、斜井控制点可设置成普通标石。

2.3GPS测量

按照相关标准，包括《新建铁路工程测量规范》以及《公路勘测规范》等，规定采用静态测量模式获取特长隧道GPS控制点的野外数据。引洮供水二期工程隧道群GPS控制网有以下特点：第一、通过多台仪器集群式作业模式的采用，使作业效率显著提高，并且其测量精度具有较好的保障。使用10台双频接收机,4台基站进行GPS测量,观测的过程存中相互连接，形成一个网络体系。在保证强制观测墩为主的洞口控制点网与竖井、斜井控制点网完整性的同时,也要将其与原线路控制网联测的内容纳入考虑范围。格式文件和格式原始文件为观测数据所提供。第二、GPS施工控制网与太原系统基站和国家级控制点联测,实施GPS控制点大地坐标的测量，且要求具有较高的精确度,从而有利于大地水准面的精确计算。第三、在同一天的观测中，洞口强制观测墩控制点的位置不作出调整,设定8小时的观测时段长度，不仅实现了时间的高效利用,又能确保主控制点的精确度。其余控制点观测时段的长度超过2个时段,以4小时为1个时段。

2.4高程测量

将起算点定为引洮供水二期工程隧道7标四干渠原线路控制点的高程点,布设二等水准闭合路线设，从而有利于水准联测控制点的二等水准联测。其余山顶控制点的测量采用精密三角高程进行。采用2台自动安平水准仪测量其二等水准,过程中需要用到线条式铟瓦标尺以及E500电子手簿记录,各项测站限差的控制可通过电子手簿程序来实现。水准路线整个路段长度达到196.6千米。三角高程的测量需要用到一台徕卡全站仪,按照对向观测的要求进行边长的测量。在测站中，需要进行气温以及气压值的测量,凭借全站仪的输入,可实现测距中气压及气温的直接改正。例如重力异常改正、水准标尺1米长度的改正以及正常位水准面不平行改正，这些均为水准测量概算改正的项目。采用南方易软件进行平差计算,平差计算得到路线长度为88.3千米,高差闭合差为23.40毫米。每公里水准测量的允许误差在0.52毫米之间,最弱点高程中误差是6.52毫米。

3　GPS数据处理

GPS数据预处理是对当天获取的数据进行统计分析,在分析的过程需要参考残差分布图的显示,应对观测数据进行筛选得到质量较好的,对出现的周跳进行修复,从而有效保障外业数据的质量,基线解算都应柑橘双差固定解进行多次解算。

在基线解算过程之后,应对基线的质量进行检查,在后续处理中所使用基线的质量一定要合格,如果与标准存在差距,就应该对基线进行再次解算，也可以对基线进行重新测量。基线质量的检验需要采用同步环闭和差、异步环闭和差以及重复基线较差，重复基线较差同时也需要符合相关公式的规定。

平差前,先将起算依据定为控制网中一点的系坐标，进行无约束平差,对GPS基线向量网进行检查，包括检查其内符合精度以及基线向量间的系统误差。并且，将含有较大误差的基线边进排除在外。在基线解算过程中，采用随机软件版解算处理观测数据基线,共计253条观测基线数。检查结果表明，重复基线检验、闭合环精度检验均符合限差标准。

平差计算在软件下的各项平差精度满足要求的基础上,采用软件进行控制网平差,平差主要有以下几个步骤。

首先，计算线路控制网系统。结合原线路设计坐标采用北京54坐标系,中央子午线111°这个因素进行考虑,故施工独立控制网点与原路线控制网点进行联测,并将其作为已知点,实施约束平差,通过计算得到施工控制网的原路线坐标。

再者，施工独立控制网系统计算。在北京54椭球系统下,选取控制网一点ZE07为约束点,约束方向定为点ZE14,进行约束平差,通过计算得到坐标的B值与L值,再进行高斯投影计算,求得投影高程面和特定中央子午线下的独立控制网成果。

其次，进行地心坐标的精确计算。将系统基站点作为已知点,基于椭球系统下进行约束平差,同时检查国家C级点CJ32、CJ25等检核点,得到各控制点的国家坐标。结合洮供水工程似大地水准面精化模型的参考,用坐标进行转换计算,实现各控制点1985国家基准高程值的获取。

最后，严密转换独立坐标和原线路坐标。独立坐标和原线路坐标的严密转换应按以下步骤进行：第一、采用一点一方向的方法进行转换。独立坐标在北京54椭球下约束ZE01点、约束ZE07～ZE14方向后,原线路坐标为北京54坐标,中央子午线111°,独立坐标与原线路坐标在ZE07～ZE14方向上偏移— 秒,距离缩放因子为；第二、进行高斯正形投影任意带平面直角坐标系系统的建立,使主中央子午线在隧道中心区经过,将投影面作为施工平均面。

4　GPS似大地水准面精化成果和CORS技术的应用

GPS连续运行参考站系统是在限制范围内,通过各个连续运行的GPS接收台站,由系统控制中心向用户提供服务，服务具有统一性、精确性以及存在三维空间基准等特征。本项目较先进行GPS似大地水准面精化成果和CORS技术在特长隧道施工控制网测量中应用的尝试。

由于测区地形较为复杂,二等水准不具备较好的观测条件,需要耗费较长的施测时间,为确保施工的顺利实施，,首先采用技术进行高精度的框架、2000.0历元下地心坐标的获取,结合引洮供水工程大地水准面精化模型,得到的隧道控制点的高程值作为临时成果,在施工过程中作为数据进行参考。

引洮供水工程水准面精化模型的转换精度中误差为±3.8厘米。各种数据表明,此次引洮供水工程特长隧道施工控制网的似大地水准面精化成果的点位高程精度为中误差±1.39厘米,可供施工单位进行初步使用。

5　结语

总之，GPS高精度施工控制网测量在特长隧道测量中的应用,需要要严格按照相关测量规范进行,并且需要通过GPS测量方面的新技术的引进，使测量精度得到有效提高,从而充分保障施工的质量。本文所研究的引洮供水二期工程特长隧道高精度GPS施工控制网,测量设计具有较高的合理性,测量过程也比较规范,尤其凭借CORS技术与GPS似大地水准面精化成果的应用,达到了较高的测量精度,促进了测量效率的显著提高,对今后类似工程的实施而言，具有十分重要的参考意义。

[1]任靖峰.太原西山特长隧道高精度施工控制网的建立 [J].公路,2014,05:193～195.

[2]赵佳楠,谯生有.石林特长隧道洞外GPS施工控制网建立探讨 [J].山西建筑,2012,17: 216～217.

F407.1[文献码]B

1000～405X（2016）～4～293～1