论文部分内容阅读
摘 要:在传统的办法中,建立隧道施工控制网通常采用三角测量方法,近几年来又采用精密导线法,但是,这些常规方法受到通视条件、图形条件、地形条件等诸多因素的影响,本文基于笔者多年从事控制测量的相关经验,以GPS应用于某隧道控制网布测为研究背景,分析探讨了洞内外平面控制测量的方法与流程,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词:GPS 特长隧道 控制网 贯通误差
中图分类号:P2 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)08(a)-0112-021 GPS技术概述
传统隧道施工控制网的方法有三角测量方法和精密导线法,其中三角测量方法是最为传统的隧道施工控制网方法,而精密导线法近几年应用较多。然而,通视条件、图形条件、地形条件等诸多因素都会对这些常规方法产生影响。换言之,控制网在选点布网及观测等诸多过程中受到限制。
常规测量办法在隧道测量中难度都较大,因为其一般都在地形复杂的山区。而如果选择采用GPS来建立隧道控制网,由于通视条件对GPS观测影响较小,而GPS控制网网形也较常规控制网更为随意,故GPS测量是隧道控制测量中一种行之有效的办法。
GPS如下几个优点在在测量中的应用中较为实用:(1)观测站之间可以相互不通视。点位选择比传统方法更为灵活,也极大地减少了因为选点的苛刻增加的经费和时间。(2)有较高的定位精度。如基线<50km时,可以实现1～2PPm的相对精度,定位精度会随着基线的加长而提高。一般测量手段很难达到这样的精度级别。(3)极大地缩短了观测时间。以完成一条基线的相对定位所需要的观测时间为例,采用经典的静态定位方法,一般为l～3h(具体时间依精度不同而不同)。(4)三维坐标能与观测成果一同提供,这是因为,测站点的大地高程可以被GPS精确测定,所以在精确提供测站点的平面位置的同时,能同时得到大地高程。这开辟了一条新的途径,即可以研究大地水准面的形状和地面点的高程。(5)GPS用用简便的操作,较轻的重量,小的体积等特点。(6)GPS能在所有气候条件下作业。跟传统的测量方法不同,GPS观测不受地点、时间限制,也不受天气条件影响,可以实现连续观测。
2 项目简介
全长4126m的隧道位于某山脉中段,属于目前我国建成的最长隧道之一。隧道进口处于直线地段,出口在曲线上,曲线半径为598m,缓和曲线长122m,偏角为31°04′30″。进口处高程2241m,出口处高程为2836多米,越岭地段牛背梁的高程为3900m,整个测区相对高差近1300多m,山势相对陡峻,地形极其复杂,有着极差的通视条件。如不选择GPS方法方法建网,不管是平面控制网还是高程控制网,都将面临测量工作量大,周期长,测量精度很难达到等问题,因此项目组决定采用GPS建网,为了使该特长隧道实现高精度贯通,准备在洞外利用GPS全球定位技术和一等水准,而在洞内采用一等导线环网和二等水准建立隧道施工控制网。
3 隧道口外平面控制测量
3.1 控制测量的精度
为了提高GPS测量的精度,精度的标准可以参考《全球定位系统(GPS)测量规范》,其中定义了隧道长度和技术设计方案,洞外GPS平面控制网的施测可以按B级进行,可以用计算相邻点间定位精度(标准差),式中a(固定误差)等于5到10mm；b为比例误差,范围是1到2PPm；d(点间距)≤20Km；要求使用仪器标释精度应优于10mm±2PPm。
3.2 点位设置
为满足施工引测进洞需要,通过对方案进行反复比选设计,认为在隧道进出口应该设置6个GPS平面控制点,如图1所示,图中J1、J2、QL02、QL03、QL04为隧道进口GPS控制点,C1、HY、PD2、QL05、QL06、QL07为隧道出口GPS控制点。所有控制点均用异步环相联,并组成空间三角形和空间大地四边形以加强GPS网的几何强度。
3.3 观测方法与作业要求
接收机在观测前必须全面进行检测,查看仪器精度是否达到标称精度的规定,观测方式可以选择GPS静态相对定位进行测量。观测过程中应当注意,GPS观测应当选择选择最佳时段,而有时应当适当增加观测时间,比如一些长边和观测条件欠佳的点位。观测要求及采用主要参数为:
(1)周边观测时段数不小于2；(2)时段长度:当1km＜S≤20km时,为1.5～2h；当S＜1km时,为0.5～1h；(3)卫星高度角≥150；(4)PDOP不大于6；(5)卫星个数≥5；(6)采样率不小于15S；(7)每颗卫星连续跟踪时间大于15min。
3.4 数据处理
数据处理选用WILD200的随机软件SKI版进行,基线解算时采用下列参数:采用Hopfield作为对流层模型；采用标准模型作为电离层模；采用广播星历作为星历,采用码和相位数据；采用L1+L2频率,使用＜20km作为解模糊盾的边长限制,)先验中误差控制为±10mm。利用计算机程序软件计算GPS基线网平差、坐标转换、平面网平差等数据。采用观测数据资料整理、平差计算均采用两组对算、复核、审核等方式来确保数据无误。
3.5 测量精度
表1列出了平差后各控制点的点位平面坐标误差。
GPS测量可靠性可以采用一些手段得到进一步验证,比如如下方法:采用全站儀测导线方法,检测了出口GPS点群所组成的局部小网,两成果对比,X坐标相差为1.5mm,Y坐标相差为1.7mm,水平角相差1.53″,说明数据可靠。
4 隧道口平面控制测量
4.1 施测等级的确定
依据《铁路测量技术规则》的规定,17到20kM范围的隧道,其洞内外贯通中误差总和不超过250mm,按照这一规定,洞内可以依据通视情况设点,平均边长设置为500m。洞内外贯通误差按照250mm计算,精度即可满足要求和精度指标进行施测基于二等导线的要求。另外,项目组经过综合论证,决定洞内导线布设成导线闭合环网,并按一等导线的要求和精度指标进行施测,这一方法确保了横向贯通误差＜100mm。 4.2 控制桩点设置
如上所述,等边闭合导线环网作为洞内外平面控制导线。设置500m作为导线平均边长,一个闭合导线由10条边组成,而设置4个闭合环在出口段。一条导线设在离洞壁1到2m的位置,另外一条导线沿隧道中线方向,这样的设置方法,使得沿隧道中线方向的导线可用来放样,且不会破坏导线点。
4.3 贯通误差预计
由式m2洞内=(mβ×Ｌ/r)2×(n+3)/12
其中mβ=0.7″,L=19km,r=206265″,n=38,代入上式,得m洞内=±119mm
由于洞内导线布设为等边导线闭合环网(如图所示),可按两条单导线计算贯通精度,则根据误差传播理论双导线在贯通点的精度比单导线在贯通点的精度提高了倍,即m内=m洞内/=84mm。
根据洞外GPS控制测量成果计算得
m外=±45mm,则由
m2总=m2内＋m2外
将m内和m外代入上式,得
m总=±95mm
小于横向贯通中误差值100mm的要求,并远小于《铁路测量技术规则》规定的全隧道横向贯通中误差值250mm的要求。
4.4 数据处理
(1)测站平差,在水平角每测站测完后进行。(2)检查闭合差粗差,即计算每个闭合环的角度闭合差,检查其中是否存在粗差。(3)通过加、乘常数改正,气象改正,投影改正,使所有测量边长值归算到隧道统一高程面(976m)。(4)在计算机上用导线网平差程序完成计算,包括对整个闭合环网进行严密平差計算,从而可计算出每个控制点的坐标值,并进行精度评定。计算结果表明,洞内导线的测角精度为m=±0.63″。
5 结语
(1)从精度分析来看,可以采用GPS B级网进行隧道平面控制测量,其结果是可靠的,能达到隧道贯通要求的京都,其优点是节省了费用,并缩短了测量周期。(2)可以采用等边闭合导线环网进行隧道洞内平面控制测量网布设,但要根据隧道贯通精度要求设计导线测量精度。同时,为了达到满意的贯通京都,施测时的精度控制指标不能低于设计精度要求。(3)采用Ⅱ等水准进行洞内高程控制测量,结果表明能达到很高的贯通精度,以后长大隧道施工进行洞内高程控制测量可以借鉴该方法。(4)采用合理的平差计算方法处理隧道洞内控制测量观测数据,结果为:横向误差12mm,高程误差1mm,纵向贯通误差125mm。
参考文献
[1] 刘大杰,施一民.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社,1996.
[2] 铁道部第一勘测设计院.铁路测量技术规范[S].北京:中国铁道出版社,1986.
[3] 周忠漠,易杰军,周琪.GPS卫星测量原理与应用[M].北京:测绘出版社,1995.
[4] 张雨化,隧道勘测设计[M].武汉:人民交通出版社,2006.
[5] 刘吉章,全球定位系统原理及应用[M].北京:测绘出版社,2008.
关键词:GPS 特长隧道 控制网 贯通误差
中图分类号:P2 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)08(a)-0112-021 GPS技术概述
传统隧道施工控制网的方法有三角测量方法和精密导线法,其中三角测量方法是最为传统的隧道施工控制网方法,而精密导线法近几年应用较多。然而,通视条件、图形条件、地形条件等诸多因素都会对这些常规方法产生影响。换言之,控制网在选点布网及观测等诸多过程中受到限制。
常规测量办法在隧道测量中难度都较大,因为其一般都在地形复杂的山区。而如果选择采用GPS来建立隧道控制网,由于通视条件对GPS观测影响较小,而GPS控制网网形也较常规控制网更为随意,故GPS测量是隧道控制测量中一种行之有效的办法。
GPS如下几个优点在在测量中的应用中较为实用:(1)观测站之间可以相互不通视。点位选择比传统方法更为灵活,也极大地减少了因为选点的苛刻增加的经费和时间。(2)有较高的定位精度。如基线<50km时,可以实现1～2PPm的相对精度,定位精度会随着基线的加长而提高。一般测量手段很难达到这样的精度级别。(3)极大地缩短了观测时间。以完成一条基线的相对定位所需要的观测时间为例,采用经典的静态定位方法,一般为l～3h(具体时间依精度不同而不同)。(4)三维坐标能与观测成果一同提供,这是因为,测站点的大地高程可以被GPS精确测定,所以在精确提供测站点的平面位置的同时,能同时得到大地高程。这开辟了一条新的途径,即可以研究大地水准面的形状和地面点的高程。(5)GPS用用简便的操作,较轻的重量,小的体积等特点。(6)GPS能在所有气候条件下作业。跟传统的测量方法不同,GPS观测不受地点、时间限制,也不受天气条件影响,可以实现连续观测。
2 项目简介
全长4126m的隧道位于某山脉中段,属于目前我国建成的最长隧道之一。隧道进口处于直线地段,出口在曲线上,曲线半径为598m,缓和曲线长122m,偏角为31°04′30″。进口处高程2241m,出口处高程为2836多米,越岭地段牛背梁的高程为3900m,整个测区相对高差近1300多m,山势相对陡峻,地形极其复杂,有着极差的通视条件。如不选择GPS方法方法建网,不管是平面控制网还是高程控制网,都将面临测量工作量大,周期长,测量精度很难达到等问题,因此项目组决定采用GPS建网,为了使该特长隧道实现高精度贯通,准备在洞外利用GPS全球定位技术和一等水准,而在洞内采用一等导线环网和二等水准建立隧道施工控制网。
3 隧道口外平面控制测量
3.1 控制测量的精度
为了提高GPS测量的精度,精度的标准可以参考《全球定位系统(GPS)测量规范》,其中定义了隧道长度和技术设计方案,洞外GPS平面控制网的施测可以按B级进行,可以用计算相邻点间定位精度(标准差),式中a(固定误差)等于5到10mm；b为比例误差,范围是1到2PPm；d(点间距)≤20Km；要求使用仪器标释精度应优于10mm±2PPm。
3.2 点位设置
为满足施工引测进洞需要,通过对方案进行反复比选设计,认为在隧道进出口应该设置6个GPS平面控制点,如图1所示,图中J1、J2、QL02、QL03、QL04为隧道进口GPS控制点,C1、HY、PD2、QL05、QL06、QL07为隧道出口GPS控制点。所有控制点均用异步环相联,并组成空间三角形和空间大地四边形以加强GPS网的几何强度。
3.3 观测方法与作业要求
接收机在观测前必须全面进行检测,查看仪器精度是否达到标称精度的规定,观测方式可以选择GPS静态相对定位进行测量。观测过程中应当注意,GPS观测应当选择选择最佳时段,而有时应当适当增加观测时间,比如一些长边和观测条件欠佳的点位。观测要求及采用主要参数为:
(1)周边观测时段数不小于2；(2)时段长度:当1km＜S≤20km时,为1.5～2h；当S＜1km时,为0.5～1h；(3)卫星高度角≥150；(4)PDOP不大于6；(5)卫星个数≥5；(6)采样率不小于15S；(7)每颗卫星连续跟踪时间大于15min。
3.4 数据处理
数据处理选用WILD200的随机软件SKI版进行,基线解算时采用下列参数:采用Hopfield作为对流层模型；采用标准模型作为电离层模；采用广播星历作为星历,采用码和相位数据；采用L1+L2频率,使用＜20km作为解模糊盾的边长限制,)先验中误差控制为±10mm。利用计算机程序软件计算GPS基线网平差、坐标转换、平面网平差等数据。采用观测数据资料整理、平差计算均采用两组对算、复核、审核等方式来确保数据无误。
3.5 测量精度
表1列出了平差后各控制点的点位平面坐标误差。
GPS测量可靠性可以采用一些手段得到进一步验证,比如如下方法:采用全站儀测导线方法,检测了出口GPS点群所组成的局部小网,两成果对比,X坐标相差为1.5mm,Y坐标相差为1.7mm,水平角相差1.53″,说明数据可靠。
4 隧道口平面控制测量
4.1 施测等级的确定
依据《铁路测量技术规则》的规定,17到20kM范围的隧道,其洞内外贯通中误差总和不超过250mm,按照这一规定,洞内可以依据通视情况设点,平均边长设置为500m。洞内外贯通误差按照250mm计算,精度即可满足要求和精度指标进行施测基于二等导线的要求。另外,项目组经过综合论证,决定洞内导线布设成导线闭合环网,并按一等导线的要求和精度指标进行施测,这一方法确保了横向贯通误差＜100mm。 4.2 控制桩点设置
如上所述,等边闭合导线环网作为洞内外平面控制导线。设置500m作为导线平均边长,一个闭合导线由10条边组成,而设置4个闭合环在出口段。一条导线设在离洞壁1到2m的位置,另外一条导线沿隧道中线方向,这样的设置方法,使得沿隧道中线方向的导线可用来放样,且不会破坏导线点。
4.3 贯通误差预计
由式m2洞内=(mβ×Ｌ/r)2×(n+3)/12
其中mβ=0.7″,L=19km,r=206265″,n=38,代入上式,得m洞内=±119mm
由于洞内导线布设为等边导线闭合环网(如图所示),可按两条单导线计算贯通精度,则根据误差传播理论双导线在贯通点的精度比单导线在贯通点的精度提高了倍,即m内=m洞内/=84mm。
根据洞外GPS控制测量成果计算得
m外=±45mm,则由
m2总=m2内＋m2外
将m内和m外代入上式,得
m总=±95mm
小于横向贯通中误差值100mm的要求,并远小于《铁路测量技术规则》规定的全隧道横向贯通中误差值250mm的要求。
4.4 数据处理
(1)测站平差,在水平角每测站测完后进行。(2)检查闭合差粗差,即计算每个闭合环的角度闭合差,检查其中是否存在粗差。(3)通过加、乘常数改正,气象改正,投影改正,使所有测量边长值归算到隧道统一高程面(976m)。(4)在计算机上用导线网平差程序完成计算,包括对整个闭合环网进行严密平差計算,从而可计算出每个控制点的坐标值,并进行精度评定。计算结果表明,洞内导线的测角精度为m=±0.63″。
5 结语
(1)从精度分析来看,可以采用GPS B级网进行隧道平面控制测量,其结果是可靠的,能达到隧道贯通要求的京都,其优点是节省了费用,并缩短了测量周期。(2)可以采用等边闭合导线环网进行隧道洞内平面控制测量网布设,但要根据隧道贯通精度要求设计导线测量精度。同时,为了达到满意的贯通京都,施测时的精度控制指标不能低于设计精度要求。(3)采用Ⅱ等水准进行洞内高程控制测量,结果表明能达到很高的贯通精度,以后长大隧道施工进行洞内高程控制测量可以借鉴该方法。(4)采用合理的平差计算方法处理隧道洞内控制测量观测数据,结果为:横向误差12mm,高程误差1mm,纵向贯通误差125mm。
参考文献
[1] 刘大杰,施一民.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社,1996.
[2] 铁道部第一勘测设计院.铁路测量技术规范[S].北京:中国铁道出版社,1986.
[3] 周忠漠,易杰军,周琪.GPS卫星测量原理与应用[M].北京:测绘出版社,1995.
[4] 张雨化,隧道勘测设计[M].武汉:人民交通出版社,2006.
[5] 刘吉章,全球定位系统原理及应用[M].北京:测绘出版社,2008.