GPS在鹽水溝隧道控制測量中的應(yīng)用

1、GPS在鹽水溝隧道控制測量中的應(yīng)用(中國石油工程設(shè)計(jì)西南分公司，呂繼書 王洪生 李瑋)摘要在西氣東輸上游工程克拉2氣田地面建設(shè)工程中，采用GPS對鹽水溝隧道進(jìn)行控制測量，利用了較少的時(shí)間，得到了可靠的控制成果。同時(shí)也得到一些有益的結(jié)論。關(guān)鍵詞GPS 隧道 復(fù)測1 前言克拉2氣田地面建設(shè)工程是西氣東輸?shù)纳嫌喂こ蹋瑸槲鳉鈻|輸提供了有力的氣源保證。鹽水溝隧道是克拉2氣田地面建設(shè)工程外輸管道的咽喉工程，隧道全長2.445km，為長距離輸氣管道之最，整條隧道位于雅丹地貌上，測區(qū)內(nèi)山高坡陡、地勢險(xiǎn)要、難以攀登，給測量工作帶來前所未有的困難。隧道控制網(wǎng)精度的高低將直接影響隧道能否準(zhǔn)確貫通，因此，在隧道測量過

2、程中，應(yīng)加大對隧道控制網(wǎng)的重視。由于隧道兩洞口相互不通視，且設(shè)站極為困難，采用常規(guī)測量方法，作閉合或附合導(dǎo)線網(wǎng)，導(dǎo)線總長在12km左右，大大影響測量精度。因此在鹽水溝隧道控制測量過程中，采用了Ashtech Z-Xtreme GPS 進(jìn)行隧道控制測量，在計(jì)算出測量成果以后，再采用常規(guī)測量方法進(jìn)行驗(yàn)證，最后，再與施工單位的導(dǎo)線控制點(diǎn)復(fù)測報(bào)告進(jìn)行比較，以保證控制網(wǎng)的精度，滿足設(shè)計(jì)、施工的需要。2 控制網(wǎng)測量方案21 遵循規(guī)范a 全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范GB/T 18314-2001；b 公路勘測規(guī)范JTJ061-99 （參照規(guī)范）。22 采用儀器采用Ashtech Z-Xtreme GPS

3、4臺(tái)套，標(biāo)稱精度為5mm+1ppm。23 控制點(diǎn)布設(shè)在隧道的兩端，各有一個(gè)高等級的GPS已知點(diǎn)。KCK1、GK05，其中GK05為水準(zhǔn)點(diǎn)。在隧道的進(jìn)口與出口共布設(shè)8個(gè)控制點(diǎn)，YDC1、YDC2、YDC3、YDC4、YDK1、YDK2、YDK3、YDK4，其中YDC2、YDC3分別是進(jìn)洞與出洞樁；YDK1、YDK2、YDK3、YDK4為控制樁；YDC1、YDC4分別是進(jìn)洞與出洞樁護(hù)樁。24 觀測方案采用4臺(tái)Ashtech Z-Xtreme GPS進(jìn)行平面、高程控制測量，觀測方法為靜態(tài)。首先，將2臺(tái)GPS安置在兩個(gè)已知點(diǎn)KCK1、GK05，再將另2臺(tái)儀器安置在進(jìn)洞與出洞樁上，將坐標(biāo)傳遞到兩個(gè)洞口樁

4、上，4臺(tái)儀器相對觀測時(shí)間多余90分鐘；再將2個(gè)已知點(diǎn)KCK1、GK05上的儀器關(guān)閉，安置在進(jìn)洞口的2個(gè)控制樁YDK1、YDK2上，4臺(tái)儀器相對觀測時(shí)間多余60分鐘；再將2個(gè)控制樁YDK1、YDK2上的儀器關(guān)閉，安置在出洞口2個(gè)控制樁YDK3、YDK4上，4臺(tái)儀器相對觀測時(shí)間多余60分鐘。2個(gè)護(hù)樁YDC1、YDC4應(yīng)在隧道的軸線上，采用全站儀做支導(dǎo)線測設(shè)，以保證2個(gè)護(hù)樁嚴(yán)格在隧道的軸線上。隧道控制網(wǎng)如圖所示： 圖1 鹽水溝隧道控制點(diǎn)分布圖3 數(shù)據(jù)處理與精度評定通過控制網(wǎng)野外觀測，按照有關(guān)規(guī)范要求取得了合格數(shù)據(jù)。野外觀測數(shù)據(jù)情況如表1：表1：GPS測量基本技術(shù)規(guī)定項(xiàng)目規(guī)范E級要求實(shí)際觀測情況衛(wèi)星截

5、至高度角（）1515同時(shí)觀測有效衛(wèi)星數(shù)46有效觀測衛(wèi)星總數(shù)46觀測時(shí)段數(shù)1.61.7時(shí)段長度（min）4057實(shí)際觀測數(shù)據(jù)均滿足全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范（GB/T 18314-2001）中E級有關(guān)技術(shù)要求規(guī)定。31 數(shù)據(jù)處理在外業(yè)取得了合格的數(shù)據(jù)以后，采用Ashtech Solutions 2.60英文版軟件進(jìn)行基線解算及控制網(wǎng)的平差。311無約束平差在解算過程中，首先進(jìn)行基線分量解算，解算出各個(gè)基線向量，再進(jìn)行平差，平差時(shí)，不輸入已知點(diǎn)進(jìn)行約束，讓整個(gè)控制網(wǎng)在沒有控制點(diǎn)的情況下，只在GPS自身測量的各個(gè)基線分量相互約束的情況下進(jìn)行平差，經(jīng)過平差，得到各個(gè)向量平差后的相應(yīng)的改正數(shù)，改正數(shù)

6、絕對值（Vx、Vy、Vz）應(yīng)滿足下式：Vx3Vy3Vz3式中：為相應(yīng)等級基線規(guī)定精度。對于不能滿足上式要求的基線，則認(rèn)為該基線或其附近的基線存在粗差，在平差中應(yīng)采用軟件提供的方法或人工方法加以剔除，直至各個(gè)基線分量滿足上式要求為止。在鹽水溝隧道控制網(wǎng)GPS數(shù)據(jù)解算時(shí)，無約束平差后各個(gè)基線分量如表2：表2：無約束平差基線分量改正數(shù)統(tǒng)計(jì)表基線名稱長度(m)改正數(shù)絕對值（m）E級規(guī)定限差(m)VxVyVzYDC2-GK059534.0360.0050.0030.0053=0.572YDC2-YDK1164.3780.0010.0010.0013=0.032YDC2-YDK32515.2780.006

7、0.0060.0043=0.153YDC2-YDC32444.9600.0050.0140.0073=0.149YDC3-GK0511719.9470.0070.0100.0023=0.703YDC3-YDK12569.8460.0120.0230.0163=0.157YDC3-YDK3109.9410.0010.0000.0003=0.031YDC2-KCK16827.5110.0010.0060.0153=0.410YDC3-KCK14387.3260.0010.0050.0093=0.264KCK1-GK0515724.0160.0020.0050.0123=0.943YDC2-YDK2

8、58.4030.0010.0010.0003=0.030YDC3-YDK22498.3280.0060.0120.0113=0.152YDK2-YDK1148.5090.0010.0000.0003=0.031YDC2-YDK42461.5390.0080.0110.0063=0.150YDC3-YDK471.5760.0010.0050.0043=0.030YDK4-YDK3161.9080.0000.0020.0003=0.031根據(jù)上表可以看出，無約束平差基線分量改正數(shù)均滿足全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范（GB/T 18314-2001）中E級要求。312 約束平差經(jīng)過無約束平差，算得各

9、個(gè)基線分量在沒有控制點(diǎn)約束情況下平差后各個(gè)基線分量。再將已知點(diǎn)坐標(biāo)輸入到軟件當(dāng)中，作為控制點(diǎn)，進(jìn)行約束平差，約束平差后，基線分量的改正數(shù)與無約束平差結(jié)果同一基線相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對值（dVx、dVy、dVz）應(yīng)滿足下式：dVx2dVy2dVz2式中：為相應(yīng)等級基線規(guī)定精度。 如果有超限值出現(xiàn)，則認(rèn)為作為約束的已知坐標(biāo)、已知距離、已知方位中存在一些誤差較大的值，應(yīng)采取軟件自動(dòng)或人工的方法剔除這些誤差較大的約束值，直至上式滿足。在鹽水溝隧道控制網(wǎng)GPS數(shù)據(jù)解算時(shí)，約束平差后各個(gè)基線分量及其改正數(shù)與無約束結(jié)果同一基線相應(yīng)的改正數(shù)較差的絕對值統(tǒng)計(jì)如表3：表3：約束平差同一基線改正數(shù)的較差基線名稱長度(

10、m)改正數(shù)絕對值的較差（m）E級規(guī)定限差(m)dVxdVydVzYDC2-GK059534.0360.0330.0050.0402=0.381YDC2-YDK1164.3780.0010.0000.0012=0.021YDC2-YDK32515.2780.0080.0060.0162=0.102YDC2-YDC32444.9600.0080.0060.0162=0.099YDC3-GK0511719.9470.0410.0130.0562=0.468YDC3-YDK12569.8460.0070.0060.0072=0.104YDC3-YDK3109.9410.0000.0000.0002=0

11、.020YDC2-KCK16827.5110.0180.0190.0452=0.273YDC3-KCK14387.3260.0110.0120.0292=0.176KCK1-GK0515724.0160.0520.0250.0852=0.628YDC2-YDK258.4030.0010.0010.0002=0.020YDC3-YDK22498.3280.0070.0450.0162=0.101YDK2-YDK1148.5090.0010.0010.0012=0.021YDC2-YDK42461.5390.0070.0060.0152=0.100YDC3-YDK471.5760.0010.000

12、0.0012=0.020YDK4-YDK3161.9080.0010.0000.0012=0.021根據(jù)上表可以看出，約束平差后基線分量的改正數(shù)與無約束平差同一結(jié)果基線相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對值滿足全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范（GB/T 18314-2001）中E級要求。32 精度評定321 復(fù)測基線比較在GPS野外作業(yè)時(shí)，為了保證基線邊準(zhǔn)確性及可靠性，需對在控制網(wǎng)中主要的基線邊進(jìn)行復(fù)測，即在不同的時(shí)段對同一條基線再進(jìn)行測量，可以得到基線復(fù)測較差。在鹽水溝隧道野外作業(yè)過程中，兩個(gè)已知點(diǎn)間基線、進(jìn)洞樁與出洞樁間基線是十分重要的兩條基線，兩控制點(diǎn)基線如果精度低，則影響整體控制網(wǎng)的精度，如果進(jìn)洞樁與出

13、洞樁間基線精度低，則對隧道的貫通存在一定的影響。以上兩條基線復(fù)測結(jié)果如表4：表4：基線復(fù)測統(tǒng)計(jì)表基線名稱兩次基線所測長度(m)較差(m)E級規(guī)定限差(m)基線相對精度XYZ平面高程GK05至YSK415724.0480.0210.0180.0272=0.8901/5697101/58237015724.009YDC2至YDC32444.9590.0040.0030.0042=0.1411/4889801/6112252444.965從上表可以看出,兩次觀測控制點(diǎn)間基線分量精度較高,證明控制點(diǎn)資料準(zhǔn)確,可以利用,可以作為隧道控制網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)；隧道兩穿越樁間基線兩次測量差值很小，精度很高。322

14、同步觀測環(huán)檢驗(yàn)在三邊同步環(huán)當(dāng)中，只有兩個(gè)同步邊成果可視為獨(dú)立的成果，應(yīng)與第三邊的成果為其余兩邊代數(shù)和。但由于數(shù)學(xué)模型誤差和處理軟件的內(nèi)在缺陷，第三邊處理結(jié)果與前兩邊的代數(shù)和常不為零，其值應(yīng)小于下列數(shù)值：WxWyWz式中為相應(yīng)級別規(guī)定的精度(按網(wǎng)的實(shí)際平均邊長計(jì)算)。在鹽水溝隧道控制網(wǎng)GPS數(shù)據(jù)解算時(shí)，對同步環(huán)進(jìn)行了檢驗(yàn),幾個(gè)主要同步環(huán)檢驗(yàn)情況結(jié)果如表5：表5：同步環(huán)檢核統(tǒng)計(jì)表環(huán)名稱各基線長度(m)第三邊代數(shù)和Wx(m)Wy(m)Wz(m)E級規(guī)定限差(m)相對精度平面高程YDC2YDK3YDK42515.2812461.5380.0030.0020.0040.0351/6836111/6153

15、84161.9082461.543YDC3YDK1YDK22569.8392498.313 0.0060.0080.0050.0361/2498311/499662148.5102498.324YDK1YDK2YDC2148.510164.3760.0010.0010.0010.0041/1174111/16437658.403164.378YDK3YDK4YDC3161.908109.938 0.0010.0000.0010.0041/1099381/10993871.578109.940通過同步環(huán)觀測檢驗(yàn)，可以看出在測邊、測角方面，GPS都可以達(dá)到很高的精度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于全球定位系統(tǒng)（GPS）

16、測量規(guī)范（GB/T 18314-2001）中E級要求，外也觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量高。323 與常規(guī)測量方法、導(dǎo)線控制點(diǎn)復(fù)測報(bào)告比較在輸氣管道當(dāng)中，首次使用GPS進(jìn)行隧道控制網(wǎng)布設(shè)，從計(jì)算精度來看，取得了令人滿意的結(jié)果，但是由于GPS受到的干擾的因素很多，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，為了保證測量成果的準(zhǔn)確、可靠，需要對已測量成果加以驗(yàn)證，做到準(zhǔn)確無誤。在驗(yàn)證的過程中，采用測量精度較高的萊卡TC1700全站儀從隧道的進(jìn)口到隧道出口作一導(dǎo)線，對隧道的進(jìn)出洞樁和控制樁加以驗(yàn)證。2003年10月7日至10月11日，隧道施工單位中鐵十五局組織測量隊(duì)進(jìn)行進(jìn)口和出口控制點(diǎn)導(dǎo)線復(fù)測。結(jié)果如表6：表6：GPS測量結(jié)果與常規(guī)

17、測量方法、導(dǎo)線控制點(diǎn)復(fù)測結(jié)果比較表點(diǎn)名測量方式測量值與GPS測量較差絕對值(m)備注XYZXYZYDK1GPS4636042.19814649144.9671318.079起算數(shù)據(jù)常規(guī)測量4636042.19814649144.9671318.079施工復(fù)測4636042.19814649144.9671318.079YDK2GPS4636135.35914649259.5071334.178起算數(shù)據(jù)常規(guī)測量4636135.35914649259.5071334.1730.005施工復(fù)測4636135.35914649259.5071334.1720.006YDC2GPS4636095.598

18、14649300.4011321.612常規(guī)測量4636095.60514649300.4111321.6060.0070.0100.006施工復(fù)測4636095.61314649300.4201321.6090.0150.0190.003YDK4GPS4635080.07114651542.8651309.481常規(guī)測量4635080.08214651542.8561309.4770.0110.0090.004施工復(fù)測4635080.09014651542.8481309.4650.0190.0170.016YDC3GPS4635148.46214651554.4621291.807常規(guī)測量4635148.47314651554.4491291.7890.0110.0130.018施工復(fù)測4635148.48314651554.4391291.7870.0210.0230.020YDC4GPS4635119.12914651624.2701302.327常規(guī)測量4635119.127146