張訓(xùn)虎,章 磊,王曉奇
(1.國家測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心,北京 100830;2.北京七維航測科技股份有限公司,北京 100094)
基于GPS的高速鐵路沉降觀測可行性研究
張訓(xùn)虎1,章 磊1,王曉奇2
(1.國家測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心,北京 100830;2.北京七維航測科技股份有限公司,北京 100094)
隨著中國高速鐵路主干網(wǎng)建設(shè)的開展,高速鐵路建設(shè)中的許多技術(shù)問題成了近幾年內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。其中高速鐵路建設(shè)環(huán)節(jié)中對施工速度與效率形成的制約瓶頸―――施工方式、技術(shù)方面雖屢有突破,但是因遵循原有測量檢核流程,在速度上沒有得到本質(zhì)的提高。尤其是高鐵建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)中的沉降監(jiān)測方面,現(xiàn)在還在采用常規(guī)測量方式,即人工觀測方法。這種方式無論是在速度上還是實(shí)時性上都不能滿足高鐵快速建設(shè)的需要,成為高速鐵路建設(shè)過程中的瓶頸。
本文采用GPS觀測的方式進(jìn)行沉降監(jiān)測工作,提出了新見解,并且在沈丹高速四工區(qū)得到驗(yàn)證。通過一系列工作驗(yàn)證和測試證實(shí)了高速鐵路建設(shè)中應(yīng)用本文所提的沉降觀測方法的可行性與快捷性。測試結(jié)果證明了這一方式能夠在高速鐵路施工與運(yùn)行維護(hù)環(huán)節(jié)的沉降觀測工作中使用。
在高速鐵路建設(shè)過程中,通常采用等級水準(zhǔn)的方式,人工往返測量的方法進(jìn)行沉降觀測[1]。這種方法耗時、耗力、耗人,作業(yè)時間長,需要人員多,每個測段都需要大量人力進(jìn)行獨(dú)立測量,并且為保證精度,還需要考慮時間、氣候、環(huán)境等的影響,嚴(yán)重制約了測量的進(jìn)度和效果;同時測量結(jié)果不能實(shí)時上傳,導(dǎo)致結(jié)果滯后。例如:部分區(qū)域發(fā)生沉降,施工單位不能在第一時間發(fā)現(xiàn)問題,需要等到下一個測量時段進(jìn)行后才能獲知,從而導(dǎo)致不可彌補(bǔ)的損失。以上弊端決定了等級水準(zhǔn)測量在高鐵沉降觀測工作中應(yīng)用的局限性。
本研究采用GPS實(shí)時測量外加高精度后處理軟件的方法進(jìn)行。該方法能夠提供水平和垂直方向上均達(dá)到1 mm精度的觀測結(jié)果,并且能夠?qū)崟r提供測量成果,彌補(bǔ)了上述等級水準(zhǔn)測量出現(xiàn)的問題[2]。
1.理論基礎(chǔ)
我國常用的高程基準(zhǔn)為正常高系統(tǒng)。所謂正常高即地面上觀測點(diǎn)沿垂線方向至似大地水準(zhǔn)面的距離。GPS所測高程為WGS-84坐標(biāo)系下的大地高,即地面上觀測點(diǎn)沿法線方向至參考橢球面上的距離,如圖1所示。
圖1
大地高與正常高之間的關(guān)系是H正常=H大地-ξ,其中ξ為該點(diǎn)的高程異常。在沉降測量中,若要計算兩點(diǎn)間的高差,即H正常1=H大地1-ξ1,H正常2=H大地2-ξ2的高差,在兩點(diǎn)間的距離很近的情況下,可以視ξ1與ξ2相同,從而兩點(diǎn)間的正常高高差與大地高高差為同一值。故可以采用GPS高程來代替水準(zhǔn)測量的方式,觀測同一點(diǎn)的高程變化。
由于GPS測得的高程值為WGS-84的橢球高,該高程垂直于WGS-84橢球的橢球面。水準(zhǔn)測量獲取的是正常高,該高程垂直于似大地水準(zhǔn)面。兩個高程值在數(shù)值上和表示上具有明顯的區(qū)別。但是,空間的一個點(diǎn)上,如果相對似大地水準(zhǔn)面上發(fā)生沉降,那么在橢球面上一定也發(fā)生相應(yīng)的變化。雖然與高程相關(guān)的兩個變化量在方向上不同,由于兩者之間的夾角θ非常小,因此這兩個變化量在方向上的區(qū)別可以認(rèn)為是微乎其微的,從而可以認(rèn)為兩個值是可以互相代替的。如圖2、圖3所示。
圖2
圖3
2.測試方法
本文采用麥格集團(tuán)GPS實(shí)時觀測加高精度后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,麥格監(jiān)測軟件是利用三差法與卡爾曼濾波技術(shù)研發(fā)的快速高精度解算軟件,軟件能夠?qū)崿F(xiàn)絕對位移與相對位移的高精度解算。滿足觀測條件的情況下觀測15~30 min后觀測數(shù)據(jù)即可達(dá)到實(shí)時毫米級精度。
測試按照如下過程進(jìn)行:首先利用等級水準(zhǔn)測量的方式測量監(jiān)測點(diǎn)位的高程;然后架設(shè)GPS接收機(jī)到監(jiān)測點(diǎn)位上,采用多次量取GPS天線高的方式,把監(jiān)測點(diǎn)的高程傳遞到GPS天線頂面上。
由于測量時間短,為了讓沉降過程更加明顯,本次測試采用自帶的升降臺進(jìn)行人工變高,以達(dá)到變化高程的目的。本次測試的目的是人為在高程上制造一個變量,使用GPS獲取的大地高變化來檢查這個變量。如果兩個值的互差很小,則完全可以使用GPS測量大地高高差代替水準(zhǔn)測量的正常高高差。檢測方法就是對兩次水準(zhǔn)測量的高程互差值與兩次GPS測量的大地高互差值進(jìn)行對比,從而得到兩者之間的相對關(guān)系[3]。
如果數(shù)據(jù)處理軟件能夠及時并準(zhǔn)確地反映整個變高的過程,說明測試方法及軟件解算精度與解算速度應(yīng)用于沉降觀測是可行的[4-5]。
系統(tǒng)的測試工作于2010年10月31日在沈丹線鳳城市的四工區(qū)進(jìn)行,用以驗(yàn)證以上方法的可行性。首先使用水準(zhǔn)儀按照等級水準(zhǔn)的方式進(jìn)行全線路的水準(zhǔn)測量,測得各個監(jiān)測點(diǎn)的高程值;然后在監(jiān)測點(diǎn)上架設(shè)GPS,共計4個點(diǎn),其中8108點(diǎn)為精度最高的CPI,本次測試以該點(diǎn)作為基準(zhǔn)站,架設(shè)儀器為Trimble NetR8 GNSS接收機(jī),該接收機(jī)能夠接收雙頻雙星數(shù)據(jù)。其他3個監(jiān)測點(diǎn)采用Trimble 4700 GPS接收機(jī)進(jìn)行測量。各點(diǎn)的空間分布情況如圖4所示。
圖4
所有接收機(jī)均采用1 Hz的采樣間隔。觀測時間為2010年10月31日10:00―17:00。其中9070點(diǎn)位GPS接收機(jī)在15:00上升了14 mm,如圖5所示。其他幾個點(diǎn)在觀測過程中始終未變。9070點(diǎn)的高程時程曲線如圖6所示。
圖5 儀器變高前后對比
圖6 9070點(diǎn)高程時程曲線圖
從測試結(jié)果(見表1)中各點(diǎn)GPS測量在各個方向的偏差范圍和偏差值情況可以看出,測試結(jié)果符合毫米級的精度要求。并且9070點(diǎn)位的高程由0.003 m變成0.017 m時,高程測量結(jié)果也準(zhǔn)確地變化了14 mm,準(zhǔn)確測出了監(jiān)測點(diǎn)高程的變化情況。而9008和9069兩個點(diǎn)在連續(xù)7 h的觀測過程中,無論平面和高程都沒有顯著的變化。因此證明了該方法能夠準(zhǔn)確監(jiān)測高程變化的數(shù)值,并且具有較好的穩(wěn)定性、時效性。
表1 各監(jiān)測點(diǎn)GPS測量情況統(tǒng)計
由于現(xiàn)場和時間的原因,沒有把GPS接收機(jī)天線安裝在強(qiáng)制對中墩上,而是架設(shè)在三腳架上,造成了因三腳架受到太陽、風(fēng)力的影響而出現(xiàn)的一定程度上的精度損失。如果將GPS接收機(jī)天線架設(shè)在強(qiáng)制對中墩上,所體現(xiàn)的測量精度會更好。由于是臨時測試,沒有防盜裝置,不能長時間進(jìn)行測試。雖然僅僅測試了7 h,但已經(jīng)能充分體現(xiàn)出這種方法的測量精度和軟件數(shù)據(jù)處理的能力。
通過這次測試的結(jié)果可以看出,GPS應(yīng)用于沉降觀測確實(shí)能達(dá)到1 mm的精度,完全滿足高鐵沉降觀測需要。所使用的軟件能在高程方向上進(jìn)行沉降觀測的同時得到平面上的變化量,針對橋墩等構(gòu)筑物可以進(jìn)行變形觀測。能夠通過網(wǎng)絡(luò)按照一定的時間間隔把形變數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的地點(diǎn),實(shí)現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果實(shí)時入庫,并以圖形或曲線的方式展示出來。這種沉降觀測方式的數(shù)據(jù)具備實(shí)時性、高效性,為分析、處理和應(yīng)對形變原因提供了充足的時間,可以確保高鐵施工及運(yùn)行管理維護(hù)的安全。
利用GPS進(jìn)行變形觀測的技術(shù)具有成熟性、穩(wěn)定性、實(shí)時性特點(diǎn),已經(jīng)在三峽、地震等很多工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用[6-7]。結(jié)合本次測試的結(jié)論,沿高鐵線路按照一定的距離間隔,選取地質(zhì)條件穩(wěn)定的地點(diǎn)布設(shè)GPS基準(zhǔn)站,在高鐵沿線地質(zhì)不穩(wěn)定有可能形成形變的區(qū)域,如長橋、地下水超采區(qū)、大型水庫附近等進(jìn)行監(jiān)測GPS點(diǎn)布設(shè),就可以實(shí)現(xiàn)三維的實(shí)時形變監(jiān)測[8],利用這種方法可以確保高鐵施工及運(yùn)行維護(hù)安全。
為更好地實(shí)現(xiàn)GPS在高速鐵路建設(shè)中的應(yīng)用,可以在施工前布設(shè)足夠的基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)GPS帶狀構(gòu)網(wǎng),并結(jié)合多功能軟件系統(tǒng)(如VRS軟件),服務(wù)于工程的前期、中期及運(yùn)行維護(hù)各個階段。如在施工的前期,涉及選線、征地、填挖土方等工作都可以利用該VRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行GPS測量實(shí)現(xiàn)全區(qū)域厘米級實(shí)時測量精度[9],比原來的作業(yè)方法效率高、精度好;在施工過程中能提供實(shí)時坐標(biāo),并且可以作為基樁控制網(wǎng)(CPⅢ)點(diǎn)坐標(biāo)的復(fù)核使用,快速、高效;在高速鐵路的運(yùn)行維護(hù)階段,使用GPS自動觀測系統(tǒng)能夠很好地替代需要投入大量人力、物力、財力而且效率低的常規(guī)水準(zhǔn)觀測,快速、高效地完成沉降監(jiān)測工作。因此,基于GPS的沉降觀測方式的應(yīng)用將助力于高速鐵路的施工和運(yùn)行維護(hù)工作。
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Study on the Feasibility of High-speed Railway Settlement Observation Based on GPS
ZHANG Xunhu,ZHANG Lei,WANG Xiaoqi
通過理論分析和實(shí)際測試,采用人為變化測試點(diǎn)高程的方法,論證并檢驗(yàn)使用GPS測量橢球高代替水準(zhǔn)測量的可行性。通過測試結(jié)果可以看出,GPS測量能夠準(zhǔn)確反映各點(diǎn)的三維坐標(biāo)變化情況,在高程測量方面能夠準(zhǔn)確測量出人為變化的高程值。測試過程中所使用的軟件能夠準(zhǔn)確及時地解算數(shù)據(jù),為沉降觀測工作提供可靠的計算保障。
GPS;水準(zhǔn)測量;高鐵沉降觀測
P258
B
0494-0911(2014)10-0092-03
2013-07- 26;
2014-01-24
張訓(xùn)虎(1977―),男,山東濟(jì)南人,碩士,高級工程師,主要從事GPS及GIS應(yīng)用工作。
張訓(xùn)虎,章磊,王曉奇.基于GPS的高速鐵路沉降觀測可行性研究[J].測繪通報,2014(10):92-94.
10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0338