王寧（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院測繪分院陜西西安710002）

引漢濟(jì)渭工程黃三隧洞施工貫通地面GPS網(wǎng)的建立與效果分析

王寧
（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院測繪分院陜西西安710002）

本文以引漢濟(jì)渭工程黃三黃金峽水庫至三河口水庫隧洞施工貫通地面GPS網(wǎng)的建立為例，探討了地面GPS控制網(wǎng)等級(jí)與坐標(biāo)系基準(zhǔn)的選取、洞口地面控制點(diǎn)布設(shè)數(shù)量和位置確定、網(wǎng)形組成與建造墩標(biāo)、觀測與數(shù)據(jù)處理等主要確定過程，再進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，分析了驗(yàn)證實(shí)施效果的可靠性，以期為類似案例提供借鑒。

黃三輸水隧洞；地面GPS網(wǎng)；效果分析

1　概況

黃三輸水隧洞是將黃金峽水庫的漢江水輸送到三河口水庫匯流池，該隧洞全長16.8km，隧洞地處秦嶺腹地深山地域。隧洞施工除在進(jìn)、出口兩端相向開挖掘進(jìn)之外，同時(shí)還在洞身中間布設(shè)了4個(gè)施工支洞增加開挖面；為了保證輸水隧洞施工的準(zhǔn)確貫通，施工開工前，需在每一個(gè)開挖洞口（進(jìn)出口、支洞口）附近設(shè)立固定的平面控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)，建立洞外施工貫通測量GPS和高程控制網(wǎng)，為進(jìn)洞施工確定中線掘進(jìn)方向和高程放樣提供基準(zhǔn)值。

2　技術(shù)方案與建網(wǎng)觀測

2.1GPS控制網(wǎng)等級(jí)

黃金峽水利樞紐工程壩后左岸緊近黃三隧洞進(jìn)口端，黃三隧洞4#支洞位于三河口水利樞紐工程大壩下游右岸，這兩座大型水利樞紐工程大壩均屬于混凝土建筑物，按照《水利水電工程施工測量規(guī)范》SL197-2015首級(jí)平面控制網(wǎng)等級(jí)適用范圍的規(guī)定，其首級(jí)平面控制網(wǎng)等級(jí)應(yīng)取二等；黃三隧洞支洞間相向開挖長度為5km～10km，其地面控制網(wǎng)等級(jí)也可取二等；而黃金峽和三河口水利樞紐首級(jí)平面控制網(wǎng)點(diǎn)可以兼做黃三隧洞進(jìn)口與4#支洞進(jìn)洞控制點(diǎn)使用，因此，黃三隧洞施工貫通地面控制與黃金峽、三河口水利樞紐工程首級(jí)平面控制網(wǎng)統(tǒng)一布設(shè)為整體網(wǎng)、等級(jí)統(tǒng)一選取二等。

2.2地面GPS網(wǎng)坐標(biāo)系的選取

鑒于引漢濟(jì)渭調(diào)水工程秦嶺隧洞已先期建立地面施工控制網(wǎng)，為了方便黃三隧洞4#施工支洞與秦嶺隧洞椒溪河施工支洞施工貫通洞內(nèi)連接，黃三隧洞地面GPS控制網(wǎng)采用的坐標(biāo)系統(tǒng)與秦嶺隧洞地面GPS控制網(wǎng)的坐標(biāo)系統(tǒng)相一致，即：WGS84橢球體下的獨(dú)立施工坐標(biāo)系統(tǒng)，中央子午線108°06′28″，投影面1985國家高程基準(zhǔn)的高程525m，投影面大地高495m。

2.3地面GPS網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)引漢濟(jì)渭調(diào)水工程總平面布置圖與設(shè)計(jì)報(bào)告，經(jīng)實(shí)地查勘黃三隧洞各個(gè)施工支洞口、黃金峽與三河口水庫壩區(qū)地形地貌特征，地面GPS網(wǎng)布設(shè)采用分級(jí)布網(wǎng)方式，即：黃三隧洞的進(jìn)口端2個(gè)點(diǎn)、4#施工支洞口（三河口水庫壩區(qū)）1個(gè)點(diǎn)，與秦嶺隧洞的椒溪河支洞、4#支洞、出口端各1個(gè)點(diǎn)，并聯(lián)測拉薩（LHAS）、武漢（WUHN）、西安（XIAN）、昆明（KMIN）等4個(gè)GPS連續(xù)運(yùn)行參考站構(gòu)成B 級(jí)GPS網(wǎng)觀測，作為基礎(chǔ)網(wǎng)；再在此基礎(chǔ)網(wǎng)上將黃三隧洞施工支洞口、黃金峽與三河口壩區(qū)布設(shè)的平面控制點(diǎn)組成二等GPS網(wǎng)統(tǒng)一觀測，同時(shí)分別聯(lián)測黃金峽、三河口設(shè)計(jì)階段留設(shè)的2個(gè)平面固定點(diǎn)，作為黃三隧洞施工貫通地面GPS控制網(wǎng)。

2.4點(diǎn)位選取與墩標(biāo)建造

2.4.1點(diǎn)位選設(shè)的基本要求

點(diǎn)位應(yīng)選在土質(zhì)堅(jiān)硬與穩(wěn)定（目的防止位移）、便于長期保存（不易破壞）的地方；洞外平面控制網(wǎng)應(yīng)沿兩洞口連線方向布設(shè)成多邊形組合圖形，構(gòu)成閉合檢核條件；采用GPS觀測方案時(shí)，控制點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在頂空星況（不可忽視隱蔽、遮擋）開闊，通視良好的地方，避免GPS多路徑效應(yīng)的影響（如：無線塔、高壓塔與線、大面積水面、強(qiáng)反光建筑物）。

2.4.2點(diǎn)位選取需要綜合考慮的因素

2.4.2.1主進(jìn)洞點(diǎn)位置的確定

隧洞施工貫通洞外控制布網(wǎng)前，選點(diǎn)人員到達(dá)隧洞進(jìn)出口、支洞口時(shí)，首先要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙或設(shè)計(jì)坐標(biāo)現(xiàn)場標(biāo)定洞口位置。只有洞口位置標(biāo)定后，才能結(jié)合現(xiàn)場地形地貌特征選取洞口控制點(diǎn)點(diǎn)。洞口附近控制點(diǎn)選設(shè)需要綜合考慮的因素有以下3點(diǎn)：

（1）選設(shè)洞口控制點(diǎn)時(shí)，必須滿足至少有1個(gè)控制點(diǎn)（即：主進(jìn)洞點(diǎn)）直接看到洞口位置。

（2）主進(jìn)洞點(diǎn)盡可能選在距洞口200m～300m的位置，主進(jìn)洞點(diǎn)與進(jìn)洞方向點(diǎn)之間距離盡可能控制在300m～600m。這是因?yàn)椋憾磧?nèi)控制測量只有布設(shè)為導(dǎo)線形式，采用全站儀觀測水平角和邊長，由于水工隧洞都是單隧洞，洞內(nèi)通風(fēng)條件差、濕度大，全站儀在洞內(nèi)測距長度一般在200m～300m，特別是洞內(nèi)貫通控制遇到施工干擾灰塵大、洞徑小的作業(yè)環(huán)境時(shí)，洞內(nèi)全站儀測距長度只能達(dá)到200m左右。如圖1所示。當(dāng)洞外GPS控制點(diǎn)邊長小于300m時(shí)，GPS測量精度較低（因?yàn)镚PS接收機(jī)精度5mm+1ppm）；當(dāng)洞外GPS控制點(diǎn)邊長超過600m時(shí)，在進(jìn)洞點(diǎn)設(shè)站進(jìn)行水平角觀測，前后視方向?yàn)殚L短邊，觀測員照準(zhǔn)目標(biāo)要調(diào)焦，這樣，測角精度會(huì)降低。

圖1　進(jìn)洞導(dǎo)線布設(shè)圖

（3）洞口GPS控制點(diǎn)盡量布設(shè)在與隧洞洞口位置處于同一高程面上，可消除或減弱垂線偏差對進(jìn)洞定向方向觀測精度的影響。

2.4.2.2洞口控制點(diǎn)布設(shè)數(shù)量的確定

從洞口GPS控制點(diǎn)向洞內(nèi)引測導(dǎo)線時(shí)，必須確認(rèn)控制點(diǎn)穩(wěn)定后方可向洞內(nèi)引測傳遞坐標(biāo)，因此，向洞內(nèi)引測控制時(shí)，應(yīng)在主進(jìn)洞點(diǎn)架設(shè)全站儀檢測水平角和距離。

（1）當(dāng)洞口布設(shè)3個(gè)點(diǎn)時(shí)，檢測結(jié)果會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況：

1）第一種情況：如圖2所示，JD1作為進(jìn)洞點(diǎn)，JD2、JD3是后視方向點(diǎn)，布設(shè)洞內(nèi)導(dǎo)線前應(yīng)在該測站檢測洞外控制點(diǎn)的穩(wěn)定性，即應(yīng)設(shè)站觀測β1和S1、S2。

圖2　進(jìn)洞設(shè)站檢測2方向關(guān)系圖

a）當(dāng)△β=β1-β0≤2mβ

△S1=S1-S01≤2mS，△S2=S2-S02≤2mS時(shí)，說明進(jìn)洞口的洞外3個(gè)控制點(diǎn)穩(wěn)定，可以作為起始點(diǎn)引測洞內(nèi)導(dǎo)線。

b）當(dāng)△β＞2mβ，△S1＞2mS，△S2＞2mS時(shí)，應(yīng)分析進(jìn)洞口的洞外3個(gè)控制點(diǎn)的穩(wěn)定性，可能至少有1個(gè)點(diǎn)位移或不穩(wěn)定，這時(shí)就不好判斷哪個(gè)哪個(gè)點(diǎn)發(fā)生位移（移動(dòng)了）。

2）第二種情況是，如果進(jìn)洞口的洞外這三個(gè)點(diǎn)之中有任一個(gè)控制點(diǎn)破壞時(shí)，進(jìn)洞前就無法檢測洞口控制點(diǎn)的水平角。

（2）當(dāng)洞口布設(shè)4個(gè)點(diǎn)時(shí)，如圖3所示，JD1作為進(jìn)洞點(diǎn)，JD2、JD3、JD4是后視方向點(diǎn)，洞內(nèi)導(dǎo)線測量前，在該測站JD1檢測洞外控制點(diǎn)的穩(wěn)定性，即可設(shè)站觀測β1、β1和S1、S2、S3。

a）如果檢測△β1＞2mβ或△β2＞2 mβ時(shí)，說明JD2、JD3、JD4之中有一個(gè)點(diǎn)發(fā)生了位移，檢測β1、β2就能發(fā)現(xiàn)哪個(gè)點(diǎn)動(dòng)了（發(fā)生位移）。

圖3　進(jìn)洞設(shè)站檢測3方向點(diǎn)關(guān)系圖

b）如果檢測△β1、△β2都＞2mβ，就要看JD1是否發(fā)生位移；

這時(shí)，必須在JD2設(shè)站檢測JD3、JD1、JD4之間的角度，驗(yàn)證JD1的穩(wěn)定性。這也是我們選點(diǎn)時(shí)，要求JD1至JD2、JD3、JD4必須通視，也要盡可能保證JD2至JD3、JD4通視的原因。

雖然規(guī)范要求建立隧洞（道）施工貫通洞外控制測量時(shí)，每個(gè)洞口布設(shè)平面控制點(diǎn)不少于3個(gè)，但從上述分析可以看出：最可靠的布點(diǎn)方案是每個(gè)洞口布設(shè)平面控制點(diǎn)數(shù)量應(yīng)為4個(gè)。因此，在黃三隧洞1#、2#、3#支洞口各布設(shè)4個(gè)點(diǎn)；進(jìn)口緊鄰黃金峽水庫大壩下游、4#支洞口緊鄰三河口水庫混凝土雙曲拱壩下游，布設(shè)2個(gè)樞紐的控制點(diǎn)時(shí)，兼顧隧洞進(jìn)口與4#支洞口進(jìn)洞控制點(diǎn)位需要。

2.4.2.3GPS點(diǎn)墩標(biāo)建造

在黃金峽水庫樞紐、三河口水庫樞紐、1#、2#、3#支洞口所選設(shè)的GPS點(diǎn)全部建造混凝土觀測墩，安置強(qiáng)制對中基座，這樣不僅保障測量儀器在施工控制網(wǎng)的觀測過程中始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，消除光學(xué)基座的對中誤差，而且是提高觀測成果的精度和可靠性的保障。

2.5地面GPS網(wǎng)的觀測

GPS網(wǎng)使用6臺(tái)Trimble R8-3型GPS接收機(jī)靜態(tài)模式觀測。B級(jí)GPS網(wǎng)外業(yè)觀測3個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段觀測長度23.5h，數(shù)據(jù)采樣間隔30s；C級(jí)GPS網(wǎng)外業(yè)觀測2個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段觀測長度2h，數(shù)據(jù)采樣間隔15s。

3　數(shù)據(jù)處理與精度統(tǒng)計(jì)分析

3.1B級(jí)網(wǎng)

B級(jí)GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理采用美國麻省理工學(xué)院的GAMIT/GLOBK軟件。外業(yè)觀測完成后，收集4個(gè)GPS連續(xù)運(yùn)行參考站的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；再進(jìn)行GPS基線解算，由檢測點(diǎn)同步環(huán)Nrms統(tǒng)計(jì)值均小于0.23周說明基線解算時(shí)周跳基本剔除干凈，基線重復(fù)性統(tǒng)計(jì)知：基線X分量的重復(fù)性平均值為±2.6mm，最大值為±6.3mm；基線Y分量的重復(fù)性平均值為±1.0mm，最大值為±1.9mm；基線Z分量的重復(fù)性平均值為±5.8mm，最大值為±10.9mm；基線長度的重復(fù)性平均值為±2.5mm，最大值為±6.4mm。

約束LHAS、WUHN、XIAA、KMIN等4個(gè)連續(xù)運(yùn)行站，做三維約束平差，求出B級(jí)網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)。其空間坐標(biāo)精度為：X分量的中誤差平均值為±1.6mm，最大值為±2.1mm；Y分量的中誤差平均值為±3.5mm，最大值為±4.5mm；Z分量的中誤差平均值為± 2.4mm，最大值為±3.0mm。B級(jí)GPS網(wǎng)點(diǎn)南北分量的中誤差平均值為±0.9mm，最大值為± 1.0mm；東西分量的中誤差平均值為±1.1mm，最大值為±1.3mm；高程分量的中誤差平均值為±4.4mm，最大值為±5.6mm。

3.1.3聯(lián)測秦嶺隧洞施工地面GPS控制點(diǎn)坐標(biāo)與原值比較均小于±10.mm。

3.2二等網(wǎng)

二等GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理采用Trimble Business Center（V2.2）GNSS數(shù)據(jù)處理軟件。共統(tǒng)計(jì)重復(fù)基線66條，重復(fù)基線長度較差最小為0.05mm，最大為10.51mm（限差14.4mm），平均值為3.58mm；共統(tǒng)計(jì)三邊同步環(huán)43個(gè)，同步環(huán)全長相對閉合差最小為0.04ppm，最大為2.81ppm（限差3.0ppm），平均值為1.15 ppm；共統(tǒng)計(jì)異步環(huán)33個(gè)，異步環(huán)全長相對閉合差最小為0.21ppm，最大為8.63ppm（限差10.0ppm），平均值為2.22 ppm。

采用TBC軟件在WGS84坐標(biāo)系下進(jìn)行三維無約束平差，再固定HSP01、HSP19等兩個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)系的坐標(biāo)進(jìn)行約束平差，平差后最弱點(diǎn)位中誤差為±5.6mm，優(yōu)于規(guī)范允許值±10.0mm的精度要求。

4　結(jié)語

黃三隧洞施工貫通地面GPS控制網(wǎng)的等級(jí)、坐標(biāo)系基準(zhǔn)、洞口控制點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量和位置、網(wǎng)形構(gòu)成等關(guān)鍵技術(shù)方案，結(jié)合工程特點(diǎn)的論證確定體現(xiàn)了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、經(jīng)濟(jì)合理的基本原則，是隧洞施工精準(zhǔn)貫通的地面GPS網(wǎng)建立的可靠保障。

觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制準(zhǔn)確，最終平差成果精度優(yōu)于規(guī)范要求，滿足黃三隧洞施工進(jìn)洞開挖掘進(jìn)定向的精度要求。陜西水利

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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