杜笑芳，楊兆龍

(1.廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710； 2.江蘇省地質(zhì)測(cè)繪院，江蘇 南京 211102)

湖底隧道測(cè)量控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

杜笑芳1，楊兆龍2

(1.廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710； 2.江蘇省地質(zhì)測(cè)繪院，江蘇 南京 211102)

介紹了在湖底隧道測(cè)量工程中，采用“一點(diǎn)一方向法”建立GPS平面控制網(wǎng)的方法，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性，為在同類隧道工程中建立平面測(cè)量控制網(wǎng)提供參考。

GPS；隧道測(cè)量；平面控制網(wǎng)；平差計(jì)算

0 引言

在穿越大型湖泊隧道工程的施工中，為了保證隧道的順利貫通，應(yīng)確保洞外控制網(wǎng)的精度滿足相應(yīng)規(guī)范要求。一般采用二等水準(zhǔn)測(cè)量方法建立高程控制網(wǎng)。而對(duì)平面控制網(wǎng)而言，如控制網(wǎng)精度不高，會(huì)造成平面控制點(diǎn)坐標(biāo)反算的邊長(zhǎng)與實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)產(chǎn)生較大的差值，即產(chǎn)生長(zhǎng)度投影變形，會(huì)對(duì)線路施工放樣及隧道貫通測(cè)量等工作造成較大影響[1-3]。

因此，平面控制網(wǎng)的建立是湖底隧道測(cè)量工程的重點(diǎn)。為此，本文以某湖底隧道測(cè)量工程為例，介紹了隧道工程的施工中二等GPS平面控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

1 方案設(shè)計(jì)

湖底隧道二等GPS平面控制網(wǎng)建立項(xiàng)目的重點(diǎn)包括二等GPS網(wǎng)的布網(wǎng)方案、二等GPS觀測(cè)墩的埋石、二等GPS觀測(cè)方案和利用全站儀進(jìn)行基線加測(cè)的方法、二等GPS控制網(wǎng)起算數(shù)據(jù)的選擇和平差計(jì)算的方法以及二等水準(zhǔn)測(cè)量。在測(cè)量時(shí)，兩岸各采用一個(gè)國(guó)家一等水準(zhǔn)點(diǎn)作為起算點(diǎn)，并納入同一水準(zhǔn)路線進(jìn)行觀測(cè)計(jì)算。

為達(dá)到控制控制網(wǎng)邊長(zhǎng)變形的目的，應(yīng)在整個(gè)隧道區(qū)域建立二等獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)。根據(jù)隧道實(shí)際情況，本項(xiàng)目采用“一點(diǎn)一方向法”。一點(diǎn)一方向是指采用一個(gè)固定點(diǎn)坐標(biāo)作為工程起算點(diǎn)，以一個(gè)固定方向的方位角作為工程控制網(wǎng)的起算邊，從而建立相對(duì)獨(dú)立坐標(biāo)系的方法。

2 方案實(shí)施

2.1 選點(diǎn)埋石

為了使GPS網(wǎng)有良好的結(jié)構(gòu)且利于隧道相關(guān)測(cè)量，結(jié)合實(shí)地地形情況，二等GPS點(diǎn)布設(shè)于隧道兩端出口附近，每個(gè)點(diǎn)保證至少有一個(gè)通視方向，埋石位置有利于平面控制向圍堰及建成后的隧道內(nèi)的傳遞。

GPS點(diǎn)四周沒(méi)有仰角高于15°的成片障礙，以利于衛(wèi)星信號(hào)的接收。點(diǎn)位遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源(如電臺(tái)、微波站等)和高壓輸電線。點(diǎn)位附近沒(méi)有強(qiáng)反射的地面和環(huán)境或?qū)﹄姶挪ń邮沼袕?qiáng)烈干擾的物體，以免多路徑效應(yīng)引起定位點(diǎn)坐標(biāo)誤差。選點(diǎn)埋石應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

1)二等GPS網(wǎng)點(diǎn)點(diǎn)位都選取在距設(shè)計(jì)的隧道中線附近基巖層較淺、方便埋設(shè)、利于長(zhǎng)期保存、便于使用的地方。

2)二等GPS網(wǎng)中相鄰點(diǎn)之間的距離應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，保持在一定范圍內(nèi)，通常在在1～10 km之間。由于本網(wǎng)中跨越水面寬度較寬等實(shí)際原因造成相鄰點(diǎn)間距較長(zhǎng)，應(yīng)通過(guò)增加觀測(cè)時(shí)間，以確保精度達(dá)到相關(guān)規(guī)范的要求。

2.2 外業(yè)觀測(cè)

外業(yè)采用多臺(tái)GPS同步觀測(cè)，作業(yè)方式采用靜態(tài)相對(duì)定位模式。為了加強(qiáng)GPS網(wǎng)的強(qiáng)度，主要采用網(wǎng)連式構(gòu)網(wǎng)方案。GPS測(cè)量時(shí)應(yīng)達(dá)到以下技術(shù)要求：

1)衛(wèi)星高度角應(yīng)大于15°，有效觀測(cè)衛(wèi)星個(gè)數(shù)大于4個(gè)。

2)觀測(cè)墩的控制點(diǎn)采用強(qiáng)制對(duì)中方式，聯(lián)測(cè)點(diǎn)采用經(jīng)檢驗(yàn)過(guò)的光學(xué)對(duì)中器對(duì)中。為消除相位中心偏差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)量前用指南針先在觀測(cè)墩上劃好指北線，使天線指北線與觀測(cè)墩上的指北線重合，使定向誤差小于5°。

3)在測(cè)量過(guò)程中，對(duì)每個(gè)測(cè)站的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行了認(rèn)真的記錄，在參考GPS測(cè)量規(guī)范的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了專用的GPS外業(yè)記錄手簿。

4)天線要求嚴(yán)格整平，天線高在測(cè)量前后各量取一次，量取時(shí)從3到4個(gè)不同方向分別量取，互差不得大于1 mm。

5)觀測(cè)組嚴(yán)格按照調(diào)度表規(guī)定的時(shí)間作業(yè)，保證了同步觀測(cè)同一衛(wèi)星組。

6)數(shù)據(jù)采集時(shí)，測(cè)量人員關(guān)閉手機(jī)和對(duì)講機(jī)，并禁止周圍人員使用手機(jī)。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理方案

平面控制網(wǎng)采用GPS數(shù)據(jù)與常規(guī)測(cè)量數(shù)據(jù)聯(lián)合平差處理方案。GPS基線解算采用雙頻解算，經(jīng)三維無(wú)約束平差得到所有GPS基線向量數(shù)據(jù)，采用高精度全站儀觀測(cè)8條邊長(zhǎng)(對(duì)向觀測(cè))，對(duì)觀測(cè)邊長(zhǎng)進(jìn)行氣象元素及加乘常數(shù)改正后投影到高斯平面上，由GPS基線向量和改正后邊長(zhǎng)建立誤差方程式進(jìn)行聯(lián)合平差。

3.2 聯(lián)合平差計(jì)算

聯(lián)合網(wǎng)平差使用同濟(jì)大學(xué)研制的工程控制GPS網(wǎng)專用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)GPS-NET Processing System進(jìn)行處理。

平差采用含有地面起算數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)的GPS網(wǎng)三維嚴(yán)密平差。平差的起算數(shù)據(jù)以一個(gè)控制點(diǎn)為三維平差的基準(zhǔn)點(diǎn)和一個(gè)已知基線的方向作為方位基準(zhǔn)。聯(lián)合平差模型主要由GPS基線向量ΔRij觀測(cè)值誤差方程和邊長(zhǎng)誤差方程組成。平差模型中基線向量ΔRij誤差方程為：

(1)

平差模型中邊長(zhǎng)誤差方程式為：

(2)

4 應(yīng)用實(shí)例

蘇錫常南部高速公路為規(guī)劃建設(shè)“五縱九橫五聯(lián)”高速公路網(wǎng)中的“橫六”，工程起自與常宜高速公路聯(lián)接的前黃樞紐，沿東南方向進(jìn)入無(wú)錫馬山境內(nèi)，穿越太湖灣接無(wú)錫環(huán)太湖高速公路。項(xiàng)目路線里程全長(zhǎng)43.2 km，總投資預(yù)計(jì)達(dá)142.6億元，其中太湖隧道長(zhǎng)10.9 km，是目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的連續(xù)水下隧道。隧道跨越水面寬度約10 km，為確保隧道的施工和隧道變形監(jiān)測(cè)，將建立測(cè)量控制網(wǎng)。

在太湖灣南北各埋設(shè)4個(gè)二等控制點(diǎn)，點(diǎn)號(hào)分別為N01、N02、N03、N04和S01、S02、S03、S04。采用太湖隧道中軸線馬山側(cè)二等控制點(diǎn)N03為起算點(diǎn)、中軸線(N03-S02)方向?yàn)槠鹗挤较颉＝Y(jié)合太湖隧道附近地形地貌情況，布網(wǎng)方案設(shè)計(jì)，如圖1所示。二等GPS網(wǎng)應(yīng)布設(shè)成獨(dú)立網(wǎng)。全網(wǎng)共8個(gè)點(diǎn)，全網(wǎng)平均邊長(zhǎng)6.5 km左右?？紤]到太湖隧道獨(dú)立控制網(wǎng)的精度要求，為提高本網(wǎng)的可靠性，觀測(cè)時(shí)段均為4個(gè)時(shí)段，時(shí)段長(zhǎng)均大于5 h。

圖1 控制網(wǎng)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design map of contral network

本項(xiàng)目采用4臺(tái)Leica 530，2臺(tái)Leica 1230和2臺(tái)Leica 1202同步進(jìn)行觀測(cè)，作業(yè)方式采用靜態(tài)相對(duì)定位模式。為了加強(qiáng)GPS網(wǎng)的強(qiáng)度，主要采用網(wǎng)連式構(gòu)網(wǎng)方案，并利用LGO軟件對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

5 精度統(tǒng)計(jì)

主要包括以下方面：

1)邊長(zhǎng)觀測(cè)值改正數(shù)及精度成果

GPS觀測(cè)值與邊長(zhǎng)觀測(cè)值聯(lián)合平差中的邊長(zhǎng)改正數(shù)中誤差最大為2.33 mm，最弱邊相對(duì)誤差最大為1/806 564。

2)GPS和邊長(zhǎng)聯(lián)合平差成果

GPS聯(lián)合網(wǎng)數(shù)據(jù)處理一點(diǎn)一方向無(wú)約束平差后，坐標(biāo)X和Y的平移量為482.741 819 6 km和-187.630 970 8 km，單位權(quán)中誤差為0.151 922 mm。其中，平面控制點(diǎn)坐標(biāo)成果及誤差橢圓參數(shù)，最弱點(diǎn)為S03，點(diǎn)位中誤差為2.05 mm。

3)聯(lián)合網(wǎng)成果與實(shí)測(cè)平距比較

為了分析聯(lián)合網(wǎng)成果的可靠性，將聯(lián)合網(wǎng)成果與實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，較差成果統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 聯(lián)合平差后平距與實(shí)測(cè)平距互差統(tǒng)計(jì)表

Tab.1 Statistical table for difference between measured and combined adjustment horizontal distances

邊長(zhǎng)較差個(gè)數(shù)百分比/(%)Δ≤1mm2251mm<Δ≤2mm2252mm<Δ≤3mm112．53mm<Δ≤4mm112．54mm<Δ≤5mm225

從表1可以看出，聯(lián)合網(wǎng)成果與邊長(zhǎng)外業(yè)觀測(cè)成果差異較小，說(shuō)明GPS聯(lián)合網(wǎng)成果精度較高、質(zhì)量可靠。邊長(zhǎng)丈量方向示意圖，見圖2。

圖2 邊長(zhǎng)丈量方向示意圖Fig.2 Diagram of side measured direction

6 結(jié)論

本文介紹了在湖底隧道施工測(cè)量工程中，二等GPS平面控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，提出了在控制網(wǎng)跨度大、工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況復(fù)雜的情況下，湖底隧道平面控制網(wǎng)的布設(shè)觀測(cè)方案和實(shí)施方法即“一點(diǎn)一方向法”。通過(guò)具體實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性，為湖底隧道測(cè)量控制網(wǎng)的建立提供參考。

[1] 張正祿，鄧勇，羅長(zhǎng)林，等.測(cè)量控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性準(zhǔn)則法[J].測(cè)繪科學(xué)，2008，33(2)：23-24.

[2] 馮林剛.GPS測(cè)量控制網(wǎng)納入獨(dú)立坐標(biāo)系的方法[J].地礦測(cè)繪，2000(3)：6-8.

[3] 龔率，劉曉華，黃志偉，等.基于GPS網(wǎng)“一點(diǎn)一方向”平差的變形監(jiān)測(cè)建網(wǎng)研究[J].工程勘察，2015，43(1)：89-92.

Design and Implementation of Surveying Control Networkfor Crossing Lake Tunnel

DU Xiao-fang1，YANG Zhao-long2

(1.GuangdongNo.3WaterConservancyandHydro-electricEngineeringBoardCo.，LTD.，DongguanGuangdong523710，China； 2.JiangsuInstituteofSurveyingandMappingofGeology，NanjingJiangsu211102，China)

This paper introduces the method to establish plan control network of crossing lake tunnel survey project using the “one point one direction” method.The feasibility and effectiveness of the proposed method has been verified by an actual project.Also，it provides some references for the establishment of plan control network in the similar projects.

GPS；tunnel survey；plan control network；adjustment calculation

2017-03-29

P 258； U 452.1+3

A

1007-9394(2017)02-0008-02

杜笑芳(1965～)，男，遼寧遼陽(yáng)人，工程師，現(xiàn)主要從事工程測(cè)量應(yīng)用方面的工作。