GPS测量在隧道施工中的应用
2012-08-21 来源：作者：王福龙 来源：中国论文网
1、概述
蛤蟆岭隧道位于铜陵至九江新建铁路第1合同段，为单线隧道，全长3765m，隧道进口位于直线上，出口位于曲线上，中部为缓和曲线段段，隧道分进出口两个工作面相向开挖。测区气候属亚热带季风气候区，温暖湿润、光照充足。测区位于皖南地区山区，植被覆盖高、森林茂密、交通不便，常规测量通视条件相当困难。因此，采用GPS静态定位进行控制测量，测量使用四台美国天宝4600LS单频GPS接收机，平面标称定位精度为5mm+1ppm，基线解算软件采用随机软件TGOffice。
2、蛤蟆岭隧道GPS网的精度设计
根据隧道长度和横向贯通误差精度要求，参照《公路全球定位系统（GPS）测量规范》JTJ/T066-98，蛤蟆岭隧道控制网应按二级GPS网的精度要求布设和施测，技术指标如下：
卫星高度角≥15°
数据采集间隔≥15秒
观测时间≥60分
点位几何图形强度因子（GDOP）≤6
重复测量的最少基线数≥5%
施测时段数≥2
有效观测卫星总数6
3、蛤蟆岭隧道GPS网的网型优化
与常规地面平面控制网一样，GPS网布设的原则是保证隧道按设计精度正确贯通，从洞口投点给出精确的进洞方向以指导隧道开挖。
在布设控制网时，各开挖洞口布设的GPS点不应少于3个，为便于使用常规测量方法进行检测，加密和恢复，各开挖洞口布设的三点间至少应有一个点能与其它两点通视，并且隧道定向边距离应大于300米，以满足施工中的常规检测和提高进洞方位角的传递精度。对于铁路直线隧道，应在进出口定测中线上，布设两个控制点，以便于建立施工坐标系，曲线隧道应在每一切线上布设两个点，以便精确计算曲线偏角和施工放样数据。对于公路隧道，应在进出口各连测一个线路定测导线点，以便确定隧道GPS点与线路导线点的关系，测定和调整隧道控制测量与线路测量的连接误差。
隧道GPS网应采用网连式的布网方法，应通过独立基线构成闭合图形，网中不应存在自由基线，自由基线不具备发现粗差的能力。某一闭合条件中的基线数不可过多，避免导致各边中粗差在求闭合差时相互抵消，不能起到发现粗差的作用。网中各点最好至少应通过三条独立基线，以保证检核条件，提高网的可靠性，使网的精度、可靠性较均匀。每个控制点应独立观测至少两个时段。除了采用同步环和异步环作为基线质量检核外，还可用全站仪测施测1～2条测距边，加测角度作为外部检核。
蛤蟆岭隧道由于长隧道施工周期长，控制点使用时间较长，为便于在隧道施工期间对洞口控制点的稳定性进行常规检测，进出口各设了4个GPS控制点，其中E004、EO11-1为线路定测导线点。控制网布设如图1（示意图中部分基线边未表示）。
GPS控制点点位选择的好坏，对GPS控制网的精度影响很大，通过对隧道进出口进行实地踏勘，点位均设在山顶稳定的基岩上，视野开阔，没有高度角大于15°的障碍物，远离高压线及大功率无线电发射源，隧道定向边进出口均大于500米。
4、外业观测
4.1星历预报
运行TGOffice，利用软件的作业计划工具，将测站的概略经度、纬度、高程、卫星的截止高度角、观测时间等测站信息输入对话框，查看卫星的可见性。从卫星数示意图中可以看出，在拟定的观测时间中测区可见最少卫星颗数为6，说明全天均可观测。
4.2制定作业计划表
根据隧道的长度、开挖口的分布、精度要求、接收机的台数、星历预报情况、作业方式、交通条件来确定GPS网的观测方案和制定作业计划。
为确保控制网实测精度，每个时段观测时间均大于90分钟，因为在基线处理时要剔除或删除部分不合格的观测时段，所以在不增加工作量的前提下多观测30分钟是非常必要的。
与常规地面控制测量一样，GPS网也要求有足够的多余观测量，即有一定的可靠性。GPS网的可靠性用平均可靠性指标r表示，r=nr/n，n为所选的独立基线向量总数，nr为多余基线向量数，nr等于基线向量总数n减去必要的基线向量数nt，而必要的基线向量数nt等于总点数np减1，因此，r=（n-np+1）/n。根据隧道长度和精度要求等因素，r值应大于0.3。
从表1看出，蛤蟆岭隧道GPS网的独立向量总数21个，每个点观测3个时段，平均可靠性指标r，r=（21-7）/21=0.67,r值大于0.3，可靠性指标较好。
由于采用4台GPS接收机进行观测，进出口各设两台接收机，严格执行调度计划，按规定时间进行同步观测作业。根据观测方案，整个外业工作为时一天。
4.3GPS接收机静态操作
对中，整平GPS接收机，量取天线高，开机观测，测完以后先关机，再搬站，搬站前再测天线高，两次量高误差不大于2mm。
每站观测结束前，需要记录天线高，开、关机时间，接收机系列号，天线类型，日期，接收机类型，量高方式，以方便数据的后处理。
5、GPS测量数据处理
GPS测量外业自动化程度较高，数据采集由接收机自动完成，人工干预很少，但是GPS外业测量采集的数据不能直接应用于工程实际，必须应用相应的解算软件对GPS观测数据进行处理，通过基线处理、GPS基线向量网的平差解算、无约束平差、约束平差、坐标转化等一系列的数据处理流程，才能得到可用于施工的测量成果。
5.1建立坐标系
野外观测的静态数据是基于WGS-84椭球的，采用的是WGS-84全球大地坐标系统。但蛤蟆岭隧道线路设计是在北京54坐标系内进行的，中央子午线经度为120度45分，因此，应利用解算软件建立和设计单位坐标系一致的地方坐标系，以便于进行GPS网的约束平差，将测量成果由WGS-84坐标系转化至施工坐标系。
5.2下传并导入数据
先建立一个名称为“蛤蟆岭隧道”的文件夹来存放GPS数据处理过程中的文件，然后将GPS接收机通过电缆线与电脑连接进行数据传输，根据4600Ls接收机自动文件命名规则，选择蛤蟆岭隧道GPS网的观测数据文件进行下传，按照测站记录输入测站各时段的测站信息（点名、天线高、量高方式），这个时候要认真地核对点名、文件名、开机时间、关机时间、天线类型、量高方式、天线高，确保对应关系。逐一将4台GPS接收机中的观测数据下传至“蛤蟆岭隧道”文件夹。
数据下传完成后应立即对下传的数据进行备份，以便保存传输的原始数据。
5.3基线处理
首先对观测数据进行质量分析和预处理，将各卫星观测时段跳动较大的卫星信号利用Timeline工具禁止掉，利用TGOffice逐一对所有基线进行处理。
基线处理后，查看基线处理质量的评估指标，最好的解算类型是L1固定解，最好的比率是大于3，并且越大越好，参考变量经验值是2左右为最好，均方差RMS是小于3厘米，且越小越好，在这几个指标中，解算类型和均方差最关键。
基线处理时，删除工作状态不佳的卫星数据是提高伪距定位精度的重要途径。如果处理后的基线由墨色变成黄色，表明质量很好。如果有个别的基线呈红色，或者有被拒绝的基线，说明基线的质量有问题，需要对观测信号进行剔除，逐一选择质量有问题的基线进行精细处理。
查看基线处理报告中的卫星残差，记住卫星残差大的卫星和某些卫星残差大的时段。将残差大的卫星和残差大的时段禁止，不让它们参加基线处理。残差大的卫星时段对基线处理结果的影响非常显著，因此，剔除残差大的卫星时段在基线处理中尤为重要。
其次，逐一选择质量有问题的基线，查看PDOP值。如果某时段的PDOP值有突变或较大，将这个时段的卫星信号禁止。
另外，打开星空图，看卫星的高度角。记下高度角低的卫星和卫星高度角低的时段，将卫星高度角低的卫星和卫星高度角低的时段的信号禁止。
如此反复处理，直到所有的基线处理后呈黄色或者处理基线时拒绝的基线数为零。
查看GPS环闭合差，闭合差反映了内符合精度，如果内符合精度较差，重新处理基线，内符合精度的好坏将直接影响最终的精度。
蛤蟆岭隧道GPS控制网闭合差数目88个，通过88个，全部通过，表明基线内符合精度较好，基线处理完成，可进行无约束平差。
5.4无约束平差
进行无约束平差以检查GPS基线向量网的本身内符合精度，以及检查基线向量间有没有明显的系统误差，从而剔除含有粗差的基线边。
进行无约束平差时，首先要确保基准是WGS84，选择基准为WGS-84，然后单击平差工具条中的“平差”进行无约束平差。
平差之后查看网平差报告，查看统计总结，查看网参考因子是否在1左右，X方检测是否通过，如果没有通过，采用加权策略，继续无约来平差，直到通过且平面坐标变化量为零。
5.5约束平差
由于隧道控制测量主要强调各开挖面控制点之间的相对精度，GPS网是否精确位于地心坐标系统并不重要，因此通常采用固定一点的经典自由网平差法做最小约束平差。
首先将基准转换为当地基准（中心经度为120°45′的蛤蟆岭隧道Beijing1954坐标系），即将基准选为“投影基准-beijing1954”，以线路导线点E004的54北京坐标系坐标为已知坐标进行最小约束平差。
平差后查看网平差报告中的参考因子是否在1左右，X方检测是否通过，平面坐标变化量是否为零，否则，应采用加权策略，继续进行平面约束平差。直到网参考因子在1左右，X方检测是通过，平面坐标变化量为零。整个观测成果的好坏，可以通过网平差报告中是否出现红色警告数据、残差柱状图、误差椭球、水平精度和高程精度的比率等撑握。
5.6成果输出
平差成果的所有信息都包含在“网平差报告”中，残差柱状图、点位误差椭圆图、平差成果表、协方差、环闭合差、平差后观测成果表等等。
“网平差报告”中的“平差格网坐标”成果就是蛤蟆岭隧道洞外平面控制测量各控制点的施工坐标。
报告可以直接打印输出，也可以复制到Word文字处理系统中排版输出。
6、小结
蛤蟆岭隧道GPS测量外业选点埋石一天，外业观测一天，数据处理一天，三天完成了常规测量要十几天才能完成的测量任务，通过对蛤蟆岭隧道的GPS控制测量实践，可以得出如下几点结论。
（1）GPS隧道控制测量精度高，采用GPS静态相对定位技术精度可达毫米级。
（2）GPS测量劳动强度低，无须翻山越岭，在山顶设置过渡点，外业测量为傻瓜型，只需按开机测量按钮即可测量，数据采集由GPS接收机自动完成，无须过多的人工干预。
（3）GPS测量作业效率和经济通常是常规测量的四倍以上，隧道越长作业效率和经济效益越显著。
（4）控制点易于恢复，若某个控制点丢失，只需几个小时即可恢复。
（5）GPS测量是一项先进的定位技术，可以提高企业的科技水平，为企业创造良好的经济效益和社会效益。
（6）GPS测量要求测站上空障碍物较少。天空可视条件差，接收的卫星数少于4颗的地区无法使用，是GPS测量的一个不足之处。
GPS用于长大隧道控制测量可以提高测量精度，降低测绘成本，其高精度，高效率的突出特点表现出传统测量模式无法比拟的优越性，在隧道控制测量方面仍然具有良好的应用前景，采用GPS进行长大隧道洞外平面控制测量已成为目前隧道控制测量的主要发展趋势。
