GPS测量在隧道施工中应用

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。

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。

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。

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