GPS在鹽水溝隧道控制測量中的應(yīng)用

1、GPS在鹽水溝隧道控制測量中的應(yīng)用(中國石油工程設(shè)計西南分公司，呂繼書 王洪生 李瑋)摘要在西氣東輸上游工程克拉2氣田地面建設(shè)工程中，采用GPS對鹽水溝隧道進行控制測量，利用了較少的時間，得到了可靠的控制成果。同時也得到一些有益的結(jié)論。關(guān)鍵詞GPS 隧道 復測1 前言克拉2氣田地面建設(shè)工程是西氣東輸?shù)纳嫌喂こ?，為西氣東輸提供了有力的氣源保證。鹽水溝隧道是克拉2氣田地面建設(shè)工程外輸管道的咽喉工程，隧道全長2.445km，為長距離輸氣管道之最，整條隧道位于雅丹地貌上，測區(qū)內(nèi)山高坡陡、地勢險要、難以攀登，給測量工作帶來前所未有的困難。隧道控制網(wǎng)精度的高低將直接影響隧道能否準確貫通，因此，在隧道測量過

2、程中，應(yīng)加大對隧道控制網(wǎng)的重視。由于隧道兩洞口相互不通視，且設(shè)站極為困難，采用常規(guī)測量方法，作閉合或附合導線網(wǎng)，導線總長在12km左右，大大影響測量精度。因此在鹽水溝隧道控制測量過程中，采用了Ashtech Z-Xtreme GPS 進行隧道控制測量，在計算出測量成果以后，再采用常規(guī)測量方法進行驗證，最后，再與施工單位的導線控制點復測報告進行比較，以保證控制網(wǎng)的精度，滿足設(shè)計、施工的需要。2 控制網(wǎng)測量方案21 遵循規(guī)范a 全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范GB/T 18314-2001；b 公路勘測規(guī)范JTJ061-99 （參照規(guī)范）。22 采用儀器采用Ashtech Z-Xtreme GPS

3、4臺套，標稱精度為5mm+1ppm。23 控制點布設(shè)在隧道的兩端，各有一個高等級的GPS已知點。KCK1、GK05，其中GK05為水準點。在隧道的進口與出口共布設(shè)8個控制點，YDC1、YDC2、YDC3、YDC4、YDK1、YDK2、YDK3、YDK4，其中YDC2、YDC3分別是進洞與出洞樁；YDK1、YDK2、YDK3、YDK4為控制樁；YDC1、YDC4分別是進洞與出洞樁護樁。24 觀測方案采用4臺Ashtech Z-Xtreme GPS進行平面、高程控制測量，觀測方法為靜態(tài)。首先，將2臺GPS安置在兩個已知點KCK1、GK05，再將另2臺儀器安置在進洞與出洞樁上，將坐標傳遞到兩個洞口樁

4、上，4臺儀器相對觀測時間多余90分鐘；再將2個已知點KCK1、GK05上的儀器關(guān)閉，安置在進洞口的2個控制樁YDK1、YDK2上，4臺儀器相對觀測時間多余60分鐘；再將2個控制樁YDK1、YDK2上的儀器關(guān)閉，安置在出洞口2個控制樁YDK3、YDK4上，4臺儀器相對觀測時間多余60分鐘。2個護樁YDC1、YDC4應(yīng)在隧道的軸線上，采用全站儀做支導線測設(shè)，以保證2個護樁嚴格在隧道的軸線上。隧道控制網(wǎng)如圖所示： 圖1 鹽水溝隧道控制點分布圖3 數(shù)據(jù)處理與精度評定通過控制網(wǎng)野外觀測，按照有關(guān)規(guī)范要求取得了合格數(shù)據(jù)。野外觀測數(shù)據(jù)情況如表1：表1：GPS測量基本技術(shù)規(guī)定項目規(guī)范E級要求實際觀測情況衛(wèi)星截

5、至高度角（）1515同時觀測有效衛(wèi)星數(shù)46有效觀測衛(wèi)星總數(shù)46觀測時段數(shù)1.61.7時段長度（min）4057實際觀測數(shù)據(jù)均滿足全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范（GB/T 18314-2001）中E級有關(guān)技術(shù)要求規(guī)定。31 數(shù)據(jù)處理在外業(yè)取得了合格的數(shù)據(jù)以后，采用Ashtech Solutions 2.60英文版軟件進行基線解算及控制網(wǎng)的平差。311無約束平差在解算過程中，首先進行基線分量解算，解算出各個基線向量，再進行平差，平差時，不輸入已知點進行約束，讓整個控制網(wǎng)在沒有控制點的情況下，只在GPS自身測量的各個基線分量相互約束的情況下進行平差，經(jīng)過平差，得到各個向量平差后的相應(yīng)的改正數(shù)，改正數(shù)

6、絕對值（Vx、Vy、Vz）應(yīng)滿足下式：Vx3Vy3Vz3式中：為相應(yīng)等級基線規(guī)定精度。對于不能滿足上式要求的基線，則認為該基線或其附近的基線存在粗差，在平差中應(yīng)采用軟件提供的方法或人工方法加以剔除，直至各個基線分量滿足上式要求為止。在鹽水溝隧道控制網(wǎng)GPS數(shù)據(jù)解算時，無約束平差后各個基線分量如表2：表2：無約束平差基線分量改正數(shù)統(tǒng)計表基線名稱長度(m)改正數(shù)絕對值（m）E級規(guī)定限差(m)VxVyVzYDC2-GK059534.0360.0050.0030.0053=0.572YDC2-YDK1164.3780.0010.0010.0013=0.032YDC2-YDK32515.2780.006

7、0.0060.0043=0.153YDC2-YDC32444.9600.0050.0140.0073=0.149YDC3-GK0511719.9470.0070.0100.0023=0.703YDC3-YDK12569.8460.0120.0230.0163=0.157YDC3-YDK3109.9410.0010.0000.0003=0.031YDC2-KCK16827.5110.0010.0060.0153=0.410YDC3-KCK14387.3260.0010.0050.0093=0.264KCK1-GK0515724.0160.0020.0050.0123=0.943YDC2-YDK2

8、58.4030.0010.0010.0003=0.030YDC3-YDK22498.3280.0060.0120.0113=0.152YDK2-YDK1148.5090.0010.0000.0003=0.031YDC2-YDK42461.5390.0080.0110.0063=0.150YDC3-YDK471.5760.0010.0050.0043=0.030YDK4-YDK3161.9080.0000.0020.0003=0.031根據(jù)上表可以看出，無約束平差基線分量改正數(shù)均滿足全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范（GB/T 18314-2001）中E級要求。312 約束平差經(jīng)過無約束平差，算得各

9、個基線分量在沒有控制點約束情況下平差后各個基線分量。再將已知點坐標輸入到軟件當中，作為控制點，進行約束平差，約束平差后，基線分量的改正數(shù)與無約束平差結(jié)果同一基線相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對值（dVx、dVy、dVz）應(yīng)滿足下式：dVx2dVy2dVz2式中：為相應(yīng)等級基線規(guī)定精度。 如果有超限值出現(xiàn)，則認為作為約束的已知坐標、已知距離、已知方位中存在一些誤差較大的值，應(yīng)采取軟件自動或人工的方法剔除這些誤差較大的約束值，直至上式滿足。在鹽水溝隧道控制網(wǎng)GPS數(shù)據(jù)解算時，約束平差后各個基線分量及其改正數(shù)與無約束結(jié)果同一基線相應(yīng)的改正數(shù)較差的絕對值統(tǒng)計如表3：表3：約束平差同一基線改正數(shù)的較差基線名稱長度(

10、m)改正數(shù)絕對值的較差（m）E級規(guī)定限差(m)dVxdVydVzYDC2-GK059534.0360.0330.0050.0402=0.381YDC2-YDK1164.3780.0010.0000.0012=0.021YDC2-YDK32515.2780.0080.0060.0162=0.102YDC2-YDC32444.9600.0080.0060.0162=0.099YDC3-GK0511719.9470.0410.0130.0562=0.468YDC3-YDK12569.8460.0070.0060.0072=0.104YDC3-YDK3109.9410.0000.0000.0002=0

11、.020YDC2-KCK16827.5110.0180.0190.0452=0.273YDC3-KCK14387.3260.0110.0120.0292=0.176KCK1-GK0515724.0160.0520.0250.0852=0.628YDC2-YDK258.4030.0010.0010.0002=0.020YDC3-YDK22498.3280.0070.0450.0162=0.101YDK2-YDK1148.5090.0010.0010.0012=0.021YDC2-YDK42461.5390.0070.0060.0152=0.100YDC3-YDK471.5760.0010.000

12、0.0012=0.020YDK4-YDK3161.9080.0010.0000.0012=0.021根據(jù)上表可以看出，約束平差后基線分量的改正數(shù)與無約束平差同一結(jié)果基線相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對值滿足全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范（GB/T 18314-2001）中E級要求。32 精度評定321 復測基線比較在GPS野外作業(yè)時，為了保證基線邊準確性及可靠性，需對在控制網(wǎng)中主要的基線邊進行復測，即在不同的時段對同一條基線再進行測量，可以得到基線復測較差。在鹽水溝隧道野外作業(yè)過程中，兩個已知點間基線、進洞樁與出洞樁間基線是十分重要的兩條基線，兩控制點基線如果精度低，則影響整體控制網(wǎng)的精度，如果進洞樁與出

13、洞樁間基線精度低，則對隧道的貫通存在一定的影響。以上兩條基線復測結(jié)果如表4：表4：基線復測統(tǒng)計表基線名稱兩次基線所測長度(m)較差(m)E級規(guī)定限差(m)基線相對精度XYZ平面高程GK05至YSK415724.0480.0210.0180.0272=0.8901/5697101/58237015724.009YDC2至YDC32444.9590.0040.0030.0042=0.1411/4889801/6112252444.965從上表可以看出,兩次觀測控制點間基線分量精度較高,證明控制點資料準確,可以利用,可以作為隧道控制網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)；隧道兩穿越樁間基線兩次測量差值很小，精度很高。322

14、同步觀測環(huán)檢驗在三邊同步環(huán)當中，只有兩個同步邊成果可視為獨立的成果，應(yīng)與第三邊的成果為其余兩邊代數(shù)和。但由于數(shù)學模型誤差和處理軟件的內(nèi)在缺陷，第三邊處理結(jié)果與前兩邊的代數(shù)和常不為零，其值應(yīng)小于下列數(shù)值：WxWyWz式中為相應(yīng)級別規(guī)定的精度(按網(wǎng)的實際平均邊長計算)。在鹽水溝隧道控制網(wǎng)GPS數(shù)據(jù)解算時，對同步環(huán)進行了檢驗,幾個主要同步環(huán)檢驗情況結(jié)果如表5：表5：同步環(huán)檢核統(tǒng)計表環(huán)名稱各基線長度(m)第三邊代數(shù)和Wx(m)Wy(m)Wz(m)E級規(guī)定限差(m)相對精度平面高程YDC2YDK3YDK42515.2812461.5380.0030.0020.0040.0351/6836111/6153

15、84161.9082461.543YDC3YDK1YDK22569.8392498.313 0.0060.0080.0050.0361/2498311/499662148.5102498.324YDK1YDK2YDC2148.510164.3760.0010.0010.0010.0041/1174111/16437658.403164.378YDK3YDK4YDC3161.908109.938 0.0010.0000.0010.0041/1099381/10993871.578109.940通過同步環(huán)觀測檢驗，可以看出在測邊、測角方面，GPS都可以達到很高的精度，遠遠優(yōu)于全球定位系統(tǒng)（GPS）

16、測量規(guī)范（GB/T 18314-2001）中E級要求，外也觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量高。323 與常規(guī)測量方法、導線控制點復測報告比較在輸氣管道當中，首次使用GPS進行隧道控制網(wǎng)布設(shè)，從計算精度來看，取得了令人滿意的結(jié)果，但是由于GPS受到的干擾的因素很多，有時會導致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，為了保證測量成果的準確、可靠，需要對已測量成果加以驗證，做到準確無誤。在驗證的過程中，采用測量精度較高的萊卡TC1700全站儀從隧道的進口到隧道出口作一導線，對隧道的進出洞樁和控制樁加以驗證。2003年10月7日至10月11日，隧道施工單位中鐵十五局組織測量隊進行進口和出口控制點導線復測。結(jié)果如表6：表6：GPS測量結(jié)果與常規(guī)

17、測量方法、導線控制點復測結(jié)果比較表點名測量方式測量值與GPS測量較差絕對值(m)備注XYZXYZYDK1GPS4636042.19814649144.9671318.079起算數(shù)據(jù)常規(guī)測量4636042.19814649144.9671318.079施工復測4636042.19814649144.9671318.079YDK2GPS4636135.35914649259.5071334.178起算數(shù)據(jù)常規(guī)測量4636135.35914649259.5071334.1730.005施工復測4636135.35914649259.5071334.1720.006YDC2GPS4636095.598

18、14649300.4011321.612常規(guī)測量4636095.60514649300.4111321.6060.0070.0100.006施工復測4636095.61314649300.4201321.6090.0150.0190.003YDK4GPS4635080.07114651542.8651309.481常規(guī)測量4635080.08214651542.8561309.4770.0110.0090.004施工復測4635080.09014651542.8481309.4650.0190.0170.016YDC3GPS4635148.46214651554.4621291.807常規(guī)測量4635148.47314651554.4491291.7890.0110.0130.018施工復測4635148.48314651554.4391291.7870.0210.0230.020YDC4GPS4635119.12914651624.2701302.327常規(guī)測量4635119.127146