GPS在长大隧道测量中应用

GPS在长大隧道测量中的应用研究摘要：gps由于其建网快捷，方便的特点，现已广泛应用于长大隧道的测量工程中。

本文以具体工程实例，介绍了gps的选点与布网设计，gps在长大隧道控制测量中的主要问题及解决方法，gps
测量数据的处理。

关键词：gps，长大隧道，控制测量，应用研究
1 引言
在隧道施工中众多测量项目中，隧道施工中的线路测量至关重要。

它不仅关系到隧道是否沿设计路线，而且还影响着隧道是否能在允许条件下正确贯通。

传统的隧道控制网建设中多采用全站仪等设备，但这种传统的方法不仅劳动强度高，而且还受隧道内能见度的影响。

采用gps建立测量控制网，不仅具有快捷的优点，而且建网灵活，劳动强度小，受外界干扰小，因而现在被广泛地应用于长大隧道的控制网建立中[1]。

2 工程实例
某高速公路天水境内段总长36km，区段内共设计3隧道，梁家山隧道、卧牛山隧道、石家山隧道，其全长分别为1700m，2800m，3800m。

梁家山隧道为长大隧道，地形属于山岭重丘区，山势陡峻，植被茂盛，地形条件不好，不适合采用传统测量方法进行控制网布设置。

采用传统布网方法不但劳动作业强度高、而且难于布网，网形精度也难以保证。

因而决定采用gps进行布网。

3 选点与布网设计
3.1 选点
选点布网是cps测量中的一项基础性工作，点位的选择是否正确合理对布网工作的顺利进行和测量的精度具有重要意义。

由于隧道施工采用两端同时向中间开挖的方法，因此在隧道两端都需要设置控制点，经过综合考虑与论证，在隧道两端分别布设两个控制点。

在布点时应按以下原则布置[2]：
1. 视野开阔、便于隧道施工控制点加密、天线高度截止角大于15°；
2. 交通方便、通讯设施信号良好；
3. 避开高压输电线路、大功率无线电发射台等，防止对卫星信号产生干扰；
4. 避开强反射区域，防止多路径效应的影响；
5. 地面基础稳定，利于点位的保存。

采用定测d级网成果对隧道控制点进行放样，放样点纳入隧适独立控制网进行测量、控制，实现了隧适独立控制网与定测d级网的无缝衔接。

根隧道的gps控制网利用己有的控制点进行相对定位，以边连接的方式进行布设。

实测gps控制点7个，其中已知点3个，未知点4个，组成多边异步环3个，同步环5个，基线总数20条，其中必要基线6条，独立基线10条，多余基线4条。

gps控制网形图如图1所示。

gps测量采用3台legency_e双频双星gps接收机。

图1 gps控制网形图
4 gps在长大隧道控制测量中的主要问题及解决方法
4.1 多路径效应的影响
由于gps信号射到其他物体上会反射到gps接收天线上，因而会对gps信号直接射至gps接收天线上产生直接干扰，这种干扰称为多路径效应。

多路径效应会造成测量中的误差，而误差的大小主要取决于用户天线抗衡反射波的能力和反射波的强弱。

在一般的情况下，多路径效应产生的误差可达5~9cm，在反射波较强的情况下可达到15cm。

大量实践证明，观测值中出现的很多周跳均为多路径效应引起，因而必须削弱多路径效应的影响[3]。

在gps选点布网时，要注意避免反射现象，如河道、池塘、山谷、沙滩等地形地貌都会构成反射现象，可采取提高天线高度和其他措施，同时也要避免高电磁物体对gps接收信号的干扰。

4.2 垂线偏差对隧道控制网的影响
由于隧道多位于山区，各点的垂线偏差很难准确测定，致使以垂线为准的施工测量无法与以法线为准的gps成果相一致。

而隧道在贯通中的精度主要依赖方向观测的精度，而如何消除或减弱垂线偏差的影响是其关键性的问题。

为了保证隧道贯通的精度要求，应在gps网的控制下建立导线，导线在空间测量精度为5+1×s(mm)，空间向量方位角测量精度为1″+1″/s。

导线测量的方向观测值变化到工程椭球面上的计算包
括：由法截弧方向化为大地线方向的改正、由于照准点高程所引起的改正、垂线偏差改正。

由于各导线边较短，由法截弧化至大地线方向的改正，以及方向值由工程椭球面变化至高斯平面的方向变化也可略去。

因为投影面己升至测区平均高度，因而各控制点的大地高不会太大，故由于照准点高程所引起的改正，可忽略不计。

至此，只剩下垂线偏差改正：
(1)
式中：和为测站点j处的垂线偏差分量；为ji边的方位角；为ji边的高度角。

对洞外的联系测量，为了减弱垂线偏差对隧道控制网量测精度的影响，可在选点时保证前后视方向的高度角大致为零，即gps联测导线边与定向边大致水平，这样可保证使进洞方向和横向贯通误差受垂线偏差影响产生的改正为零。

采用这一方法最简单，而又有效的，在实际工作中应尽量采用。

但由于隧道进出口大多处于深山峡谷之中，为提高引向洞内的精度，gps定向边需保持通视且间距不能太短，同时gps点的上空视野要开阔，以保证卫星信号的正常收视，故很难在洞口等高面处选择至少两个gps点。

为解决上述问题，可将gps定向边移至正洞口外的、与正洞口等高处。

而对于洞内导线测量，正好满足观测角值的垂线偏差为零。

5 数据处理
5.1 粗加工
5.1.1 原始观测数据的下载
一般采用接收机生产厂商提供的数据处理程序均可以直接从接收机中接收gps原始观测值数据，当数据处理软件不能直接处理原始数据时，首先要对数据格式进行转换，最常用的格式为rinex格式。

5.1.2 外业输入数据的修改与检查
检查项目包括测点号、站名、天线高及测站坐标等，其检查的目的是为避免外业误操作。

5.2 基线向量的解算
5.2.1 设定基线解算的控制参数
基线解算的控制参数用以确定数据处理软件采用何种处理方法来进行基线解算，是非常重要的环节，通过控制参数的设定，可以实现基线的精化处理。

参数选取方法如下[4]：
①卫星高度角的选择：当测站一侧的卫星信号被遮挡时，需适当增大截止高度角，可使观测卫星的分布较为对称，有助于减少大气延迟误差与多路径误差的影响。

当测站周围比较开阔，截止高度角取15°效果较好。

②收敛标准：双差分为0.0001m，三差分为0.01m。

③观测值粗差排除限制参数：。

④模糊度固定标准：；当时，表示本条基线接受的数据中存在着不良卫星的观测值，应当进行人工剔除。

⑤rms指标：双频<0.02m，单频<0.03m。

5.2.2 基线解算
基线解算数据分析软件采用topcon公司生产的pinnacle软件，通过该软件只需对点属性进行定义后，即可对基线进行自动处理。

当基线处理完后，查看基线处理信息，在这里需要查看基线最好的ratio值及精度rms值，如果这两项值没有达到精度的要求，则要对本基线边进行删星、开窗、高度角调整等操作，对在观测时段内误差较大的卫星进行删除处理。

5.3 基线向量网平差
当基线解算合格后，将所有基线边选中拖入网平差栏，进行平差计算。

在这个步骤应进行检验异步环、同步环指标的检验。

在梁家山隧道控制测量网中，共有5个同步闭合环。

其中相对误差小于1×10-6的2个，介于1×10-6-2.5×10-6之间的3个。

利用天水境内控制网中的sd1、sd2、sd3和sd4作为约束控制点。

经过平差处理，可得梁家山隧道gps控制网的平面坐标结果。

边长中误差最小值为0.3mm，最大值为1.5mm。

满足《公路全球定位系统(gps)测量规范》中规定。

6 结语
采用gps建立长大隧道测量控制网，具有布网方便、劳力强度小、量测结果精度高、点位精度比较均匀等优点。

在选点是要注意垂线偏差对隧道控制网的影响，在数据处理过程中，要灵活应用gps
的开窗、删星等特点，提高点位精度。

注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。