Question

GPS测量在隧道施工中应用？

Answer 1

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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