GPS交切技术在隧道地区测设中的应用.doc

gps交切技术在隧道地区测设中的应用（铁道第一勘察设计院，陕西西安，710043）application of gps cross-cutting technology in surveying of tunnel area chen zeyuan 摘要: gps交切技术是隧道地区交切桩控制测量的一种全新的测设方法，主要针对传统的全站仪交切放线在越岭地段受到地形限制难以实施而提出的，特别是植被茂密山势陡峭的越领地段。本文结合生产实践，以增建二线为例对gps交切技术进行探讨，对越岭地段隧道交切控制桩测量具有指导意义。关键词: gps交切，直接投影法，区域独立工程控制网，控制桩1 前言：gps交切是gps定位技术与交切测量技术的相结合，是目前隧道地区交切桩控制测量的一种全新的测设方法。随着我国经济的发展，铁路运行速度逐步提高，铁路勘察设计标准越来越高，长大铁路干线经常穿越隧道，增建二线勘察设计阶段需要进行高精度的交切贯通测量。隧道地区传统的全站仪交切测量方法，在越岭地段受到地形限制很难实施，特别是植被茂密山势陡峭的越领地段，有些地段线路穿越自然保护区，测区封山育林，植被茂盛无法穿越，采用全站仪交切贯通实施相当困难（需要大面积砍伐植被）。近几年来，随着新技术的发展，gps已经在各行业中发挥其高效、精确的优势，特别是在测绘方面，利用gps测量手段，布设高精度控制网，已成为最佳选择。利用传统的交切测设理论，结合gps定位技术解决越领地段长大隧道交切控制桩贯通测量问题，取得了很好的效果。2 隧道地区gps交切贯通测设原理 原理：gps交切技术是在传统的全站仪交切方法在越岭地区难以实施的基础上提出的，为了提高交切控制桩精度，保证隧道地区交切测量贯通，满足线路设计要求，采用gps测量技术，利用隧道区域线路控制网资料建立gps工程独立网，将直线边控制桩纳入到工程独立网，采用84工程椭球直接投影，选择相应的抵偿高程面，使得长度投影变形值不大于25mm/km。将平面图线路设计理论中线的交点坐标，隧道进出口控制桩坐标投影到抵偿坐标系下，利用计算出的工程面的坐标反算距离及角度。在工程区域工程独立网下按照抵偿坐标系计算出的角度及距离，从隧道进口端控制桩开始以设计偏角推算方位至出口端控制桩，将方位闭合差调整到某一个交点偏角上，实现方位贯通，以调整后的交点偏角和抵偿坐标系长度计算交点坐标，最后一个交点坐标采用控制桩边与倒数第二边实交的方式确定。在区域工程独立网下的交点坐标和设计曲线要素计算中线理论坐标，推算至出口端的控制桩里程，其差值作为断链处理。 2.1建立gps区域工程独立网利用线路gps控制点的资料，在隧道中间斜井处加密一对以上gps点，同时将隧道地区两侧进出口的中线直线边控制桩（间距大于500米，可不通视）纳入gps区域工程独立网，控制网布设示意图如下：图1 gps区域工程独立网示意图gps测量通常是通过坐标转换，将wgs1984地心坐标转换为国家54坐标系或西安80坐标，选择适当的国家控制点，作为gps测量的基准点，建立方程，求解7个待定转换参数。计算出所需坐标系的坐标。若地面基准点含有较大的误差、粗差，甚至错误，会使整个gps网产生扭曲变形，导致gps网成果精度降低。由gps坐标到工程坐标的转换，有多种不同的做法，其中直接投影法是最佳选择。直接投影法是以工程椭球为参考椭球，工程椭球的球心和扁率与wgs-84参考椭球相同。将网平差结果直接投影至与工程椭球相切的高斯平面上，该平面的高程与工程平均高程相等，进行工程坐标的计算。因此隧道越岭区域采用gps独立工程控制网，采用84工程椭球直接投影，选择相应的抵偿高程面，使得长度投影变形值不大于25mm/km。工程独立网采用静态观测，采用84工程椭球（投影面取该地区线路平均高程），采用直接投影法计算出工程坐标系坐标。 2.2 设计理论中线的转换在54坐标或80坐标平面图纸上进行线路方案研究，从平面图上提取交点坐标作为理论坐标。为了解决长度变形，首先建立抵偿坐标系，将坐标系基准面采用该地区的线路设计平均高程面，选取中央子午线，确定高程投影面，保证长度变形值不大于25mm/km。然后将平面图上提取的交点坐标、gps点坐标、靠近隧道的中线控制桩坐标投影到抵偿坐标系下，利用计算出的工程面的坐标反算距离及角度。 2.3 区域工程独立网下中线的确定在该工程坐标系坐标下，按照抵偿坐标系计算出的角度及距离，从隧道进端控制桩方位角1开始，以设计偏角偏推算各直线边方位角。至出口端控制桩方位角定，与线路设计方案结合，将方位闭合差f闭调整到某一个交点偏角上，实现方位贯通。从隧道进口端控制桩开始，以调整后的交点偏角和抵偿坐标系长度计算交点坐标，最后一个交点采用控制桩边与倒数第二边实交的方式确定。方位闭合差 : f闭=1+偏-定2.4中线理论坐标计算及放线 从隧道进端控制桩开始，以区域工程独立网下的交点坐标和设计曲线要素计算中线理论坐标，推算至出口端的控制桩里程，其差值作为断链处理。计算示意图如下：图2 理论坐标计算示意图采用水准仪或三角高程测量方法，将高程引测到斜井附近的控制点上。外业放线以区域工程独立坐标为基准，可以从控制点上采用rtk gps或全站仪直接放线。在越岭地区隧道进出口处，在中线上按控制桩精度钉设方桩。地形及工点图测绘使用全站仪或rtk gps利用交切点或线路附近gps控制点进行测量，最后将控制桩独立坐标转换为既有线路平面坐标供平面图上线用。3 工程实例：西康铁路增建二线，线路跨越秦岭山势陡峻，其中越岭隧道跨越自然保护区，植被茂密，通视极为困难，隧道全长11215米，全站仪交切测量相当困难。为满足线路设计要求，保证线路控制桩测量精度，便于施工，决定采用gps交切方法实现隧道地区交切贯通测量。越岭隧道区域进出口及斜井共布设gps点21个，其中交切控制桩4个，点号分别为zd20、zd21、zd30、zd31。越岭隧道区域gps交切设计示意图如下：3.1 gps区域工程独立网3.1.1 gps观测及数据处理gps施测依据全球定位系统（gps）测量规范，按照c等级进行观测，野外数据采集使用8台套双频leica1230型接收机，其标称精度为（5mm+1 10-6*d）。外业观测前制定科学、周密的观测计划。依据星历预报中可见卫星数直方图和精度因子图，选取最佳观测时段，确保观测质量。由于采用8台gps接收机同步采集数据，基线向量较多，根据自动解算的结果，对基线进行分析，判断，优化基线网。对发现的不合格基线及时采取了措施，如对可见卫星、观测开始、结束时间进行编辑，剔除观测时间不足的卫星等，保证了观测成果质量。检查复测基线向量较差、同步环闭和差应满足限差要求。依据技术设计构设异步环，计算异步环闭和差，应达到规范限差要求。在数据预处理满足各项限差要求后，应用gps处理软件在wgs84坐标系下进行gps网三维无约束平差。无约束平差的目的：一是提供全网平差后的wgs84系的三维坐标；二是考察gps网有无残余的粗差基线向量。为后续的坐标计算作好准备。3.1.2测区参考椭球及中央子午线的确定平面gps控制网平差计算的椭球采用测区的工程椭球，该椭球定义为：与wgs-84椭球具有相同的定位、定向和形状，即工程椭球的空间直角坐标系三轴与wgs-84三轴重合，且保持第一偏心率（或者扁率）不变，需适当增大椭球的长短半轴，使工程椭球面最接近施工区域的平均高程面。在该工程椭球下，高斯平面投影的中央子午线选取跨越测区中央的子午线为投影基准，以减弱测区内由于高斯投影造成的平面长度变形。测区线路东西走向经度范围在10855211090431选取109作为中央子午线。3.1.3确定测区高程投影面根据长度综合变形原理，分析轨面设计标高，采用测区的平均高程约为800米作为投影面能够充分保证长度变形值不大于25mm/km，由于测区存在高程异常，本次利用gps现场测量4个分布均匀的水准点，通过大地高与正常高的比较，计算出平均高程异常为-31.6米，所以投影面大地高为768.4米，在精度不受影响的情况下便于计算投影面选择765米。根据测区投影长度综合边形值统计，相对变形最大值为1:64901，满足精度要求。测区投影长度综合边形值统计表点号中央子午线测区中心横坐标采用投影面长度综合相对变形值gps27 109503109.497651:134124 gps31 109495539.4017651:158994 zd20 109507152.5797651:67616 gps33 109504675.9227651:160149 gps35 109500191.5627651:1447118 gps37 109492826.4617651:64901 zd30 109506513.3817651:105023 3.1.4工程坐标系统的建立控制网的平面坐标系采用独立的工程坐标系，该坐标系定义为：以越岭测区的平均高程面为坐标系统的基准面,它是由测区构筑物的变坡点设计高程平均计算得到，并考虑测区的高程异常，以工程椭球为参考椭球，将84无约束网平差结果直接投影至与工程椭球相切的高斯平面上。采用直接投影法建立相对坐标系，计算出独立坐标。3.1.5 工程坐标与全站仪测量数据精度的比较用全站仪在测区两端及中部实测3条边，与工程控制网坐标反算平距进行比较，平距最大相差5 mm,可以看出：本次投影面选择合理，工程控制测量成果可靠。工程坐标反算与全站仪实测平距比较表起点终点实测平距m54-109-800反算平距m84-109-765反算平距m平距较差mmgps01gps02378.645378.641378.6432gps07gps08228.647228.6492gps17gps18476.938476.9335* 54-109-800表示北京54椭球109中央子午线800投影面。 84-109-765表示wgs-84椭球109中央子午线765投影面。3.2设计理论中线的转换从北京54平面图上量取了隧道区域jd35、jd36 、jd37、 jd38的坐标作为理论坐标。为了解决长度变形，建立了抵偿坐标系，将坐标系基准面采用该隧道地区的线路设计平均高程面，确定高程投影面为800米，选取109为中央子午线，保证长度变形值不大于25mm/km。然后将平面图纸上量取的各交点坐标、gps点坐标、靠近隧道的中线控制桩坐标投影到抵偿坐标系下，利用计算出的工程面的坐标反算距离及角度。点号xy方位角平 距（m）偏 角zd203766853.261507112.156219.5854994.819zd213766090.981506472.943219.5858682.9380.0004jd353765567.689 506034.115259.1106 10315.95539.1208jd363763632.038 495901.387202.1711 1906.827-56.5355jd373761867.652 495178.248250.1437 1430.19947.5725jd383761384.211 493832.234230.5108 726.676-19.2341zd30 3760925.445493268.681230.5103 178.641-0.0005zd31 3760812.661493130.1443.3 区域工程独立网下确定中线在该区域工程坐标系坐标下，按照抵偿坐标系计算出的角度及距离（设计交点坐标转化到109度带800投影面），从隧道进口端控制桩zd20、zd21开始，以设计偏角推算各直线边方位角。至出口端控制桩zd30、zd31，与线路方案结合，将方位闭合差调整到jd38交点偏角上，实现方位贯通。方位闭合差: f闭=1+偏-定= -3从隧道进口端控制桩开始，以调整后的交点jd38偏角（192335）和抵偿坐标系长度计算交点坐标，最后一个交点jd38采用控制桩边zd30-zd31与倒数第二边实交的方式确定。jd38实交坐标为x =3761316.964 y= 493872.091坐标推算:点号水平角平 距（m）xy备注zd200.0000 994.8073766786.585 507152.579起算点zd21180.0000682.9383766024.308 506513.381起算点jd35140.4751 10315.9553765501.002 506074.570推算值jd36236.5354 1906.8273763565.085 495941.892推算值jd37132.0235 1430.1993761800.684 495218.788推算值jd380.0000 0.00003761317.213 493872.785虚交点3.4中线理论坐标计算及放线从一端控制桩zd20开始，以区域工程独立网下的计算出的交点jd35、jd36、jd37、jd38的坐标和设计曲线要素计算中线理论坐标，推算至出口端的控制桩zd31里程，其差值1.07米作为断链处理。新的里程对应关系：起点控制桩zd20=dk75+787.767 终点控制桩zd31=dk90+758.440=原设计里程dk90+757.370 断链= zd31=dk90+758.440=原设计里程dk90+757.370短链1.07米外业放线以区域工程独立坐标为基准，从控制点上采用rtk gps或全站仪直接放线。在越岭地区隧道进出口处，中线上按控制桩精度钉设方桩。地形及工点图测绘使用全站仪或rtk gps利用交切