铁路隧道洞外控制测量方法设计

1、XX铁路隧道洞外控制测量方法设计摘要铁路隧道测量的目是保证隧道相向开挖时能按规定的精度正确的贯通，并使各项建筑物按设计位置修建。隧道测量的主要内容包括洞外、洞内施工控制测量、隧道贯通误差的测定及调整、辅助坑道的测量。作为指导隧道施工的测量工作，在隧道开挖前一般要建立具有必要精度的、独立的隧道洞外施工控制网，作为引测进洞的依据；对于较短的隧道，可不必单独建立洞外施工控制网，而以经隧道施工复测、调整后并确认的洞外线路中线控制桩为引测进洞的依据。洞内控制点控制正式中线点（正式中线点是洞内衬砌和洞内建筑物施工放样的依据），正式中线点控制临时中线点；临时中线点控制掘进方向。洞内高程控制与平面相仿，临时水

2、准点控制开挖面的高低，正式水准点控制洞内衬砌和洞内建筑物的高程位置。隧道施工测量过程中肯定会有不可避免的误差，在实际隧道开挖贯通面处存在偏差。隧道贯通面误差主要有三个方面：即沿隧道中线方向的长度偏差为纵向贯通误差；垂直于隧道中线的左右偏差为横向贯通误差；有两进出口端高程控制点分别测得贯通面同一点的高差为高程贯通误差，其中纵向及高程贯通误差对隧道正确贯通影响不大，目前研究隧道贯通误差主要为横向贯通误差。下面主要以隧道洞外控制测量来说明一下在隧道施工测量工作中存在的问题以及通过举例来解决这些问题的方法。关键词：隧道施工测量、控制测量、贯通测量AbstractRailway tunnel measu

3、rement of the eye is the guarantee tunnel excavation at when the accuracy of the provisions of the right breakthrough, and make the building built according to design position. The main content of the tunnel measurement includes the hole, the construction control measure, tunnel breakthrough error o

4、f measurement and adjustment, auxiliary tunnel measurement.As the guiding tunnel construction of measurement, in the tunnel excavation in general to establish a necessary before precision and independent tunnel hole construction control nets. As the lead into the hole the basis, for short tunnel. Do

5、nt need to establish the hole alone construction control nets. And with through the tunnel construction after adjusting and confirm repeated measurement, the hole of the Central Line control for the lead into the hole pile of basis.Hole to control points formal midline points (Formal midline point i

6、s the hole lining and building construction lofting basis ), Formal midline point control temporary midline points, Temporary midline point control heading direction Inside hole elevation control and similar plane , Temporary level control of high and low point excavation, Formal level point control

7、 inside hole of buildings lining and elevation position.The tunnel construction of measurement process must be inevitable errors, In the actual tunnel excavation breakthrough in face bias , Tunnel breakthrough error face three main areas: That is the direction of the Central Line along the tunnel le

8、ngth deviation is vertical breakthrough error ; Perpendicular to the centerline of the tunnel around deviation is horizontal run-through error; There are two import and export control points respectively the elevation measurement face the same point be level of elevation breakthrough error ; Among t

9、hem the longitudinal and elevation of the tunnel breakthrough error correct breakthrough the impact is not big , The present study tunnel breakthrough error mainly for horizontal run-through error .The hole in a tunnel under the main control measurements to explain in tunnel construction measurement

10、 problem in the work and through the example to solve the problem Key words: Tunnel construction survey、Control measure 、Breakthrough measurement目 录第一章 绪论1第一节 国内外关于隧道控制网的发展状况1一、中国铁路隧道的发展1二、中国铁路隧道未来展望3三、国外铁路隧道的发展3第二节 隧道工程控制网的特点4第三节 隧道工程控制网的任务5第四节 隧道控制网的主要布设形式6一、中线法6二、精密导线法7三、三角锁网法8四、GPS法8第二章 隧道洞外GPS控

11、制网测量方法设计9一、GPS定位原理9二、GPS测量的优点10第一节 GPS控制网的技术设计和精度设计11一、设计依据11二、精度设计13第二节 隧道洞外GPS控制网的基准设计方法13一、GPS控制网的位置基准及其转换：15第三节 隧道洞外GPS控制网的网形设计方法19一、设计的一般原则20二、GPS网的基本形式21第四节 隧道洞外GPS控制网的观测设计方法22一、隧道平面控制网观测方法：23第五节 贯通误差的估算27一、贯通和贯通测量27二、贯通的种类和容许偏差28三、贯通测量工作的步骤和贯通测量设计书的编制29四、横行贯通误差的估算30五、高程贯通误差的估算33结论35致谢36参考文献37

12、第一章 绪论第一节 国内外关于隧道控制网的发展状况一、中国铁路隧道的发展中国幅员辽阔，又是多山的国家，山地面积占2/3以上，高原起伏，群山连绵，崇山峻岭密布，水系发育，江河纵横，地质复杂。为发展铁路建设，需要修建大量隧道，而且势必修建许多长隧道和特长隧道，因而铁路隧道建设任务极其艰巨、复杂。隧道修建技术是涵盖多种专业、交叉性很强的综合技术。一个多世纪以来，中国铁路隧道修建技术的发展，大体上可划分为三个时期：（一） 中华人民共和国成立前（1888-1949年），基本是人力开挖、手工操作、机具简单、技术落后的时期。当时铁路隧道建设既没有固定的专业技术队伍，也没有完整的设计、施工规范，机具设备少，方

13、法简单，工人劳动强度大，效率很低。建成的隧道长度超过3km的仅有3座。 （二） 建国后50-70年代，铁路迅速发展，隧道施工有人力为主转入中、小型机械施工，是隧道设计、施工技术有较大发展的时期。从50年代开始，铁道部十分重视隧道建设专业队伍的组建，并逐步制定了铁路隧道勘测设计、施工规范和隧道建筑限界标准，编制了一些隧道建筑标准设计图。对平面控制测量作出测量设计，提出贯通误差计算公式，测量方法采用两条基线的三角网和导线法，初步建立贯通误差理论。辅助坑道采用横洞、斜井、竖井和平行导坑，竖井最深达 136m。施工方法以上、下导坑法为主，开始采用平行导坑和管道进行施工通风。从1957 年开始，较长隧道

14、试用后翻式装碴机装碴，用电瓶车牵引轨道运输出碴。逐步采用水泥沙浆注浆防水。50年代受当时技术条件及工期限制，修建的长隧道不多，修建3km以上的隧道只有北同蒲线的断家岭（I线、II线）隧道和川黔线的凉风垭隧道。60-70年代，通过实践和实验研究，改进、提高了勘测设计手段和施工组织方法。推广采用机械设备，从西南铁路建设开始，以成昆线为代表，购进了一批新的勘测设计和施工设备，逐步应用航测遥感和工程物探技术，注意按隧道建设要求进行选线和选址，平面控制测量开始采用闭和导线法和一条基线的三角网；在施工方面开始推广漏斗棚架法，部分采用全断面开挖，研究试用光面爆破，对整治岩溶、岩爆、坍塌、涌水和瓦斯突出等也逐

15、步积累经验，使铁路隧道的修建技术得到迅速提高，山区铁路长隧道显著增多。60年代建成3km以上隧道20座，70年代建成3km以上隧道33座，其中各有5座隧道长度超过5km。（三）80年代以来，铁路大发展，长大隧道普遍修建。隧道修建从传统的矿山法向采用以“新奥法”原则指导下的一系列新技术、新设备发展；隧道施工进入大型机械配套，是隧道修建技术追赶世界先进水平的时期。修建长隧道可降低线路越岭高度和避免采用短隧道群，使线路状态得到改善，有利于消除和确保运营安全，为适应特长隧道修建的需要，在隧道工程中大量引进国外先进技术和设备，促进铁路隧道修建技术快速提高。80年代以衡广复线大遥山隧道为代表，攻克了双线特

16、长隧道设计施工中的难题，解决了双线长隧道施工大型机械化配套问题，应用“新奥法”原则指导大断面和全断面施工取得成功，是中国隧道建设史上的新突破，标志着双线隧道施工技术和设备达到国际先进水平。80年代共建成3km以上隧道10座，其中双线隧道8座，长度超过8km的隧道2座。衡广复线的大遥山隧道（14.29km，最大埋深约910m）是我国第一座长度超过10km的特长隧道，也是国内已建成最长的双线隧道。90年代，加强西部路网大通道建设，通过工程实践表明，由于修建两个单线隧道在投资、防灾与运营等方面都优于单洞双线，山区铁路单线长隧道不断增多；在双线长隧道已实现机械化配套的带动下，针对单线铁路隧道施工技术较

17、为落后的状况，90年代铁道部立项攻关研究单线铁路长隧道快速施工配套技术与设备，这些成果在米花岭隧道施工中实施，取得了双口月成洞769m的全国最好成绩，单口月成洞最高达515.9m 。随后又在西康线秦岭I线隧道，采用隧道掘进机（TBM）施工，标志着我国单线铁路长隧道的修建技术，也达到了国际先进水平。与此同时，长隧道的地质勘探、地质超前预报、全球定位系统（GPS）等先进技术的应用，均取得显著成果，使铁路隧道修建技术跨上又一新台阶。90年代共建成3km以上隧道79座，其中67座为单线隧道，10km以上特长隧道 2 座。西安安康线的秦岭I线隧道（18.46km，最大埋深达1600m），是全国目前最长的

18、单线隧道。朔黄线的长梁山隧道（12.78 km）是全国第二长的双线隧道。铁路长隧道的成功修建，标志着我国铁路隧道建设的新水平，也是现代隧道工程技术进步的集中反映。中国的铁路隧道按地区分布，以西南、西北居多，约占70%；华北和东北次之，约占25%；华北和中南较少，约占5%。我国已建隧道密度较大的铁路（长度超过200km）有：西安安康线，隧道比率为45.9%，居全国之首。其次是襄渝线为33.4%。第三是成昆线31.5%。除此以外，侯月、丰沙、京原、南昆、枝柳等线隧道比率也都在20%以上。二、中国铁路隧道未来展望 近半个世纪以来，中国铁路隧道修建技术虽然有很大发展，但与当代世界铁路隧道长度不断增加并

19、向水域发展的趋势比较还有一定差距。中国当前铁路隧道的修建的数量，已列世界前茅，但10km以上的隧道（包括贯通的）只有4座，既大瑶山、长梁山双线隧道和秦岭I、II线单线隧道。20km以上的长大隧道和水下铁路隧道还是空白。因此，特长和超长隧道的设计理论和施工技术还有待开发、研究和提高。同时，对于为数众多的500m以下的短隧道施工机械化程度还不高。对于隧道环境工程、防灾技术以及山区铁路隧道普遍存在的各种地质灾害防治技术也许要研究和加强。隧道建设组织管理水平亟待提高，以适应铁路隧道高质量高效率建设发展的需要。中国铁路隧道建设，走过一个多世纪的风雨历程，又面临着21世纪更大的挑战。国家已作出决策，加强铁

20、路基础设施建设、拉动国民经济发展和西部大开发，云、贵、川、藏铁路，沿江铁路，以及南部沿海铁路等，都有大山阻隔，长隧道和隧道群不可避免，铁路隧道建设任重道远。西安南京铁路东秦岭隧道，长12268m（建成后将是我国第三长的双线隧道），已于2000年3月动工。京沪高速铁路南京过长江的水下隧道，黄河水下隧道，以及穿越胶州湾、渤海湾、杭州湾、琼州海峡和台湾海峡的海底隧道也已在研究中。80年代后期，我国引进了卫星测量技术，经过研究实验开始在精密大地测量和城市测量中应用。铁一院根据西康线秦岭特长隧道控制测量的实际需要，从1989年开始进行技术调研，并开展了GPS技术在铁路工程测量中的应用研究，1993年完成

21、了秦岭特长隧道的GPS控制测量，控制点坐标精度，方位精度，比地面测量精度提高10-20倍，两洞口水准基点相对高差精度与二、三等水准测量相当。从此我国隧道控制测量由地面测量跨入空间卫星测量的行列，达到了隧道测量的世界先进水平。三、国外铁路隧道的发展瑞士等欧洲国家在公路及铁路隧道建设方面有着很高的声誉，现世界上的第一、第二长大隧道分别位于挪威和瑞士。瑞士作为一个多山的国家在隧道及其地下工程建设方面积累了丰富的经验，早在100多前就修建了一条长15km的St.Gotthard铁路隧道。瑞士的公路交通亦非常发达，高速公路建设始于20世纪60年代初，现已建成高速公路总里程超过1550km，其中包括160

22、多座高速公路隧道,隧道总长度达130多km，1980年建成的St.Gotthard公路隧道长达17km，在近20年内一直为世界上第一长大公路隧道。北欧国家由于气候条件和地质投机倒把独特，地下隧道被广泛应用。特别是挪威水工引水隧道及公路隧道尤为显著，在2000年建成并投入运营的Lserdal隧道长25km，成为世界最长的公路隧道。进入21世纪以后，随着测量机器人型的全站仪、全球卫星定位系统GPS、高精度各种传感器、三维激光扫描仪、近景摄影测量、数字化远程实时监控系统、现场报警系统等设备和技术的发展，隧道修建工作将会变的更加轻松，例如像全新的LEICA TMS隧道测量系统，LEICA TMS隧道测

23、量系统是安伯格测量技术公司与徕卡测量系统股份公司强强联合的结晶，它吸取了前六代隧道断面测量的精髓，并赋予全新的设计理念，以智能化的应用软件配合LEICA TPS1100/1200系列的通用全站仪，实现一机多用，能同时完成隧道断面测量和施工放样测量等多种测量任务。第二节 隧道工程控制网的特点隧道测量作为地下工程测量中的一种，因此隧道测量也具有地下工程测量的一些特点，例如：1 测量空间狭窄，测量条件差，并存在烟尘、滴水，人员和机械干扰的可能；2 测施对象灰暗，一般无自然光，照度不理想；3 工程需要较高的精度，较短的测量耗时，而且需要现场提交成果；4 需要及时、准确地反映各种构筑物在静态或动态下的各

24、种空间几何关系，因而测量工作具有渐进性和连续性；5 测量的网形受到条件限制，测量成果的可靠性要依靠重复测量来保证；6 测量控制点埋设受到环境和空间的制约，可能设在巷道的顶部或边上，同时这些点受地质构造和工程的影响，测量的检核工作量大。地下工程测量的环境和特点决定了地下工程测量的方法，不能完全按照常规测量先高级后低级，先控制测量后碎部测量的方法和程序，可能会先局部控制、碎部测量，再将局部控制延伸，再碎部（施工放样），最后进行全面控制测量；或者局部控制测量和碎部测量交替延伸，以保证工程施工设计进行。地下工程测量一般采用导线测量，随着新技术发展，逐步使用结构光工程测量和结构光摄影测量等方法。采用测距

25、仪和陀螺经纬仪，以及应用无标尺测距等新仪器新方法。作为指导隧道施工的测量工作，在隧道开挖前一般要布设具有必要精度的、独立的隧道洞外施工控制网，作为引测进洞的依据；对于较短的隧道，可不必单独布设洞外施工控制网，而以经隧道施工复测、调整后并确认的洞外线路中线控制桩为引测进洞的依据。隧道工程控制网的特点主要包括：1 控制网的大小、形状、点位分布，应与工程的大小、形状相适应，点位布设要考虑施工放样的方便，如隧道控制网一定要保证隧道两端有控制点。2 地面控制网的精度，不要求网的精度均匀，但要保证某一方向和某几个点的相对精度高，如隧道控制网要能保证隧道横向贯通的准确性。3 投影面的选择应满足“控制点坐标反

26、算与两点间长度与实地两点间长度之差尽可能小的要求，如隧道施工控制网一般投影到隧道贯通平面上，也可以投影到定线放样精度要求更高的平面上。4 可采用独立的坐标系，其坐标线应平行或垂直于建筑物的主轴线，该线通常由工艺流程方向、运输干线或主要厂房的轴线所决定。第三节：隧道工程控制网的任务隧道的设计位置，一般在定测时已初步标定的地面上。在施工之前先进行复测，检查并确认各洞口的中线控制桩，当隧道位于直线上时两端洞口应各确定一个中线控制桩，以两桩连线作为隧道洞内的中线；当隧道位于曲线上时，应在两端洞口的切线上各确任两个控制桩，两桩间距应大于200m。以控制桩所形成的两条切线的交角和曲线要素为准，来测定洞内中

27、线的位置。由于定测时测定的转向角、曲线要素的精度及直线控制桩方向的精度较低，满足不了隧道贯通精度的要求，所以施工之前要进行洞外控制测量。洞外控制测量的作用，是在隧道各开挖口之间建立一精密的控制网，以便根据它进行隧道的洞内控制测量或中线测量，保证隧道的准确贯通。洞外控制测量包括平面控制测量和高程控制测量。对于直线隧道，洞外平面控制测量的目的主要是获取两端洞口较为精确的点的平面位置和引测进洞的方向；对于曲线隧道，洞外平面控制测量除具有与直线隧道相同的目的外，还在于间接求算隧道所在曲线的转向角及两端洞口控制桩与交点的相对位置，进而按设计选配的圆曲线半径和缓和曲线长重新确定隧道中线的位置。隧道工程控制

28、网是包括在地面上建立平面控制网和高程控制网。随着施工的进展，将地面上的坐标、方向和高程传递到地下去，在地下进行平面的与高程的控制测量，再根据地下控制点进行施工放样，指导开挖、衬砌施工。进行这些测量工作的目的，就是要在地下标定出工程的设计中心线与高程，为开挖、衬砌指定出方向、位置；保证在两个相向开挖面的掘进中，施工中线及高程能够正确贯通，符合设计要求；保证开挖不超过规定界限。隧道中线上各点的坐标都是根据地面控制网的坐标系统计算的。以后根据施工的进展，将地面上的坐标系统通过洞口、竖井或斜井传递到地下，在地下坑道中再用导线测量方法建立地下控制系统。隧道中线上各点的位置以及地下其它各种建筑物的位置，都

29、根据地下控制点以及由它们的坐标所算得的放样数据进行放样。应用这种放样方法时，由于布设了地面和地下控制网可以控制误差的积累，从而保证贯通精度。工程控制网的主要用途有：1 提供满足施工定位精度并便于放样的依据。2 提供恢复施工桩位的反复使用的功能。3 为检查工程建筑物的竣工（包括施工过程中局部工程的竣工）精度，提供基点和基线。4 提供测绘竣工图的控制。5 提供施工过程中监测建筑物变形的控制点。6 提供设备安装与运营管理的参考点，并据以测绘现势图。7 提供改建与扩建工程的测图和施工控制，必要时据以扩大现有的控制网。8 据以监测运营过程中建筑物的变形和位移。第四节：隧道控制网的主要布设形式测规对洞外平

30、面控制网的布设有如下具体要求：1 每个洞口平面控制点不应少于三个，布设在通视良好、视野开阔、不易被破坏的地方；应方便用常规方法进行检测、加密、恢复；2 洞口控制点应便于向洞内引测导线（简捷方便）；3 向洞内传递方向的洞外联系边不宜小于300米（保证进洞的后视方向足够的长），最大俯仰角不宜大于5（考虑垂线偏差对方向观测的影响）； 4 GPS控制网施测完成后，应用全站仪检测洞口子网控制点间的距离和角度；洞外控制测量主要包括平面控制测量和高程控制测量两部分。 洞外平面控制测量应结合隧道长度、平面形状、线路通过地区的地形和环境等条件进行，可采用的方法有：中线法、精密导线法、三角锁法、GPS测量。一、中

31、线法适用于长度较短或贯通精度要求不高的隧道。 方法：就是将隧道中线的平面位置，测设在地表上，经反复核对改正误差后，把洞口控制点确定下来，施工时就以这些控制点为准，将中线引入洞内。在直线隧道，于地表沿勘测设计阶段标定的隧道中线，用经纬仪正倒镜延伸直线法测设中线；在曲线隧道，则按铁路曲线测设方法，首先精确标出两端切线方向，然后测出转向角，将切线长度正确地标定在地表上，再把线路中线测设到地面上。经反复校核，与两端线路正确衔接后，再以切线上的控制点（或曲线主点及转点等）为准，将中线引入洞内。如图1-1所示：DABCDEBCE 图1-1 中线法如图1-1示：A、E为定测时的路线中线（也是洞口控制桩），B

32、、C、D为洞顶的中线控制桩点，由于A、E是不通视的，通常采用正倒镜或拨180角分中去平均点位置的方法，从一端洞口的控制点向另一端洞口控制点延长直线。二、精密导线法在隧道进、出口之间，沿勘测设计阶段所标定的中线或离开中线一定距离布设导线，采用精密测量的方法测定各导线点和隧道两端控制点的点位。 在进行导线点的布设时，导线点还应根据隧道长度和辅助坑道的数量及位置分布情况布设。导线宜采用长边，且尽量以直伸形式布设，这样可以减少转折角的个数，以减弱边长误差和测角误差对隧道横向贯通误差的影响。为了增加检核条件和提高测角精度评定的可行性，导线应组成多边形导线闭合环或具有多个闭合环的闭合导线网，测规规定，在一

33、个控制网中，导线环的个数不宜少于4个；每个环的边数宜为46条。 导线可以是独立的，也可以与国家高等级控制点相连。如图1-2所示 图1-2 某隧道洞口及斜井图1-3 导线网略缩图导线环（网）的平差计算: 一般采用条件平差或间接平差。当导线精度要求不高时，亦可采用近似平差。 用导线法进行平面控制比较灵活、方便，对地形的适应性强。我国长达14.3 km的大瑶山隧道和8 km多的军都山隧道，采用光电测距仪导线网作控制测量，均取得了很好的效果。三、三角锁法将测角三角锁布置在隧道进出口之间，以一条高精度的基线作为起始边，并在三角锁的另一端增设一条基线，以增加检核和平差的条件。三角测量的方向控制较中线法、导

34、线法都高，如果仅从提高横向贯通精度的观点考虑，它是最理想的隧道平面控制方法。由于光电测距仪和全站仪的普遍应用，三角测量除采用测角三角锁外，还可采用边角网和三边网作为隧道洞外控制。但从其精度、工作量等方面综合考虑，以测角单三角形锁最为常用。经过近似或严密平差计算可求得各三角点和隧道轴线上控制点的坐标，然后以这些控制点为依据，可计算各开挖口的进洞方向。四、GPS法GPS是全球定位系统的简称，隧道施工控制网可利用GPS相对定位技术，采用静态或快速静态测量方式进行测量。由于定位时仅需要在开挖口附近测定几个控制点，工作量少，而且可以全天候观测，目前已得到应用。隧道GPS定位网的布网设计，应满足下列要求：

35、1 定位网由隧道各开挖口的控制点点群组成，每个开挖口至少应布测4个控制点。整个控制网应由一个或若干个独立观测环组成，每个独立观测环的边数最多不超过12个，应尽可能减少。2 网的边长最长不宜超过30km，最短不宜短于300m。3 每个控制点应有三个或三个以上的边与其连接，极个别的点才允许由二个边连接。4 GPS定位点之间一般不要求通视，但布设洞口控制点时，考虑到用常规测量方法检测、加密或恢复的需要，应当通视。5 点位空中视野开阔，保证至少能接收到4颗卫星信号。6 测站附近不应有对电磁波有强烈吸收和反射影响的金属和其他物体。如图1-4为GPS控制网网形： 图1-4 GPS控制网网型 若采用GPS控

36、制网，除了在隧道线路上布设进、出口点以外，还要在每个洞口附近各布设3个及3个以上定向点，以便于在洞口用全站仪设站时定向。第二章 隧道洞外GPS控制网测量方法设计近年来GPS定位技术在工程测量领域得到了广泛的应用,与传统的地面测量方法相比,全球定位系统由于测量手段先进和简单,可以达到的高精度,以及不需要网点间的通视,把它用于国家基本测量和工程大地侧量作业已成为不可逆转的趋势。全球定位系统（Global Positioning System，简称 GPS） 是美国从20世纪70年代开始研制的用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统，历时20年，耗资200多亿美元，分三阶段研制，陆续投入使用并于199

37、4年全面建成 GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性 因此，GPS技术率先在大地测量 工程测量 航空摄影测量 海洋测量 城市测量等测绘领域得到了应用，并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。 GPS的工作原理及测量优点一、GPS定位原理GPS用户设备由GPS接收机数据处理软件及其终端设备（如计算机）等组成GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算网平差，求出GPS接

38、收机中心（测站点）的三维坐标GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的，如图2-1所示 图2-1 定位原理图在待测点Q设置GPS接收机，在某一时刻tk同时接收到3颗（或3颗以上）卫星S1、 S2、S3所发出的信号，通过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离1、2、3，根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标（Xj，Yj，Zj），j 1，2，3，从而由下式解算出Q点的三维坐标（X，Y，Z）： 式（2-1）二、GPS测量的优点相对于常规测量来说,GPS测量主要有以下特点：1 测量精度高GPS观测的精度明显高于一般常规测量； 2 测站间无需通视GPS测量不需要测站间相

39、互通视，可根据实际需要确定点位，工作更加灵活方便； 3 观测时间段随着GPS测量技术的不断完善，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需30min左右，动态相对定位仅需几秒钟；4 仪器操作简便 目前GPS接收机智能化程度越来越高，观测人员只需简单操作，接收机即可进行自动观测和记录；5 全天候作业GPS测量可以不受天气状况影响，可保证在任何时间任何地点连续进行观测； 6 提供三维坐标GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。第一节 GPS控制网的技术设计和精度设计 一、设计依据 GPS控制网的设计,以GPS测量规范和测量任务为依据。测量规范主要指国家、城市以

40、及行业标准;测量任务则对网布设的范围、网的精度、密度、时间等提出具体要求。布网的设计既要符合有关标准，又要满足任务要求。 （一）技术设计的一般原则建立城市或其它局部性GPS控制网是一项重要的基础性工作，而技术设计则是建立GPS网的第一步，是保证GPS网能够满足经济建设需要，并保证GPS成果质量可靠的关键性工作。因此，必须科学地、严谨地作好这一工作。GPS网设计的一般原则包括以下几个方面。1 充分考虑建立GPS控制网的应用范围对于工程建设的GPS网，应该既考虑勘测设计阶段的需要，又要考虑施工放样等阶段的需要。对于城市GPS控制，既要考虑近期建设和规划的需要；又要考虑远期发展的需要；还可以根据具体

41、情况扩展GPS控制网的功能，充分发挥GPS网和测绘工作在城市建设中的作用。2 采用分级布网的方案适当地分级布设GPS网，有利于根据测区的近期需要和远期发展分阶段布设，而且可以使全网的结构呈长短边相结合的形式。与全网均由短边构成的全面网相比，可以减少网的边缘处误差的积累，也便于GPS网的数据处理和成果检核分阶段进行。分级布网是建立常规测量控制网的基本方法，因为GPS测量有许多优越性，所以并不要求GPS网按常规控制网分很多等级布设。例如，大城市的GPS控制网可以为三级：首级网中相邻点的平均距离大于5km；次级网中相邻点平均距离为1-5km；三级网相邻点平均距离可小于1km，且可采用GPS与全站仪相

42、结合的方法布设。对于小城市，分两级布设GPS网即可。为提高GPS网的可靠性，各级GPS网必须布设成由独立的GPS基线向量边（或简称为GPS边）构成的闭合图形网，闭合图形可以是三边形、四边形或多边形，也可以包含一些附和路线，GPS网中不允许存在支线。3 GPS测量的精度标准GPS测量的精度标准通常用网中相邻点之间的距离中误差表示，其形式为： 式（2-2）式中：距离中误差（mm）；a固定误差（mm）；b比例误差系数（ppm）；d相邻点的距离（km）。2001年实施的“全球定位系统（GPS）测量规范”将GPS的测量精度分为AA-E六级（图2-2）。其中AA、A、B三级是国家GPS控制网，C级主要用于

43、大、中城市及工程测量的基本控制网，D、E级主要用于中、小城市、城镇及测图、勘测、建筑施工等控制测量。项目AAABCDE固定误差（mm）358101010比例误差系数b（ppm）0.010.1151020相邻点最小距离（km）30010023421相邻点最大距离（km）300090021036208相邻点平均距离（km）10003007010-155-100.2-5图2-2 各级控制网精度在GPS网的技术设计中，应根据测区大小，GPS网的用途，来设计网的等级和精度标准。4 坐标系统与起算数据GPS测量得到的是GPS基线向量，是属于WGS84坐标系的三维坐标差，而我们需要得到的是属于国家坐标系或地

44、方独立坐标系的坐标。为此，在GPS网的技术设计中，必须说明GPS网的成果所采用的坐标系统和起算数据，也就是说明GPS网所采用的基准。GPS网的基准与常规控制网的基准类似，包括位置基准、方位基准和尺度基准。当测区有旧的地面控制点成果时，应既考虑充分利用旧资料，又要使新建的高精度GPS控制网不受旧资料精度较低的影响。为此，应将新的GPS网与旧控制点进行联测，联测点一般不应少于2个。GPS网的坐标系统应尽量与测区过去采用的坐标系统一致，如果采用的是地方独立坐标系，一般应该了解以下几个参数：a.所采用的参考椭球体，一般是以国家坐标系的参考椭球为基础；b.坐标系的中央子午线的精度值；c.纵、横坐标的加常

45、数；d.坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值；e.起算点的坐标。GPS网的位置基准，通常都是由给定的起算点坐标确定。方位基准可以通过给定起算方位角值确定，也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准，尺度基准可以由地面的电磁波测距边确定，或由两个以上的起算点之间的距离确定，也可以由GPS基线向量的距离确定。5 GPS点的高程为了得到GPS点的正常高，应使一定数量的GPS点与水准点重合，或者对部分GPS点联测水准。为了便于进行水准联测，且便于进行GPS观测，提高GPS作业效率，GPS点一般应设在交通方便的地方。二、精度设计 GPS控制网的精度取决于网的用途。精度设计时，根据任务要求和具体的服务对象

46、，以充分满足工程要求为前提。用于工程及城市的GPS控制网可根据相邻点的平均距离和精度进行设计，详细数据见图2-3。等级平均距离/km/mm/ppm.D最弱边相对中误差二91021/12万三 51051/8万四 210101/4.5万一级 110101/2万二级 115201/1万 图2-3 GPS相邻点的平均距离和精度表注：当边长200m时，以边长中误差20mm来衡量。各等级GPS相邻点弦长精度，可表示为 式(2-3) 式中，-GPS基线向量的弦长中误差，即等效距离误差,mm； -GPS接收机标称精度中的固定误差 ，mm； -GPS接收机标称精度中的比例误差系数，ppmD； -GPS网中相邻点

47、间的距离，km。第二节 隧道洞外GPS控制网的基准设计方法GPS测量获得的是GPS基线向量, 属于WGS-84坐标系的三维坐标差。利用三维无约束平差后的测量成果均属于WGS-84大地坐标系, 实际工程中需要的是国家坐标系或施工工程坐标系的坐标, 即二维平面坐标, 这样就存在GPS定位成果与国家参考椭球面或工程平面的二维转换问题, 目的是将三维GPS基线向量网转换投影成国家大地测量控制与施工测量控制相匹配兼容, 必须明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据, 即明确GPS网所采用的基准。GPS控制网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。其中最重要的是位置基准。方位基准一般以给定的起算方位值确定

48、, 也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准。尺度基准一般由地面的电磁波测距边确定, 也可由两个以上的起算点间的距离确定, 同时也可由GPS基线向量的距离确定。GPS网的位置基准, 一般都是由给定的起算点坐标确定。因此GPS网的基准设计, 实质上主要是指确定网的位置基准问题。当采用工程坐标系时, 一般应了解以下参数: 1.所采用的参考椭球;2.坐标系的中央子午线经度;3.纵横坐标加常数;4.坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值;5.起算点的坐标值。在基准设计时，应考虑以下几个方面的因素。 1 为求得GPS点在地面坐标系中的坐标，应在地面坐标系中选定起算数据并联测若干原有地方控制点，用于坐标转

49、换。高等级的控制网必须联测3个以上的点，低等级的控制网可以联测23个点。 2 对于未知点，观测时要连结成一定的图形，最好构成长边图形，以保证坐标精度的均匀性，减少尺度比误差的影响。 3 GPS网经平差计算后，可得到GPS点在地面参照坐标系中的大地高。若想求得GPS点的正常高，必须进行高程拟合。 4 了解GPS点成果所属坐标系及其坐标系的定义 。 如果将GPS相对定位所确定的基线向量视为具有先验方差与协方差的观测量 那么 这些与方向和尺度有关的观测量,通过最小二乘平差便定义了空间基线向量网（或称卫星网,以下同）的方向和尺度。所以,无论是空间网或地面网,其方向和尺度基准只与网中有关方位与距离的观测

50、量及其先验精度信息有关,而与网的位置基准无关。GPS控制网的位置基准一般是通过网中所选基准点及其在某一参考系中的坐标值所定义,或者通过选定网点坐标的近似值系统,并在最小范数条件下的自由网拟稳平差所定义。因此,网的位置基准 的确定具有一定的选择性。它的变化不仅将会影响网点平差后的坐标值,同时也会改变网点误差的分布规律。在GPS测量中,观测数据的处理和表述是 采用WGS-84,而该全球坐标系与地面网所采用的坐标系一般不仅具有不同的定向和尺度,而且具有不同的位置基准。所以,研究一下网的位置基准的定义和转换,对于卫星网与地面网的联合平差是重要的。一、GPS控制网的位置基准及其转换：假设以GPS相对定位

51、所确定的空间基线向量为观测量,其先验方差与协方差为,而取不同平差方法(即经典平差、自由网平差和自由网拟稳平差方法,以下同)所得网点空间直角坐标的平差值分别为和,则其间的关系可表示为 式（2-4）其中: 为位置基准参数向量 式（2-5）因为卫星网的定向和尺度可通过观测量的最小二乘平差唯一地确定 所以对于同一基向量网来说,采用不同平差方法所得到的基线向量是相互平行的,并具有相同的尺度,其的位置差异由参数确定。而位置基准参数的大小既取决于所取网点坐标的近似值系统,取决于网的平差方法。在网点坐标近似值不变的情况下,不同的位置基准仅与相异的平差法有关。下边来讨论一下不同平差方法所定义的卫星网的位置基准及

52、其转换向题。在空间直角坐标系统中,如果以和.表示卫星网按经典方法平差的坐标向量及其权系阵,而以和表示该网按自由网拟稳平差的结果,同时假设 式（2-6） , 为上述两种平差方法所取网点坐标的近似值向量 , 为两种平差方法所得网点坐标的改正数向量为网的点数为网中拟稳点数对于网中的拟稳点,考虑到 于是由式(2-4) 可得 式（2-7）假设上述两种平差方法所取网点坐标的近似值相同 即 式（2-8）则式 (2-7) 便可简化为 式（2-9）其中 式（2-10）在系数矩阵中，元素仅出现在与拟稳点相应的列。在式 (2-8)条件下 由式(2-4)和(2-9)可得以上两种平差方法所得改正数之间的转换关系式 式（2-11）其中 式（2-12） 式（2-13） 由此 式（2-14） 式（2-15）应用上式便可将网的经典平差结果转换为自由网拟稳平差的结果。同时由经典平差时固定点所定义的网的位置基准便转换为由拟稳平差时的重心点所定义。作为特例,当时,即为按自由网平差的改正数向量,于是由式 (2-16) 得 式（2-17） 而按自由网平差的网点坐标向量及其权系数阵仍如式(2-14)(2-15)所示,这时由经典平差时固定点所定义的网的位置基准便转换为由自由网平差时的重心点所定义。当时