GPS在盐水沟隧道控制测量中的应用

1、GPS在盐水沟隧道控制测量中的应用(中国石油工程设计西南分公司，吕继书 王洪生 李玮)摘要在西气东输上游工程克拉2气田地面建设工程中，采用GPS对盐水沟隧道进行控制测量，利用了较少的时间，得到了可靠的控制成果。同时也得到一些有益的结论。关键词GPS 隧道 复测1 前言克拉2气田地面建设工程是西气东输的上游工程，为西气东输提供了有力的气源保证。盐水沟隧道是克拉2气田地面建设工程外输管道的咽喉工程，隧道全长2.445km，为长距离输气管道之最，整条隧道位于雅丹地貌上，测区内山高坡陡、地势险要、难以攀登，给测量工作带来前所未有的困难。隧道控制网精度的高低将直接影响隧道能否准确贯通，因此，在隧道测量过

2、程中，应加大对隧道控制网的重视。由于隧道两洞口相互不通视，且设站极为困难，采用常规测量方法，作闭合或附合导线网，导线总长在12km左右，大大影响测量精度。因此在盐水沟隧道控制测量过程中，采用了Ashtech Z-Xtreme GPS 进行隧道控制测量，在计算出测量成果以后，再采用常规测量方法进行验证，最后，再与施工单位的导线控制点复测报告进行比较，以保证控制网的精度，满足设计、施工的需要。2 控制网测量方案21 遵循规范a 全球定位系统（GPS）测量规范GB/T 18314-2001；b 公路勘测规范JTJ061-99 （参照规范）。22 采用仪器采用Ashtech Z-Xtreme GPS

3、4台套，标称精度为5mm+1ppm。23 控制点布设在隧道的两端，各有一个高等级的GPS已知点。KCK1、GK05，其中GK05为水准点。在隧道的进口与出口共布设8个控制点，YDC1、YDC2、YDC3、YDC4、YDK1、YDK2、YDK3、YDK4，其中YDC2、YDC3分别是进洞与出洞桩；YDK1、YDK2、YDK3、YDK4为控制桩；YDC1、YDC4分别是进洞与出洞桩护桩。24 观测方案采用4台Ashtech Z-Xtreme GPS进行平面、高程控制测量，观测方法为静态。首先，将2台GPS安置在两个已知点KCK1、GK05，再将另2台仪器安置在进洞与出洞桩上，将坐标传递到两个洞口桩

4、上，4台仪器相对观测时间多余90分钟；再将2个已知点KCK1、GK05上的仪器关闭，安置在进洞口的2个控制桩YDK1、YDK2上，4台仪器相对观测时间多余60分钟；再将2个控制桩YDK1、YDK2上的仪器关闭，安置在出洞口2个控制桩YDK3、YDK4上，4台仪器相对观测时间多余60分钟。2个护桩YDC1、YDC4应在隧道的轴线上，采用全站仪做支导线测设，以保证2个护桩严格在隧道的轴线上。隧道控制网如图所示： 图1 盐水沟隧道控制点分布图3 数据处理与精度评定通过控制网野外观测，按照有关规范要求取得了合格数据。野外观测数据情况如表1：表1：GPS测量基本技术规定项目规范E级要求实际观测情况卫星截

5、至高度角（）1515同时观测有效卫星数46有效观测卫星总数46观测时段数1.61.7时段长度（min）4057实际观测数据均满足全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T 18314-2001）中E级有关技术要求规定。31 数据处理在外业取得了合格的数据以后，采用Ashtech Solutions 2.60英文版软件进行基线解算及控制网的平差。311无约束平差在解算过程中，首先进行基线分量解算，解算出各个基线向量，再进行平差，平差时，不输入已知点进行约束，让整个控制网在没有控制点的情况下，只在GPS自身测量的各个基线分量相互约束的情况下进行平差，经过平差，得到各个向量平差后的相应的改正数，改正数

6、绝对值（Vx、Vy、Vz）应满足下式：Vx3Vy3Vz3式中：为相应等级基线规定精度。对于不能满足上式要求的基线，则认为该基线或其附近的基线存在粗差，在平差中应采用软件提供的方法或人工方法加以剔除，直至各个基线分量满足上式要求为止。在盐水沟隧道控制网GPS数据解算时，无约束平差后各个基线分量如表2：表2：无约束平差基线分量改正数统计表基线名称长度(m)改正数绝对值（m）E级规定限差(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根据上表可以看出，无约束平差基线分量改正数均满足全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T 18314-2001）中E级要求。312 约束平差经过无约束平差，算得各

9、个基线分量在没有控制点约束情况下平差后各个基线分量。再将已知点坐标输入到软件当中，作为控制点，进行约束平差，约束平差后，基线分量的改正数与无约束平差结果同一基线相应改正数较差的绝对值（dVx、dVy、dVz）应满足下式：dVx2dVy2dVz2式中：为相应等级基线规定精度。 如果有超限值出现，则认为作为约束的已知坐标、已知距离、已知方位中存在一些误差较大的值，应采取软件自动或人工的方法剔除这些误差较大的约束值，直至上式满足。在盐水沟隧道控制网GPS数据解算时，约束平差后各个基线分量及其改正数与无约束结果同一基线相应的改正数较差的绝对值统计如表3：表3：约束平差同一基线改正数的较差基线名称长度(

10、m)改正数绝对值的较差（m）E级规定限差(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根据上表可以看出，约束平差后基线分量的改正数与无约束平差同一结果基线相应改正数较差的绝对值满足全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T 18314-2001）中E级要求。32 精度评定321 复测基线比较在GPS野外作业时，为了保证基线边准确性及可靠性，需对在控制网中主要的基线边进行复测，即在不同的时段对同一条基线再进行测量，可以得到基线复测较差。在盐水沟隧道野外作业过程中，两个已知点间基线、进洞桩与出洞桩间基线是十分重要的两条基线，两控制点基线如果精度低，则影响整体控制网的精度，如果进洞桩与出

13、洞桩间基线精度低，则对隧道的贯通存在一定的影响。以上两条基线复测结果如表4：表4：基线复测统计表基线名称两次基线所测长度(m)较差(m)E级规定限差(m)基线相对精度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从上表可以看出,两次观测控制点间基线分量精度较高,证明控制点资料准确,可以利用,可以作为隧道控制网的起算数据；隧道两穿越桩间基线两次测量差值很小，精度很高。322

14、同步观测环检验在三边同步环当中，只有两个同步边成果可视为独立的成果，应与第三边的成果为其余两边代数和。但由于数学模型误差和处理软件的内在缺陷，第三边处理结果与前两边的代数和常不为零，其值应小于下列数值：WxWyWz式中为相应级别规定的精度(按网的实际平均边长计算)。在盐水沟隧道控制网GPS数据解算时，对同步环进行了检验,几个主要同步环检验情况结果如表5：表5：同步环检核统计表环名称各基线长度(m)第三边代数和Wx(m)Wy(m)Wz(m)E级规定限差(m)相对精度平面高程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通过同步环观测检验，可以看出在测边、测角方面，GPS都可以达到很高的精度，远远优于全球定位系统（GPS）

16、测量规范（GB/T 18314-2001）中E级要求，外也观测数据质量高。323 与常规测量方法、导线控制点复测报告比较在输气管道当中，首次使用GPS进行隧道控制网布设，从计算精度来看，取得了令人满意的结果，但是由于GPS受到的干扰的因素很多，有时会导致测量结果出现偏差，为了保证测量成果的准确、可靠，需要对已测量成果加以验证，做到准确无误。在验证的过程中，采用测量精度较高的莱卡TC1700全站仪从隧道的进口到隧道出口作一导线，对隧道的进出洞桩和控制桩加以验证。2003年10月7日至10月11日，隧道施工单位中铁十五局组织测量队进行进口和出口控制点导线复测。结果如表6：表6：GPS测量结果与常规

17、测量方法、导线控制点复测结果比较表点名测量方式测量值与GPS测量较差绝对值(m)备注XYZXYZYDK1GPS4636042.19814649144.9671318.079起算数据常规测量4636042.19814649144.9671318.079施工复测4636042.19814649144.9671318.079YDK2GPS4636135.35914649259.5071334.178起算数据常规测量4636135.35914649259.5071334.1730.005施工复测4636135.35914649259.5071334.1720.006YDC2GPS4636095.598

18、14649300.4011321.612常规测量4636095.60514649300.4111321.6060.0070.0100.006施工复测4636095.61314649300.4201321.6090.0150.0190.003YDK4GPS4635080.07114651542.8651309.481常规测量4635080.08214651542.8561309.4770.0110.0090.004施工复测4635080.09014651542.8481309.4650.0190.0170.016YDC3GPS4635148.46214651554.4621291.807常规测量4635148.47314651554.4491291.7890.0110.0130.018施工复测4635148.48314651554.4391291.7870.0210.0230.020YDC4GPS4635119.12914651624.2701302.327常规测量4635119.127146