1、长大隧道独立平面 GPS 控制网的建立和施测方法摘要：长大隧道 GPS 平面控制网网形设计及施测，独立坐标系的建立，莱卡 LGEO 基线解算，采用科傻 GPS 后处理软件进行三位无约束平差和二维约束平差，计算结果达到精度要求，采用其结果进行隧道控制。 关键词：独立平面控制网、双频 GPS、主网、三维无约束、二维约束 Abstract: Grew up in the tunnel GPS horizontal control network Network Design and Survey, the establishment of an independent coordinate syst
2、em the Lycra LGEO baseline solution, Branch silly GPS post-processing software three unconstrained adjustment and two-dimensional constraint adjustment calculation results reach accuracy requirements, the result of the tunnel control. Keywords: Independent horizontal control network, and dual-freque
3、ncy GPS, the main network, the three-dimensional unconstrained two-dimensional constraint. 中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号： 随着近年铁路重点工程的上场，长大隧道逐渐增多，为了保证贯通精度，设计和施工单位都配备了先进的 GPS 测量设备，对长大隧道建立独立平面控制网，用 GPS 进行施测，究竟如何建网，如何施测，以沪昆铁路新吉坪隧道为例进行说明。 1. 工程概况 新吉坪隧道是新建长沙至昆明铁路客运专线湖南段的一个重点工程。隧道起止里程为 DK094+043DK101+724，全长 7681m
4、。 新吉坪隧道进口路肩设计标高为 157.5m，出口路肩设计标高为174.0m，第一变坡点（DK094+260）路肩设计标高为 160.6 m，第二变坡点（DK099+900）路肩设计标高为 183.5m，平均路肩设计标高为173.36m。新吉坪隧道进口（DK094+043）至 DK094+260 段为 18的上坡，DK094+260 至 DK099+900 段为 4的上坡，DK099+900 到隧道出口（DK101+724）为-5.5的下坡。 2平面坐标系 （1） 、采用 2000 国家大地坐标系的参考椭球，椭球参数为: 长半轴 a=6378137m； 扁率 f=1/298.25722210
5、1； 地心引力常数 GM=3.9860044181014m3s-2； 自转角速度 =7.29211510-5rad s-1。 （2） 、新吉坪隧道工程独立坐标系建立 新吉坪隧道洞外控制网的平面坐标系采用隧道独立的施工坐标系。独立坐标系定义为：以隧道洞内路肩的平均高程面作为坐标系统的高程基准面, 以隧道中央的经度作为中央子午线的经度，经计算为 1121439；平均高程面是由隧道线路路肩的平均设计高程 173.36m，并考虑测区的高程异常后得到的，采用值为 156.12m。测区的高程异常值为-17.24m，是通过在隧道进口的 CPI040、出口的 CPI041 和 2 号斜井口的CPI303 这
6、3 个既有 CPI 点上架设 GPS，以单点定位的测量模式观测 3 个小时后无约束平差处理，再计算它们大地高和水准高的差值并取均值后得到的。 为方便施工，采用进口侧进洞联系点 CPI040 作为坐标原点，以隧道的长直线方向作为独立坐标系的 X 轴方向，再以垂直于 X 轴的方向作为Y 方向构成左手系，按这种方法定义的独立坐标系简称为独立坐标系。采用独立坐标系，隧道直线段 X 坐标就是隧道中线里程，Y 坐标就是横向偏距，可方便施工测量和横向贯通误差的计算。 3洞外平面控制网的测量 3.1 平面控制网的精度等级 根据技术标准中的有关规范规定和隧道设计的相关要求，为保证隧道的高精度贯通，长度大于 6k
7、m 的隧道应按一等 GPS 网精度要求进行测量。因此，本隧道独立平面控制网的精度等级设计为 GPS 一等网。根据铁路工程测量规范 （TB10101-2009）的要求，长度大于 4km 的隧道应优先采用 GPS 控制测量，使用的双频 GPS 接收机标称精度应不低于5mm1ppm。因此，在控制网外业观测、数据处理及精度要求方面，严格按照上述相关规定进行洞外控制网的技术设计和施测。 3.2 平面控制网的布设 3.2.1 平面控制网网形设计 本次新吉坪隧道施工测量平面控制网的建立，采用的仪器为：六台高精度双频 Leica GS10 双频 GPS 接收机进行观测。接收机数量的增加，一方面大大提高了作业的
8、效率，另一方面使控制网中的多余观测量增多，从而使控制网的图形强度大大增强。各洞口的洞口子网，均为大地四边形构网；进出洞口的控制点间联测、洞口子网之间的控制点联测，全部采用边联接的方式构网，形成双大地四边形，将各洞口的子网联系成一个统一的整体网，并采用不同的 GPS 点组合，使每个控制点至少观测 2个时段。 3.2.2 进洞联系点的布设 新吉坪隧道在进口端布设了 1 个进洞联系点，点名为 CPI040；在出口端布设了一个进洞联系点，点名为 CPI041；该隧道在 DK097+060 和DK100+250 处各有一座斜井，1 号斜井的进洞联系点为 JM31107；2 号斜井的进洞联系点为 JM31
9、110。 3.2.3 洞外平面控制点的布设与实测网形 按长大隧道设计和施工的要求，新吉坪隧道施工测量洞外平面控制网的建立，总共布设了 20 个 GPS 平面控制点（包括上述提到的 4 个进洞联系点） ，其中利用既有 CPI 点 6 个；新布设平面控制点为 14 个。所有20 个控制点的分布如下：隧道进口端布设 6 个 GPS 点；1 号斜井处布设4 个 GPS 控制点；2 号斜井处布设 4 个 GPS 控制点；出口端有 6 个 GPS 控制点。 3.3 GPS 网的外业观测 本次平面控制网建网采用六台高精度双频 Leica GS10 GPS 接收机进行观测。经测试，各台接收机工作状态良好，GP
10、S 接收机的检定证书见后附件六中之证书 1。测量时采用静态相对定位的作业模式进行 GPS 的外业观测，GPS 外业测量遵循的主要技术要求见下表 1。 表 1GPS 测量作业的主要技术要求 3.4 GPS 网的数据处理及内外业精度评定 3.4.1 GPS 网基线的外业精度检核 本次新吉坪隧道套 基线解算统一供理采用 Leica 公司的 LGO 软件进行。基线向量的质量检核内容如下： （1）由独立基线构成的异步环各坐标分量（）及全长闭合差检核：此控制网有 200 条基线组成的 51 个异步环，各异步环坐标分量（）及全长闭合差均小于相应的限差要求。异步环闭合差限差按下式（1）计算： （1） 式（1）
11、中：为标准差， ； 为闭合环的平均边长，单位为 km； 为闭合环的边数。 新吉坪隧道 GPS 测量闭合环的闭合差分布情况见表 2；最大的闭合环闭合差出现在 JM31110JM31106JM31102JM31114 中，其闭合差见表3 所示。 表 2 闭合环闭合差分布情况统计表 表 3 闭合环最大闭合差（mm） 重复基线较差分布情况见表 4；重复基线较差的最大值出现在基线向量 JM31111CPI040 中，其较差的差值见表 5。 表 4 重复基线较差分布情况统计表 表 5 重复基线最大较差 从以上两项检核可知，本次观测的 200 条基线均满足 GPS 一等网外业观测的精度要求，可以把全网的所有
12、基线叠加在一起，进行后续的网平差计算。 3.4.2 GPS 网的平差计算 （1）三维无约束平差 采用武汉大学研制的 CosaGPS 软件（V5.20） ，首先对本次观测的 GPS网的所有外业合格基线，在 2000 国家坐标系下进行三维无约束平差。 以 CPI040 定测的三维空间直角坐标（X=-2141727.5469，Y= 5225279.7927,Z= 2955121.7246）作为本次 GPS 网三维无约束平差的起算点。无约束平差后的三维基线向量改正数的绝对值（） ，都满足下式（2）的要求： （2） 因此，可进入后续的二维约束平差。 （2）二维约束平差 独立坐标系采用隧道中部的经度(经计
13、算为 1121439)作为中央子午线经度，坐标投影面高度采用隧道线路中线的平均高程面，经计算其正常高 173.3616m. X 坐标轴方向与该隧道定测坐标系中长直线方向一致，里程增长方向为正 X 轴方向，Y 轴方向与 X 轴构成左手系。独立坐标系 GPS 网平差计算时约束进口侧进洞联系点 CPI040 在定测坐标系中得到的坐标，为了和里程挂钩，其 X 坐标采用与里程挂钩的坐标，Y 坐标为CPI040 距长直线的距离。固定进口侧的进洞联系点出口侧的进洞联系点方向，即 CPI040CPI041 在独立坐标系中的方向（也即CPI040CPI041 与长直线方向在定测坐标系中的差值） ，经计算为 35
14、45838075050。采用一点一方向的方法对 GPS 网进行二维平差，得到各 GPS 点在独立坐标系中的坐标成果，均满足精度要求。 平差后，各 GPS 点的坐标成果及其点位精度情况见坐标系坐标成果表，该表中的点位精度情况可以知道：各网点的点位中误差均较小，全网的平均点位中误差仅为2.1mm；点位中误差最大的是 JM31105 点，其X、Y 方向的方向位差及点位中误差分别为：2.2mm、2.2mm、3.1mm，可见最弱点的点位精度仍然很高，而且点位误差椭圆的形状比较均匀。 平差后，各 GPS 点间的坐标方位角、距离及精度情况见坐标系 GPS网方位角与边长精度统计表。从该表中所统计出的精度情况可以知道：除 7 条长度小于 500m 的短边外，全网各边的方位角中误差均小于0.9秒，这对控制隧道施工的横向贯通误差是非常有利的；除 10 条长度小于500m 的短边外，全网各边的距离相对中误差均小于 1/25 万，可见本次建立的 GPS 洞外控制网，其相对精度也是比较高的。 3结束语 通过 GPS 后处理的各项指标可以看出，本隧道独立 GPS 控制网的精度均达到各项指标要求，完全达到了预先设计的 GPS 一等网的精度要求，能作为隧道控制的依据。
