GPS用于布测长大隧道控制网的尝试

GPS用于布测长大隧道控制网的尝试93年7l2月逐月施工进度表2月份r7月8月9月10月l1月12月日历工天3131303l303l-意处因素影响工天284l24作业工天292326302827完成循环(个)127ll19l712折合进尺米/30天149l10l52.3235.6218?6l60(七)竖直投料孔衬砌的优缺点(1)解决了长大隧道施工中斜井工区开展衬砌的难题;(2)开挖地段能够及时衬砌,避免了围岩因长时间暴露而带来的各种隐患,保证了施工安全;(3)斜井工区开展多工序平行作业,大大加快了施工进度,从而保证了长大隧道的施工工期(4)利用竖直投料孔投料,大大缩短了混,凝土运输距离,衬砌循环时问短,进度快.(1)施工准备期较长,投资较大;中缓冲器底板常被磨穿,有时一个循环下来就要更换钢板,因此结构上需要改进;(3)对于深度较大的投料孔,钻孔时必须保证相当的垂直度,否则在使用中会带来很总之,在不断总结经验的基础上,我们取得了斜井利用竖直投料孔进行衬砌施工的成功,为确保云台山隧道旋工工期赢得了时间,同时也为今后长大隧道斜井衬砌旆工积累了待于今后逐步改进.够擂鹞鼍lL一.JfeGPS用于布测长大隧道控制网的尝试隧道工程局勘测设计院隧道工程局经营计划处长大隧道控制网,一般都受地形和开挖网均成带状,长,宽之比多大于1./10,网的结,/构很不理想,而且常常位于极其困难的崇山峻岭中,高差常达几百米至千米这就给控制网的布测带来极大的困难.?23?GPS定位技术具有精度高,速度快,费的相互通视,控制点可按需要设置,因此同常规网相比,隧道GPS网可以省去约7o以上的山顶中间过渡点,仅在备开挖口附近布置基本点.可见,GPS技术在困难的高山隧区,更能发挥其优越性.为了验证GPS技术能否用于高精度的长大隧道控制网,继云台山新建隧道GPS测量之后,又于1993年5月利用三台WILD200GPS测量系统,在军都山既有隧道地面控制网的基础上,布测了GPS控制网.并利用两网的结果进行了初步分析,得出了一些有益的结论和建议.一,地面控制测量军都山隧道全长8.46公里,为我国第一座重载单元电气化双线铁路隧道,居目前同类隧道第二位,位于北京市昌平县和延庆县境内,测区纬度为4o.25,经度为l16o04,高控制网沿着两端洞口连线(隧道中线)布设为狭长的光电测距三维导线锁,由主网(四环22点)和洞口附网二部分组成(见图1).导线总长32.3公里,边长为0.32.1公里,平均1956年黄海高程系控制测量使用一台DI4L光电测距仪与其配属T2经纬仪,边长对向观测取平均值,水平角观测6测回取中数.成果精度相当三等,测角中误差08;测距中误差士4.1ram,平均边相对中误差1/23万;坐标点位中误差为34ram,各环相对闭合差小于1/20万;光电三角高程测量单环闭合差中误差4-3.1ram,每公里高程闭台中误差土2.5ram<:3ram(三等限差),路线或环线高程闭合差R<12R(三等限差).=,GPS测量?24?足GPS观测的lO点组成GPS控制网(见图2)这10点分布在隧道进,出口和两个斜井附近.由于要模拟开挖口的引测进洞关系,并与原网比较,没有增加南北方向的控制点,全网东西长8.2公里,南北宽约345米,长宽比米,最短边250米,平均3094米.中,一台安置在主站(参考站)作为固定点,较间逐点迁站,每站采集l2组数据,重复边构.为使主站布设较均匀,选3(主1),4(5支)和7(主6)号点作为基准站.鉴于原地面网未考虑GPS观测要求,仅满足引测进洞的需要,致使有些点选在山坡或谷底,作为GPS点是不利的,因此,为避免因卫星被挡视而影响观测,应根据卫星预报选择最佳观测时刻.观测中采用下列参数:l_卫星数484.高度载止角为ls.每条基线观测两组数据,每组历时l020分钟,两组之间关机.全部野外观测,基线向量解算,外业成果检核和分析历时两天.观测数据采用WILD200的随机软件SKI版处理.处理时采用下列参数:l_对流层模型:Hopfield2.电离层模型:标准模型3.星历:广播星历4.使用数据:码和相位5.使用频率:L1+L26.解模糊值的限制:小于20公里7.先验中误差:士10mm其则得合格基线22米,其中有2组或2组以上的重复基线边l2条,占总数的55处理中发现第l0点成果不合格,因已撤离测区,无法补测,只得舍去.各测点在wGs一84坐标系中的地心直角坐标(x,T,Z)和大地坐标(B,L,H)以及各点间的基线向量的实标观测精度为:l_内部符合精度:距离相对误差l_5PPm,三维坐标的平均中误差2.1mm.2.三维转入二难后的内部符合精度:边长平均中误差2.5ram;X坐标中误差l5ram,Y坐标中误差510mm.3.用误差传播规律求得的精度:平面点位中误差1.62.5ram;边长平均中误差2.1mm;水平角平均中误差为l25.三,布测隧道GPS网的技术关键GPS定位技术能够利用相对定位方法.家坐标系或隧道工程坐标系相比差异较大.因此,欲使用GPS定位成果,必须根据隧道测区的特点将wGs一84转换为实用坐标系,将求得的大地高通过高程改为变为正常高.(一)坐标转换概括起来.有两种途径:l_绕过国家坐标系,直接利用GPS观测值建立隧遭施工坐过程简便,精度可以满足隧道工程控制网的要求.主要有高斯投影,边角网或导线罔,测边网三种方法,它的主要特点是不需要任何已知点坐标,仅需求得测区内任一点上的高程异常,即在测区内任一已知高程点上进行GPS观测;不需要利用公共点求坐标转换参数.2.将wGs一84转换为我国大地坐标.提是都要有足够数量均匀分布和相当精度的WGS-84三维坐标联测点,这是当前我国不具备的.尤其是对于小区域的山岭隧区,要满足上述条件势必增加额外工作量,这将失去应用价值,据此,提出一种不需要联测点的物理法,即利用全球大地水准面推算平移参数的新方法该方法的理论依据为:全球大地水准面参心坐标系的大地水准面的微分关系式,在jN曲=极小的椭球中心与地球质心相重合的条件下,导出推求转换参数的实用公式.由此可见,如果参心坐标的大地水准面高观测值(N)互不相关,则三个平移参数和两个旋转参数也互不相关因此.平移,旋转和椭计算.同时由实用公式表明,大地水准面高对旋转参数不敏感.目前的情况是:大地水准面误差比旋转参数的作用大得多.因此,利用全球大地水准面高只适于平移参数.按此法求出的平移参数的精度,取决于我国大地坐标系的大地水准面高N的精度.大地水准面是由各坐标系的大地水准面换算得出避免产生系统误差是统一各大地水准面的关键为此,必须采取统一数学模型,统一联测数据的定向和尺度,统一解算转换参数三大措施将经过定向和尺度比改正后的各坐标的大地水准面高,借助三个平移转换参数转换为GDZ-80,求得GDZ-80的全球大地水准面高N.最后,利用N按转换参数的实用公式计算GDZ-80对wGs一84的平移参数x,Y,AZ,再利用一般直角坐标转换式将wGs一84坐标转换为国家大地坐标.该方法从wGs一84和我国大地坐标系的特征出发,找出了不需要实测的特殊联测点算出,其精度仅取决于NGDZ-80或NBDZ-54.?25?(二)高程改化大地高h或h同大地水准面高N或AN以及正常高H或AH的关系如图3.s女z)圈l囤2/.扛/?26?图3高程的定义面hH+N或AhAH-AN上式中h或Ah,可以利用GPS相对定位技术精确获得.可见,用GPS进行高程控制的关键是如何要求的精度求得大地水准面高N或外高程控制测量所引起的高程贯通中误差18mm,也l8mm,即要求这两点的大地水准面高差的确定精度应高于上述值.求取N或N的方法很多,如地球重力场模型法,斯托克斯经典法,天文和天文重力水准剖面法,整体大地测量平差模型法以及点.在利用上述方法确定隧道开挖口点的大地水准面高N或其变化N,除了GPS点的大地高外,还需进行额外的测量(常规高程测量,天顶距观测)和资料(重力,地形资料).若额外工作量大于常规高程测量的话,显然高工作量对于某些隧道来说很大,其中部分外业工作可用内业计算来代替,那么,采用综合时,建议从以下方面着手;(1)隧道高程控制采用何种方法,需要先进行可行性研究,在综合效益分析的基础上,选定合理的施测方案.(2)应在隧道开挖口附近和进出口水准路线上的适当位置和相应高程上布测作为拟合大地水准面高的公共点,其分布要求具有代表性和控制性.似大地水准面精化后,以此为基础,采用拟台法进行改化.(4)一般可由水准测量,重力测量或计算测量,宜将各开挖口连接起来,贯通点位置同法解决.(5)对于有较多开挖面的长大隧道,其应用前景还取决于现今的规范是否能适当地放宽,因为采用GPS测高后,两开挖口问的高程路线长度显着减少,大都小于13公里,所制要求从醛道麓工实践来看,现行规范的精度要求也偏高.四,军都山隧道工程验证(-)GPS网与地面同的比较假定在平面控制测量中,测区无已知控制点.现利用全球大地水准面推算平移参数,进行wGs一84与我国大地坐标系的转换,分两步进行:WGS-84坐标转换为北京54坐标;面坐标最后,将得出的GPS坐标同地面实测坐标进行比较,二者较差,X坐标平均为19ram,Y坐标平均为58ram由此可见,两网的成果质量,坐标转换参数的精度都是较高的,可靠的.各点的坐标分量有系统误差,而且Y坐标比x大三倍,究其原因,一是控制同的图形不利于提高Y坐标的精度;二是地面网的原坐际是按线路定测精度联测的,相大体相同,这种偶然误差可能是由地面和GPS测量的偶然误差引起利用GPS观测值,直接将测点的wGs一84坐标化算为隧遭工程坐标,并与原地面网结果比较:点间距离平均较差1.2cm;x坐标平均较差15era,Y坐标平均较差21cm采用各种拟合法的高程综合改化精度为1.76cm;改化后的高程同原地面高程的平均较差为1.5era.(=)洞内实际贯通误差参见图1,2,将换算后的1支点的GPS及改化后的1支点的GPS高程作为进口方向的起始坐标和起始方位角以及起算高程;?27?将换算后的主.点的GPS坐标和主.6支边的坐标方位角及改化后的主的GPS高程作为出口方向的起始坐标和起始方位角准路线进行坐标,方向和高程传递,直至贯通点.经推算,实际贯通误差和方向闭合差均小于规定限值,如下表误差类别原测值GPs测值1限值1备注(mil1)25.135.34230纵向占Y(mm)36.995?6Ig00I横向(miT1)21.637.5l50高程(秒)1.341?45II方位角由此可见,用GPS技术布测长大隧道控制网,除了注意网形设计,技术方案,选点,观测和作业组织等特殊要求外,我们认为:1.在台理选用坐标转换方法的前提下,长大隧道GPS网的相对精度可达到1210,能够满足平面控制和贯通精度的要求,也不需要因设联测公共点而额外增加工作量.是轻而易举的事,需要对GPS观测加普通高程测量方案和单一常规高程测量方案进行优化比选后,选定施测方案,不一定都强调用GPS高程改化来建立隧道高程控制.蔓3一坂,f照议砌圆断面工张穿行式衬砌模板台车在长大圆形断面j/,隧洞中的用,/H隧道局第三工程处沈卫平李艳.四JI华能太平驿水电站I水隧洞垒长9.3Kin,衬砌为圆形断面,洞径国内规模最大的引水隧洞工程.其中3#支洞下游正洞独头长490m,为了确保总工期的实现,采用了国内第一台自行设计,制造的大直径全液压穿行式全圆衬砌模板台车施工,几个月来,无论衬砌速度,还是工程质量,?28?都比采用边顶拱和底模台车衬砌的习惯施工方法有显着效果.一,穿行式台车的结构和工作原理穿行式全圆台车由走行门架,底模起吊走行小车,液压系统,电气控制系统和全圆钢模板等五大部分组成.台车直径9m,总长度为18m图1为台车结构简图