GPS洞外控制网对隧道横向贯通误差影响的分析
——以新建歌乐山隧道为例

李 建，秦岩宾，孙烨龙

（1．重庆工程职业技术学院 地质与测绘工程学院，重庆400037；2．成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059；3．成都科远技术有限公司，四川 成都610059）

GPS洞外控制网对隧道横向贯通误差影响的分析
——以新建歌乐山隧道为例

李 建1，秦岩宾2，孙烨龙3

（1．重庆工程职业技术学院 地质与测绘工程学院，重庆400037；2．成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059；3．成都科远技术有限公司，四川 成都610059）

论述GPS测量技术在新建歌乐山隧道施工控制网复测中的观测、数据处理及达到精度的具体应用，根据隧道洞外控制点复测成果对横向贯通误差进行估计。为GPS测量技术在长大隧道控制测量中应用积累一定的经验，并得出一些有益的结论与建议。

GPS；控制点；横向贯通误差；估计

隧道一般都要穿越高山，地形条件复杂，若采用传统的导线控制测量方法步进工作量大，施测难度大，周期长，而且经过大量的传算点或过渡点施测和计算后，精度难以保证。现代施工控制测量中，GPS由于具有全天候、高精度、定位速度快、定位点间不需通视等特点，已被广泛采用［1］。

新歌乐山隧道位于新建兰渝铁路引入重庆枢纽工程内，位于襄渝线团结村车站至渝怀铁路井口车站之间，全长4 172 m，起讫里程为HDK2＋388～HDK6＋560。该隧道与歌乐山隧道基本平行，近似垂直穿越中梁山脉，地势陡峭，起伏较大，地形复杂，植被丰富，常规测量布网困难，通视条件极差。在该隧道一期工程即将全面开工之前，必须对洞外控制点进行复测，以确保工程质量，为一期工程提供准确、可靠的测量基准。经比选决定采用GPS测量系统进行平面控制网复测。

1 GPS测量方案设计

1．1 作业依据及设备

本次测量主要技术依据为：全球定位系统测量规范与铁路工程建设相关规范［2－6］，新建兰渝铁路引入重庆枢纽工程新歌乐山隧道平面图，新歌乐山隧道平面图进出口场地布置图。

本次测量设备选用了6套中海达V8（GNSS－LR4）动、静态接收机，笔记本电脑1台。GPS接收机在作业前均在仪器检测中心进行了检测，其性能与精度均符合标称平面精度±（5mm＋1×10－6D），满足规范要求。

图1 新歌乐山隧道GPS控制网布设示意图

1．2 复测方案的选择与精度要求

在实际工作中，两洞口控制点选择满足规范要求：每个洞口应布设不少于3个平面控制点，以资校核；控制点应尽量沿洞口连线方向布设，以减少横向贯通误差［7］。

根据新歌乐山隧道走向及隧道洞口控制点布设要求，先在平面图上进行选点并做优化设计，经实地踏勘，确定L10、L11、L12、L13、L14和SNGPS10为复测控制点（见图1）。

GPS控制点选择过程中关于减小多路径效应、周围建筑物高度角、避免大面积水域等要求应符合相应规范［2－6］规定。

控制网复测采用的方法和精度与原测相同，因此，本次控制网复测采用GPS静态定位模式，同步作业图形之间采用边连接构网相结合的方式，平差成果精度满足四等GPS控制网要求。

1．3 已有测量成果评价和利用

为了与第一次的观测成果进行比较，仍以原测控制网三等GPS控制点D33、D34和SNGPS10作为本次复测的起算点（见图1）。该三点源于中铁二院于2009年9月完成的新建兰渝铁路引入重庆枢纽站前代建Ⅰ标GPS平面控制网。

复测前对起算点与复测控制点进行了标石外观检查，各点地质条件较好，点位保存良好，现场踏勘各点通视情况良好，周围无新建高大建筑物与大功率信号发射塔，初步确定可进行控制点复测工作。

1．4 施 测

野外观测时，天线安置严格整平、对中，天线高在观测前后各量测1次，互差均小于1 mm；观测时确保接收机开机和关机时间的同步，及时填写观测手簿；观测过程中，注意数据的接收情况，如卫星高度截止角、有效观测卫星个数、几何精度因子PDOP值、运算历元间隔、有效观测时段长度等。

考虑到长边的电离层影响较大，长基线控制网的观测时间确定为120 min，短基线控制网观测时间确定为60 min。

2 GPS平差计算

新歌乐山隧道GPS内业成果共搜索到最小独立同步环9个，最小独立异步环18个，重复基线边5条。约束平差前对重点进行重复基线较差比较、基线向量的质量检验。对不符合上述限差的闭合环或基线，根据全网的具体情况分析，检查出含有粗差点的基线并及时剔除，必要时进行重测，以确保成果的整体质量。

在各项质量检查符合技术要求后，进行 WGS 84坐标系中的三维无约束平差。在无约束平差中，先检验观测值中误差、单位权中误差、观测值改正数，确定异常观测值，并进行检查和分析，决定弃舍。

最终以D33、D34、SNGPS11为起算点，对控制网进行二维约束平差计算。平差结果精度统计见表1。

表1 平差成果精度统计表

3 洞外控制点对隧道横向贯通误差初步估计

式中：m外为洞外GPS测量引起的横向贯通中误差，m0为GPS点位中误差引起的横向贯通中误差，L为GPS进洞点至隧道贯通面的距离，mα0为GPS基线边方位角中误差，ρ为206265″。

结合控制点现场地形及通视条件可知，新歌乐山隧道进、出洞控制点最不利点分别位于进洞口处的L10和出洞口处的L13，将直接影响贯通面处的横向贯通误差，两点位中误差分别为±2．4 mm和

隧道总的横向贯通误差来源有2个方面，即洞外GPS控制测量和洞内导线测量引起的误差。在工程实践中，常将地下两相向开挖的洞内导线测量误差及洞外GPS测量误差均作为独立因素［8］。

洞外GPS复测误差对隧道贯通的影响包括GPS点的点位中误差和进洞定向基线边的方位角中误差，根据误差传播定律，GPS点的点位中误差和定向边的方位角中误差对进洞导线在贯通面的横向贯通误差影响为［9］±7．2 mm。

定向基线边的方位角中误差，首先影响在进洞控制点处的拨角误差，继而通过进洞控制点到贯通面的“贯通距离”，引起贯通面处的横向贯通中误差。由平差结果得出：进口处后视边最弱方向为L10～D33，其方位角中误差为±2．13″，出口处后视边最弱方向为L13～L12，其方位角中误差为±1．97″。

由于考虑GPS点的点位中误差与进洞定向基线边的方位角中误差均为最不利条件下的中误差值，因此，预计的新歌乐山隧道横向贯通中误差应为最大横向贯通中误差。将贯通面选择在隧道中部，贯通面至隧道进、出口两端的距离为2．084 km，将上述误差带入式（1）得出

采用铁路工程建设控制测量中的相关规范［3－5］判断隧道控制测量对贯通中误差的影响值，具体精度指标如表2所示。

表2 隧道洞外控制测量对贯通测量中误差影响的限值

显然，本次复测控制点横向贯通中误差预计值均小于相应的限差要求。由此可见：新歌乐山隧道GPS控制网复测成果能够满足隧道施工控制精度要求。

4 结束语

GPS由于具有全天候、高精度、定位速度快、定位点间不需通视等优点，已广泛运用于现代公路、铁路隧道、大型水利等工程施工控制测量中。所以采用GPS测量控制的隧道贯通误差的估计方法相比传统的导线控制测量的贯通误差预计的方法更具有应用前景。

使用GPS对隧道施工控制网进行复测，精度高于四等导线的相应精度指标，复测的坐标成果可信，可供比较和施工测量时使用。

联测进洞测量时，应选择边长较长及方位角中误差较小的后视边和合适的进洞控制点，以提高横向贯通的精度。

［1］王劲松，陈正阳，吴堂林，等．GPS地面控制网对横向贯通误差影响的分析［J］．湘潭矿业学院学报，2003，18（3）：76－80．

［2］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．GB／T18314－2009全球定位系统（GPS）测量规范［S］．北京：中国标准出版社，2009．

［3］中国人民共和国铁道部．TB10101－99新建铁路工程测量规范［S］．北京：中国铁道出版社，1999．

［4］中铁二院工程集团有限公司．TB10601－2009，J962－2009高速铁路工程测量规范［S］．北京：中国铁道出版社，2010．

［5］中国有色金属工业协会．GB50026－2007工程测量规范［S］．北京：中国计划出版社，2008．

［6］中国人民共和国铁道部．TB10054－2010铁路工程卫星定位测量规范［S］．北京：中国铁道出版社，2010

［7］谢先武．渝怀铁路歌乐山隧道洞外平面GPS控制测量［J］．铁路航测，2001（3）：44－46．

［8］李青岳，陈永奇．工程测量学［M］．北京：测绘出版社，1993．

［9］张凤举．控制测量学［M］．北京：煤炭工业出版社，1999．

The analysis of influence on lateral error of transfixion in GPS tunnel construction control network——Taking new Geleshan Tunnel in Chongqing as an Example

LI Jian1，QIN Yan－bin2，SUN Ye－long3
（1．Geological Surveying and Mapping Engineering College，Chongqing Vocational Institute of Engineering School，Chongqing 400037，China；2．College of Earth Sciences，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；3．Chengdu Keyuan Technology Co．，Ltd，Chengdu 610059，China）

The article discussed the GPS measurement technology in specific applications of observations，data processing and achieved accuracy on construction control network retest in new Geleshan tunnel．Made preliminary estimation on lateral error of transfixion and feasible conclusions about measurement result．Some experience was accumulated about the role of GPS measurement technology in the long tunnel control measurement and draw some useful conclusions and suggestion．

GPS；control points；lateral error of transfixion；estimation

P228．4

B

1006－7949（2012）03－0071－03

2011－07－26

四川省高等学校博士学科点专项科研基金课题（20105122110006）

李 建（1979－），男，助教，硕士．

［责任编辑刘文霞］