毕业论文GPS技术用于特长隧道控制网建立的应用探讨.docx

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毕业论文GPS技术用于特长隧道控制网建立的应用探讨

目　　录

中文摘要

英文摘要

1　概述6

2　GPS的原理及其特点8

2.1　GPS的组成部分8

2.1.1　空间部分9

2.1.2　地面监控部分9

2.1.3　用户部分10

2.2　GPS的定位原理10

2.3　GPS全球定位系统的优点11

3　GPS在隧道控制测量中的应用12

3.1隧道控制测量特性12

3.1.1　隧道分类及其控制测量精度要求12

3.1.2　长大隧道控制测量网建网的基本要求14

3.2　GPS应用于长大隧道控制测量15

3.2.1　GPS应用于长大隧道控制网的基本要求15

3.2.2　GPS在特长隧道控制网建立中的应用19

3.2.3　GPS控制网布网19

3.2.4　野外观测22

3.2.5　GPS控制网数据处理26

4　实例分析GPS用于特长隧道控制测量的方法及精度27

4.1　雪峰山特长隧道平面控制测量基准的建立27

4.1.1　工程概况27

4.1.2　工程测量基准的建立27

5　GPS用于特长隧道控制测量存在的问题及解决方法30

5.1GPS应用于隧道工程中存在的问题30

5.2　解决GPS控制点间不通视的方法30

5.2.1　概述30

5.2.2　全站仪自由设站法测量原理31

5.2.3　全站仪自由设站法总结32

结束语33

致　　谢34

参考文献35

GPS技术用于特长隧道控制网建立的应用探讨

摘　　要

GPS（全球定位系统）是信息产业技术时代的新兴科技产物。

它具备精度高、测量准确、速度快，效率高等实用性特点，并被广泛应用在诸多产业化研究领域，如国防军事、工程测绘，大地测量，隧道工程等。

基于GPS测量法建立的施工测量控制网具有精度高、布网方便等优点，GPS系统应用在隧道测量作业中，它的优势发挥彰显无遗。

并且随着国家各领域科研事业的技术成果的不断完善，诸如一些高等级、高程长大隧道也就越多，用传统常规的测量方法已经很难满足其测量需求了，而GPS自由的优势及测量特点的发挥，已经使得它广泛使用在公路、铁路等交通事业领域中。

而像一些国家重点隧道工程显然早已应用了GPS系统，如秦岭隧道、军都山隧道、云台山隧道等工程中都运用了GPS系统中的强大测量技术，为国家与社会带来了巨大社会效益与投资价值。

由于隧道工程一般处在山区，山上树木较多、地形相对复杂、无论是通视还是行走都不方便。

隧道口的控制点至少两点通视的要求很难实现，所以需要制定出解决控制点间不通视的方案。

关键词　　GPS／全球定位系统／特长隧道／控制测量

APPLICATIONOFGPSTECHNOLOGY

FORLONGTUNNELCONTROL

NETWOREESTABLISHED

ABSTRACT

GPS（GlobalPositioningSystem）isanemergingtechnologyproductoftheeraofindustrialtechnology.Ithashighprecision，measurementaccuracy，speed，andefficiencyofpracticalfeatures，andiswidelyusedinmanyindustrialresearchareas，suchasnationaldefense，engineering，surveyingandmapping，geodesy，tunnelengineering.BasedonGPSmeasurementstoestablishtheconstructionsurveycontrolnetworkhastheadvantagesofhighprecision，thedistributionnetworkconvenient，GPSsystemsusedinthetunnelmeasurementoperation，itsadvantagesdaylight.Withtheconstantimprovementoftheresultsofthenationalscientificresearchinstitutionsinthefieldoftechnology，suchashigh-grade，elevationlongtunnelthemoreconventionalmeasurementmethodshasbeendifficulttomeetthemeasurementneeds，andtheadvantagesofGPSfreedomandmeasuringcharacteristicsoftheplay，hasalreadymadeitwidelyisgoodenoughinthefieldofroads，railwaysandothertransportundertakings.AssomenationalkeytunnelprojectapparentlyhaslongbeenappliedinGPSsystem，QinlingTunnel，themilitaryareCairnTunnel，YuntaishantunnelprojecttheuseofthepowerfulmeasurementtechnologyintheGPSsystem，broughttremendoussocialbenefitsforthestateandsocietyandinvestmentvalue.Thetunnelprojectgenerallyinthemountains，moretreesinthemountains，theterrainisrelativelycomplex，bothofsightorwalkingisnotveryconvenient.Thecontrolpointsofthemouthofthetunnelatleasttwopointspass，astherequirementsaredifficulttoachieve，soitisnecessarytodevelopaprogramtosolvethecontrolpointscannotbeviewed.

KEYWORDS　GPS，GlobalPositioningSystem，LongTunnel，controlmeasurement

1　概述

隧道是一种修建在地下，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通行的工程建筑物。

OECD（国际经济合作与发展组织）1970年隧道会议综合各种因素对隧道所下的定义：

“以某种用途、在地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑的断面积大于2m2的洞室。

”都称为隧道。

在近代，隧道兴起于十七世纪的运河时代，从这一时期起，欧洲陆续修建了许多运河隧道。

1820年前后，随着铁路运输的兴起，英国、法国等欧洲，然后是美国和明治维新后的日本先后开始修建铁路隧道。

在19世纪60年代以前，修建的隧道都用人工凿孔和黑火药爆破方法施工。

1861年修建穿越阿尔卑斯山脉的仙尼斯峰铁路隧道时，首次应用风动凿岩机代替人工凿孔。

1867年修建美国胡萨克铁路隧道时，开始采用硝化甘油炸药代替黑火药，使隧道施工技术及速度得到进一步发展。

在20世纪初期，欧洲和北美洲一些国家铁路形成铁路网，建成的5公里以上长隧道有20座。

20世纪60年代以来，隧道机械化施工水平有很大提高，全断面液压凿岩台车和其他大型施工机具相继用于隧道施工。

其后，喷锚技术的发展和新奥法的应用更是为隧道工程开辟了新的途径，而隧道掘进机的采用则彻底改变了隧道开挖的钻爆方式。

根据2000年的数据的统计，世界隧道主要分布在中国、日本、意大利、法国、美国、英国、挪威、瑞士、德国、奥地利和加拿大等国家，其中，有超过总长1/3的隧道是本世纪五十年代后在中国和日本的铁路线上建成的。

日本在20世纪70年代末之前共建成5公里以上的长隧道达60座，为当时世界上铁路长隧道最多的国家，1981年建成的长22228米的大清水双线隧道，为当时世界最长的山岭铁路隧道；其后建成的长53850米的青函海底隧道为当今世界最长的海底铁路隧道。

我们国家第一条铁路隧道是1890年建成的台湾狮球岭隧道，1903年建成第一座长度超过3Km的兴安岭隧道。

截止2003年年底的统计资料表明，中国大陆上已建成的铁路隧道有7400余座；公路隧道1970余座。

在“十五”期间，我国铁路、公路、水利等领域将建造总长超过3000km的隧道工程，其中长度大于10km的隧道约占10%。

因此，中国是当前世界上隧道工程最多、最复杂、也将是今后发展最快的国家。

在我国，大陆山岭隧道施工大致经历了上个世纪五十年代以前的以钢钎、铁锤和人力斗车为代表的“人力开挖时代”；六、七十年代以手持风钻、风动装岩机和电瓶机车、斗式矿车为代表的“小型机械化施工时代”。

1956前后建设的2km长的宝成铁路秦岭隧道施工中首次使用风动凿岩机和轨道行式矿车，是中国大陆隧道施工由“人力开挖”过渡到“机械开挖”时代的标志。

1970年前后成昆铁路大于6km的关村坝等长隧道施工中采用轻型“小型机械化”，创造了“百米成洞”，标志着中国大陆隧道建设进入了“机械化时代”。

八十年代修建长14.295km的大瑶山双线隧道，采用了进口液压凿岩台车、履带或轮式装载机、轨行式扒装机和大型运输汽车、组合列车等型机具综合机械化施工，标志着中国隧道“大型机械化作业时代”的开端。

大瑶山隧道的修建缩短了中国隧道同国际隧道先进施工水平的差距。

在此以后修建的长大隧道基本上都按照“大瑶山模式”进行施工，且在南昆铁路长9388m米的花岭隧道施工中创造了单口月成洞502.2m的山岭隧道施工记录。

以九十年代西康铁路秦岭1号线隧道采用大型全断面隧道掘进机（TBM）为代表，我国隧道建设步入了现代隧道修建技术阶段。

秦岭隧道1号线采用8.8m直径的全断面掘进机创造了单口平均月进度312m，最高月进尺528m，单口最高日进尺40.5m的掘进记录。

秦岭1号隧道的成功改变了中国大陆长大山岭隧道施工中采用钻爆法为唯一手段的施工现状，标志着我国隧道建设进入了“现代隧道修建技术时代”。

目前，山岭隧道和其他地下工程是人类向自然界要空间、进行资源开发的主要方向之一，“上天入地”是人类向立体空间发展的必然趋势。

21世纪世界隧道与地下空间的开发必将出现大量的长大隧道工程。

中国是一个多山的国家，高速、准高速铁路、公路的发展和建设是中国21世纪的特色；21世纪的中国必然将出现大量的隧道工程，长大隧道的建设势在必行。

长大隧道的修建给我们带来了无限的机遇和挑战，为能更好地适应当前隧道施工技术的发展，提高我局长大隧道施工技术水平，以便在今后的长大隧道施工中能更好地、全面开发和应用新原理、新技术、新设备、新方法、新工艺、新材料，迎接21世纪山岭隧道大发展的到来，深入了解当前国内外长大隧道施工技术现状，把握国内外长大隧道施工技术发展是十分必要的。

再来了解下GPS，GPS（卫星全球定位系统）全称为授时与测距导航系统／全球定位系统（NavigationSystemTimingandRanging／GlobalPositioningSystem—NAVSTAR／GPS），是一种利用接受GPS卫星信号实现授时、导航与测地的高新技术，它具有全天候作业，观测操作简便、测点布设自由度高、观测及数据处理自动化程度高、定位精度高，可同时结算提供三维坐标等特点，对传统目视型测量工作而言，是一种重大的变革。

目前GPS系统在理论、技术、设备方面已基本成熟，在测绘各领域得到广泛的应用。

隧道工程的山上树木较多、地形相对复杂、无论是通视还是行走都不方便。

为了此工程的前期设计以及后期的施工方便．首先需要建立出首级的控制网。

在前期的设计当中。

考虑到通视、行走、工期等各方面的原因影响着施工进度，另外。

为了提高施工的测量精度，特长隧道工程必定采用GPS测量技术。

特别是在特长隧道工程这种大型工程中，GPS对控制测量的优势得到了充分体现。

本文就是结合GPS技术特点，简单介绍GPS技术用于特长隧道控制网建立方法、精度及其问题分析。

2　GPS的原理及其特点

2.1　GPS的组成部分

GPS（全球卫星定位系统）主要是由空间部分、地面监控部分和用户设备部分三部分组成，如图2-1所示：

图2-1　GPS组成示意图

2.1.1　空间部分

GPS（全球卫星定位系统）的空间部分包括工作卫星和备份卫星，其中工作卫星24颗，备份卫星4颗。

工作卫星位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。

4颗备份卫星在轨运行。

GPS卫星发出两组电码，一组称为C/A码（Coarse/AcquisitionCode11023MHz），另一组称为P码（ProciseCode10123MHz），P码因频率较高，不易受外界干扰，定位精度高，因此，受美国军方管制，并且设有密码，一般民间无法解读。

主要为美国军方服务。

C/A码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。

卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形。

从而，就提供了在时间上的连续的全球导航功能。

2.1.2　地面监控部分

GPS地面控制部分由主控站（1个）、全球监测站（5个）和地面控制站（3个）组成。

主控站是从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后，将结果传送到3个地面控制站。

监测站都配装有精密的铯钟及能够连续测量到所有可见卫星的接受机。

监测站将获得的卫星观测数据，其中包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。

地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据和主控站指令注入到卫星。

这样注入对每颗GPS卫星每天一次，并在卫星注入站作用范围之前进行最后的注入。

如果某一地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。

在导航定位中，GPS卫星就是一个动态已知点。

GPS卫星的位置是依据卫星发射的星历和描述卫星运动及其轨道的参数综合算得的。

GPS卫星发射的星历，是由地面监控系统提供的。

GPS卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都是地面监控设备进行监测和控制。

地面监控部分的另一重要作用是保持各颗GPS卫星都处在同一时间标准—GPS时间系统。

地面站监测各颗卫星的时间，求出每颗GPS卫星的钟差。

然后，由地面注入站发给GPS卫星，卫星再经导航电文发给用户设备部分。

2.1.3　用户部分

用户部分由用户和GPS接收机等仪器设备组成。

GPS接收机的主要功能是能够捕获到在一定卫星截止角中的待测卫星，并且跟踪这些卫星的运作。

GPS接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可根据测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调计算出GPS卫星轨道参数等数据。

再根据这些数据，接收机中的微处理计算机计算出用户所在地理位置的经纬度、速度、时间、高度等信息，其中，微处理计算机按定位解算方法进行定位计算的。

机内软件和接收机硬件以及GPS数据的后处理软件包等构成了GPS用户设备。

接收机的组成结构是由天线单元和接收单元两部分组成的。

GPS接收机大都采用机外和机内两种直流电源。

其中，设置机内电源的目的是在更换外电源时不中断连续观测。

在用机外电源时，机内电池自动充电。

接收机在关机后，是由机内电池为RAM存储器供电的，用来防止数据的丢失。

2.2　GPS的定位原理

GPS定位的原理是根据测量中的距离交会定点原理实现的。

如图2-2所示，在待测点Q设置GPS接收机。

在某一时刻同时接收到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）Q点的三维坐标。

［7］

图2-2　GPS定位原理图

2.3　GPS全球定位系统的优点

传统的测量办法，建立隧道施工控制网通常采用三角测量方法，近几年来又采用精密导线法。

但是，这些常规方法受到通视条件、图形条件、地形条件等诸多因素的影响。

所以，控制网在选点布网及观测等诸多过程中受到限制。

然而，隧道一般在丘陵山区，其地形复杂，采用常规测量办法其难度不难想象。

而GPS建立隧道控制网时，由于GPS观测不受通视条件限制其网形也不像常规控制网要求的那么严格，故在隧道测量中采用GPS测量是一种有效的办法。

GPS全球定位系统在控制测量中的应用，有下面几个优点：

（1）观测站之间不需要通视。

这就减少了测量工作中的经费和时间问题，同时也使点位的选择变得十分灵活。

（2）定位精度高。

在小于50km的基线上，其相对精度可以达到1PPm一2PPm，随着基线的加长，其定位相对精度就越高。

这样的精度是一般测量手段很难达到的。

（3）观测时间短。

目前，利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般1～3h。

为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展的短基线（不超20km）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。

（4）GPS操作简便，重量轻，体积小。

这就为经典测量体系中观测程序复杂、仪器笨重等不利条件提供了解决办法，使得测量人员在很大程度上减轻了劳动强度。

（5）GPS能全天候作业。

GPS在任何地点、任何时间均可以连续观测，一般不受天气条件限制。

（6）GPS观测成果同时提供了三维坐标CGPS在精确提供测站点的平面位置的同时，可以精确测定测站点的大地高程。

这就为研究大地水准面的形状和地面点的高程开辟了新途径。

总的来说，GPS系统应用在隧道测量作业中。

它的优势发挥彰显无遗。

并且随着国家各领域科研事业的技术成果的不断完善，诸如一些高等级、高程长大隧道也就越多，用传统常规的测量方法已经很难满足其测量需求了，而GPS自由的优势及测量特点的发挥，已经使得它广泛受用在公路、铁路等交通事业领域中问。

而像一些国家重点隧道工程显然早已应用了GPS系统，如秦岭隧道、军都山隧道、云台山隧道等工程中都运用了GPS系统中的强大测量技术，为国家与社会带来了巨大社会效益与投资价值。

［12］

3　GPS在隧道控制测量中的应用

3.1隧道控制测量特性

随着社会的发展，目前的交通状况已经不能满足社会发展的需要。

交通路线贯穿全国适各地，随着我国道路建设的发展，出现了各种各样的隧道工程，例如：

公路隧道、铁路隧道、海底隧道等。

本节将重点介绍隧道分类及其控制测量精度要求，长大隧道控制测量网建网的基本要求。

根据隧道工程的特点，如何建立控制网等问题。

3.1.1　隧道分类及其控制测量精度要求

根据习惯，短隧道就是通常单座隧道长度小于500延长米的隧道；中长隧道是在500～3000延长米的隧道；长隧道是定义在3000～10000延长米的隧道；隧道在10000延长米以上的隧道，称之为特长隧道。

在铁路上，通常把单座隧道两端洞门之间长度在5000m以上的称之为长大隧道。

由于施工测量放样都是建立在控制测量成果基础之上，所以，控制测量的质量对长大隧道的中线，贯通误差以及高程控制起着举足轻重的作用。

隧道长度在3000m以下的隧道，由于其相向掘进距离有限，隧道施工单位所配置的仪器标准精度：

测量角度优于J2级，测距精度不低于5mm＋5ppm；高程控制测量，水准仪基本按DS3至DS1级精度配置。

所以，按照传统的测量方式的规范测量，保证隧道测量误差小于允许偏差较容易实现。

而如何合理地减小隧道横向及高程贯通误差、提高长大隧道的测量控制精度、保障洞口内外的准确接线，与此同时，有效的减少施工环境对作业效率和精度的影响，一直是隧道控制测量工作者努力探寻的目的。

为了利于科学地进行隧道测量优化设计，同时保证贯通误差不致影响建筑净空及平纵面线路设计参数，目前测量仪器装备现状及各类隧道根据工艺结构精度的需要，工程测量规范针对隧道贯通误差作如下规定，见表3-1、表3-2、表3-3。

表3-1　新建铁路贯通误差的限差

两开挖口间长度／km

﹤4

4-8

8-10

10-13

13-17

17-20

横向贯通误差／mm

100

150

200

300

400

500

横向贯通中误差／mm

50

75

100

150

200

250

高程贯通限差／中误差

50／25

表3-2　公路隧道贯通误差的限差

两开挖口间长度／km

﹤3

3-6

﹥6

横向贯通误差／mm

150

200

300

横向贯通中误差／mm

75

100

150

高程贯通限差／中误差

70／35

表3-3　城市地铁轻轨交通隧道贯通误差的限差

两开挖洞口间长度／km

﹤3

横向贯通限差／mm

﹤100

横向贯通中误差／mm

﹤50

高程贯通限差／中误差

﹤50／25

《新建铁路工程测量规范－TB10101-99》规定曲线隧道长度大于500m，直线隧道长度大于1000m，应根据横向贯通精度要求进行隧道平面控制测量设计；隧道两相邻两开挖洞口之间（斜井口、包括横洞口）的高程路线长度大于500m，并且，应根据高程贯通精度的具体要求，进行隧道高程控制测量的设计。

《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》（铁建设［2006］189号）为了确保相向施工开挖的隧道按精度要求正确贯通，规定，在隧道长度大于1500m时，应根据隧道横向贯通精度，再进行隧道平面控制测量的设计；隧道两相邻的开挖洞口（包括斜井口、横洞口）间的高程路线长度大于12000m时，按照规范，应根据隧道高程贯通精度的具体要求，进行隧道高程控制测量的设计。

所以，长大隧道不论用作何种用途，在进行控制测量的基本原理和方法上都是大同小异，但具体实施的方法和手段却不尽相同。

在隧道横向、纵向、高程和方向的四项贯通误差中，高程和横向贯通误差对隧道结构及使用功能的具有很大的影响，所以在表3-1、3-2、3-3中，均主要以高程和横向贯通误差作为衡量隧道控制测量精度是否满足隧道施工质量要求的重要指标。

3.1.2　长大隧道控制测量网建网的基本要求

长大隧道同普通隧道相比，其建筑的地域环境一般较为特殊，或穿越地貌极为复杂的崇山峻岭、建筑屏障，或是从水下逾越宽阔的海峡湖滩。

为实现路线的准确衔接，就必须给隧道建立一准确且可靠的测量控制网以指导其中线、高度的施工控制，同时还要保证内部结构能正确地按照设计的位置建造完成。

为达到上述目的，长大隧道控制测量网建网的基本要求：

（1）应有确定统一的坐标基准（起算坐标及其坐标系统），方位基准（起算方位），长度基准（边长投影参照面，长度的计量单位）。

控制网应控制全隧道（包括辅助坑道）的长度和方向、高程。

这样确立的坐标系统，能保证整座隧道的测量工作约束于同一个测量基准中，减少错误发生的概率。

（2）控制网应与隧道所处的线路设计位置建立有确定的关系（边角实测连接或对应确定的几何计算关系）。

（3）布设依然遵循先整体后局部原则，但主网与局部子网（插网、辅助洞口附网）观测及计算精度要求应一致。

应优先采用主网与子网统一联合平差，有特殊原因时才考虑主、子网分离单独平差，此时子网附合于主网的合适控制点、边上，将主网附合控制点视作无误差的已知固定点。

（