陕西省水利电力勘测设计研究院 西安 710002
摘要：秦岭隧洞施工具有超长、深埋特点，施工布设了椒溪河施工支洞、0#、0-1#、1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#等10个施工支洞以及隧洞出口开挖面。为了保证隧洞各个支洞施工实现精准贯通，必须在地面建立精密平面和高程控制网，指导隧洞洞内施工掘进三维定位、定向。本文阐述了其地面精密平面控制（GPS）网建立的技术方案与实施的主要措施、数据处理后达到的精度等情况，可供类似隧洞工程建立地面GPS网借鉴。
关键词：超长隧洞；贯通；地面GPS网；建立
Abstract: Qinling Mountains tunnel construction with super long, Deep buried characteristics, The construction of the construction of the branch of the river, 0#, 0-1#, 1#, 2#, 3#, 4#, 5#,, 6#, 7#, such as the construction of the tunnel and the tunnel excavation face. In order to ensure the construction of the tunnel to achieve precise penetration, Precision plane and elevation control network must be established on the ground, To guide the construction of tunnel excavation, three-dimensional positioning, orientation. In this paper, the technical scheme and the main measures for the implementation of the ground precision plane control (GPS) network and the precision of the data processing are described, Reference for similar tunnel construction on ground GPS network.
Key word：Super long tunnel Through Ground GPS network Establish
1秦岭隧洞简况
秦岭隧洞是陕西省引汉济渭调水工程的输水工程，横穿秦岭山脉，地跨陕南、关中两区，连接长江、黄河两大流域，隧洞设计长度81.5km。秦岭隧洞最南端开挖面为椒溪河施工支洞，其施工支洞洞底高程约537m；出水口位于秦岭北麓黄池沟内，设计洞底高程510m。秦岭隧洞施工布设了椒溪河施工支洞、0#、0-1#、1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#等10个施工支洞以及隧洞出口开挖面。隧洞施工贯通前建立了地面精密平面和高程控制网，满足洞内施工定位、定向掘进。本文就其地面精密平面控制（GPS）网的优化设计与建立叙述如下。
2 GPS网的优化设计
2.1隧洞施工坐标系的确定
坐标系统坐标轴：如图1所示，以从隧洞进口进洞控制点NGPS01到隧洞出口进洞控制点NGPS20的方向为X方向，以垂直于X轴的方向为Y方向建立右手坐标系，坐标原点选在NGPS20-NGPS01连线的延长线上。参数椭球WGS84，中央子午线108°06′28″，取隧洞进出口平均高程面作为投影面海拔高，即：投影面海拔高525m，投影面大地高495m。
此外，在平面控制网两端联测附近的国家坐标系控制点，以获取施工坐标系与国家坐标系之间的换算关系。
2.2 GPS网的等级与网形
由于秦岭隧洞属超长，因此精密平面控制测量采用分级布网法布设，即：首先在隧洞进出口间按国家B级GPS网要求建立首级GPS控制网。再在此基础上按二等GPS控制网测量要求，建立进出口的洞口子网、支洞子网和各子网的联系网，精度要求与《水电水利工程施工测量规范》（DL/T5173-2003）中二等GPS控制网一致，洞口子网及各洞口联系网边长根据正洞及斜井分布情况而定。
2.3贯通横向误差预计
隧洞施工贯通误差可分为横向、纵向及高程贯通误差三部分，其中横向、纵向贯通误差是由平面测量误差引起的。由于纵向误差影响的是隧洞中线的长度，并不影响对向开挖隧洞的成功对接，因此技术方案主要分析横向贯通误差的成因及其影响值大小。
根据定向边方位中误差、点位中误差按下式进行计算洞外（GPS）横向贯通误差：
洞外GPS控制测量引起的横向贯通误差主要是由进洞定向边方位误差引起的，点位误差引起的横向贯通误差可以忽略不计。隧洞全长虽为81.5km，但由于隧洞贯通掘进布设施工支洞较多，因此，定向边方位误差允许值以两相邻斜井之间相向开挖的要求计算。
综合考虑后确定基线边的方位角中误差应≤1.0"、点位中误差≤10mm。
3 精密平面控制（GPS）网的建立
3.1点位选设特殊技术要求
秦岭隧洞横跨秦岭山脉，各个施工支洞口处地势险峻，地形复杂，控制点的选点、选设点位及造埋标志均非常困难。经实地踏勘，需要在每个支洞口及出口处布设平面控制点，具体布设要求如下：
（1）椒溪河施工支洞口隧洞轴线上与出口隧洞轴线上各布设一个进洞控制点，同时再另埋设三个控制点。
（2）每个支洞口埋设3个平面控制点，其中一个应位于支洞口附近。
（3）各平面控制点之间应通视，条件困难时至少需保证主进洞点与另两个通视点，以保证进洞前检测水平角和边长的要求。
（4）各控制点之间边长不宜小于500m，条件困难时应保证其边长不小于300m。
（5）同一洞口各控制点之间高差不宜太大，最大俯角不宜大于5°。
所有平面控制点应位于视野开阔、交通方便、地基稳定且能长期保持的地方。视线离障碍物不宜小于1.5m，并避免视线通过吸热、散热较快和强磁场干扰的地方。另外，平面控制点选点时综合考虑各点间的通视条件和图形结构，便于施工放样。
3.2 平面控制（GPS）网观测
3.2.1观测计划
GPS观测前应制定详细的星历预报，根据星历预报制定观测计划进度表。所有投入使用的GPS应进行统一的配置，作业员要严格执行技术要求及作业计划。
3.2.2观测基本要求
天线安装需严格对中，每时段观测前后各量取天线高一次，两次较差不大于3mm。
前一时段观测完成后，必须重新整平仪器后方可进行下一时段观测。观测时须按规定的观测手薄要求填写观测手薄，禁止事后凭记忆补填。
3.2.3 仪器选择
本次测量采用标称精度为5mm±1mm/km×D(D为基线长，单位为km)的Leica GX1230双频GPS接收机，投入使用的仪器全部经过专业检定机构的检验，并在检定有效期内。
3.2.4 首级GPS控制网观测
首级平面控制网由秦岭南北端各2个GPS点（其中：每端各1个为隧洞轴线上GPS控制点）组成大地四边形网进行同步观测，GPS点分布于秦岭隧洞的椒溪河支洞口及隧洞出口两端，按照国家B级GPS网技术要求进行观测，测量技术要求：卫星截止高度角10°,同时观测有效卫星数≥4，有效观测卫星总数≥20,观测时段数≥3,时段长度23h,采样间隔30s。
3.2.5 二等GPS控制网观测
二等GPS控制网观测时必须以边联或网联方式构网，且同步观测的GPS接收机数不少于4台。二等GPS控制网观测基本技术要求：卫星截止高度角15°，有效卫星总数≥5，观测时段数2，时段长度≥120min，采样间隔15s，GDOP≤8。
3.3 平面控制（GPS）网数据处理及精度统计
3.3.1 首级（B级）网基线解算
隧洞进出口间长基线解算使用美国麻省理工学院的GAMIT软件。长基线解算质量检核包含外业数据预处理及精处理两部分。
（1）数据预处理时质量检核：其重复观测的基线长度较差、异步环坐标分量闭合差和环线全长闭合差、三边同步环坐标分量和环线全长闭合差均符合规范限差要求。
（2）基线精处理采用基准站技术，GPS连续运行站＋测区观测数据，采用Auto Clean周跳自动修复技术进行周跳剔除与修复，以获取精确的基线解算结果，基线精处理时主要参数设置如下：
a) 卫星轨道：采用IGS精密星历，轨道固定；
b) 解算模式：采用LC-AUTCLN观测值，用BASELINE解法求解作为基线结果；
c)天顶方向对流层延迟参数估计：对流层延迟是作为待定参数解算，每2小时估计一个参数；
d)坐标约束：固定IGS站中的北京BJFS、昆明KUNM、武汉WUHN、拉萨LHAS站；
(3)采用最终精密星历进行基线处理后，同一基线和其各分量不同时段的较差、独立闭合环坐标分量闭合差均符合规范限差要求。
3.3.2二等GPS控制网基线解算
采用随机商用软件LEICA Geo Office 6.0版进行基线解算，广播星历。基线质量检验标准如下：
（1）同一时段观测值的数据剔除率不大于10%；
（2）重复观测的基线长度较差、三边同步环的坐标分量与环线全长相对闭合差、异步环坐标分量闭合差和环线全长闭合差均在规范限差要求以内。
3.3.3 平差计算与精度统计
基线解算合格后，采用全部基线向量参与平差计算，平差计算采用武汉大学研制的GPS网平差软件cosa GPS5.2版本。
首级（B级）GPS网平差在ITRF2005参考框架中进行，固定WUHN站的2011年第070天的ITRF2005框架坐标，平差计算后得到首级控制网三维坐标；以北京BJFS、昆明KUNM、武汉WUHN、拉萨LHAS站的ITRF05框架坐标作为平差起算点，根据施测时间指定参考历元，平差计算后得到首级控制网三维坐标。
二等GPS网平差时，固定首级GPS网中NGPS001、NGPS202等2个点的三维坐标，进行三维约束平差，最后进行二维约束平差（固定NGPS001点、NGPS020点）。
采用COSAGPS5.2版软件进行平差计算时，平差后指标统计情况如下：
1）在无约束平差中，基线向量的改正数绝对值均不大于3 。
2）在无约束平差结果满足软件质量要求及相应的规范、规程要求后，在施工平面控制网的坐标系下进行二维约束平差，平差方式采用单点、单方向约束方法，约束平差中基线向量的改正数与无约束平差结果的同名基线相应改正数的较差均不超过2 。
3）在网平差后控制网的点位中误差（M）均满足≤10mm的要求，首级与二等GPS网的点位中误差统计如下表1所示。
这两条短边均不是定向进洞边，而且对保持控制网网型有利，因此平差时予以保留。除此两条短边之外，最弱边（NGPS001～NGPS002）边长为356.9871 m，MA=0.69″，最弱边相对精度1/297000。
4结束语
4.1秦岭隧洞施工贯通地面GOS网施测采用科学可靠、经济合理的技术方案，外业测量各个工序质量控制与检验措施得力，保证了GPS网测量成果的可靠性，准确地指导了隧洞施工掘进，截止撰写本文时，已有椒溪河施工支洞、0#、0-1#、1#、2#、3#及5#、6#等7个施工支洞顺利实现精准贯通。
4.2由于3#斜井距离6#斜井距离达48 km，目前尚无规范和现在经验可供参考和借鉴，因此建议对洞内外联系测量、洞内控制测量方案研究进行专项研究，如洞内布设双导线网、采用陀螺定向等，同时应对洞内控制测量技术方案组织专家评审，集思广益，确保方案万无一失。
论文作者:齐博
论文发表刊物:《基层建设》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/14
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