引汉济渭工程黄三隧洞施工贯通地面GPS网的建立与效果分析

王宁（陕西省水利电力勘测设计研究院测绘分院陕西西安710002）

引汉济渭工程黄三隧洞施工贯通地面GPS网的建立与效果分析

王宁
（陕西省水利电力勘测设计研究院测绘分院陕西西安710002）

本文以引汉济渭工程黄三黄金峡水库至三河口水库隧洞施工贯通地面GPS网的建立为例，探讨了地面GPS控制网等级与坐标系基准的选取、洞口地面控制点布设数量和位置确定、网形组成与建造墩标、观测与数据处理等主要确定过程，再进行精度统计，分析了验证实施效果的可靠性，以期为类似案例提供借鉴。

黄三输水隧洞；地面GPS网；效果分析

1　概况

黄三输水隧洞是将黄金峡水库的汉江水输送到三河口水库汇流池，该隧洞全长16.8km，隧洞地处秦岭腹地深山地域。隧洞施工除在进、出口两端相向开挖掘进之外，同时还在洞身中间布设了4个施工支洞增加开挖面；为了保证输水隧洞施工的准确贯通，施工开工前，需在每一个开挖洞口（进出口、支洞口）附近设立固定的平面控制点和高程控制点，建立洞外施工贯通测量GPS和高程控制网，为进洞施工确定中线掘进方向和高程放样提供基准值。

2　技术方案与建网观测

2.1GPS控制网等级

黄金峡水利枢纽工程坝后左岸紧近黄三隧洞进口端，黄三隧洞4#支洞位于三河口水利枢纽工程大坝下游右岸，这两座大型水利枢纽工程大坝均属于混凝土建筑物，按照《水利水电工程施工测量规范》SL197-2015首级平面控制网等级适用范围的规定，其首级平面控制网等级应取二等；黄三隧洞支洞间相向开挖长度为5km～10km，其地面控制网等级也可取二等；而黄金峡和三河口水利枢纽首级平面控制网点可以兼做黄三隧洞进口与4#支洞进洞控制点使用，因此，黄三隧洞施工贯通地面控制与黄金峡、三河口水利枢纽工程首级平面控制网统一布设为整体网、等级统一选取二等。

2.2地面GPS网坐标系的选取

鉴于引汉济渭调水工程秦岭隧洞已先期建立地面施工控制网，为了方便黄三隧洞4#施工支洞与秦岭隧洞椒溪河施工支洞施工贯通洞内连接，黄三隧洞地面GPS控制网采用的坐标系统与秦岭隧洞地面GPS控制网的坐标系统相一致，即：WGS84椭球体下的独立施工坐标系统，中央子午线108°06′28″，投影面1985国家高程基准的高程525m，投影面大地高495m。

2.3地面GPS网布设

根据引汉济渭调水工程总平面布置图与设计报告，经实地查勘黄三隧洞各个施工支洞口、黄金峡与三河口水库坝区地形地貌特征，地面GPS网布设采用分级布网方式，即：黄三隧洞的进口端2个点、4#施工支洞口（三河口水库坝区）1个点，与秦岭隧洞的椒溪河支洞、4#支洞、出口端各1个点，并联测拉萨（LHAS）、武汉（WUHN）、西安（XIAN）、昆明（KMIN）等4个GPS连续运行参考站构成B 级GPS网观测，作为基础网；再在此基础网上将黄三隧洞施工支洞口、黄金峡与三河口坝区布设的平面控制点组成二等GPS网统一观测，同时分别联测黄金峡、三河口设计阶段留设的2个平面固定点，作为黄三隧洞施工贯通地面GPS控制网。

2.4点位选取与墩标建造

2.4.1点位选设的基本要求

点位应选在土质坚硬与稳定（目的防止位移）、便于长期保存（不易破坏）的地方；洞外平面控制网应沿两洞口连线方向布设成多边形组合图形，构成闭合检核条件；采用GPS观测方案时，控制点应布设在顶空星况（不可忽视隐蔽、遮挡）开阔，通视良好的地方，避免GPS多路径效应的影响（如：无线塔、高压塔与线、大面积水面、强反光建筑物）。

2.4.2点位选取需要综合考虑的因素

2.4.2.1主进洞点位置的确定

隧洞施工贯通洞外控制布网前，选点人员到达隧洞进出口、支洞口时，首先要根据设计图纸或设计坐标现场标定洞口位置。只有洞口位置标定后，才能结合现场地形地貌特征选取洞口控制点点。洞口附近控制点选设需要综合考虑的因素有以下3点：

（1）选设洞口控制点时，必须满足至少有1个控制点（即：主进洞点）直接看到洞口位置。

（2）主进洞点尽可能选在距洞口200m～300m的位置，主进洞点与进洞方向点之间距离尽可能控制在300m～600m。这是因为：洞内控制测量只有布设为导线形式，采用全站仪观测水平角和边长，由于水工隧洞都是单隧洞，洞内通风条件差、湿度大，全站仪在洞内测距长度一般在200m～300m，特别是洞内贯通控制遇到施工干扰灰尘大、洞径小的作业环境时，洞内全站仪测距长度只能达到200m左右。如图1所示。当洞外GPS控制点边长小于300m时，GPS测量精度较低（因为GPS接收机精度5mm+1ppm）；当洞外GPS控制点边长超过600m时，在进洞点设站进行水平角观测，前后视方向为长短边，观测员照准目标要调焦，这样，测角精度会降低。

图1　进洞导线布设图

（3）洞口GPS控制点尽量布设在与隧洞洞口位置处于同一高程面上，可消除或减弱垂线偏差对进洞定向方向观测精度的影响。

2.4.2.2洞口控制点布设数量的确定

从洞口GPS控制点向洞内引测导线时，必须确认控制点稳定后方可向洞内引测传递坐标，因此，向洞内引测控制时，应在主进洞点架设全站仪检测水平角和距离。

（1）当洞口布设3个点时，检测结果会出现以下两种情况：

1）第一种情况：如图2所示，JD1作为进洞点，JD2、JD3是后视方向点，布设洞内导线前应在该测站检测洞外控制点的稳定性，即应设站观测β1和S1、S2。

图2　进洞设站检测2方向关系图

a）当△β=β1-β0≤2mβ

△S1=S1-S01≤2mS，△S2=S2-S02≤2mS时，说明进洞口的洞外3个控制点稳定，可以作为起始点引测洞内导线。

b）当△β＞2mβ，△S1＞2mS，△S2＞2mS时，应分析进洞口的洞外3个控制点的稳定性，可能至少有1个点位移或不稳定，这时就不好判断哪个哪个点发生位移（移动了）。

2）第二种情况是，如果进洞口的洞外这三个点之中有任一个控制点破坏时，进洞前就无法检测洞口控制点的水平角。

（2）当洞口布设4个点时，如图3所示，JD1作为进洞点，JD2、JD3、JD4是后视方向点，洞内导线测量前，在该测站JD1检测洞外控制点的稳定性，即可设站观测β1、β1和S1、S2、S3。

a）如果检测△β1＞2mβ或△β2＞2 mβ时，说明JD2、JD3、JD4之中有一个点发生了位移，检测β1、β2就能发现哪个点动了（发生位移）。

图3　进洞设站检测3方向点关系图

b）如果检测△β1、△β2都＞2mβ，就要看JD1是否发生位移；

这时，必须在JD2设站检测JD3、JD1、JD4之间的角度，验证JD1的稳定性。这也是我们选点时，要求JD1至JD2、JD3、JD4必须通视，也要尽可能保证JD2至JD3、JD4通视的原因。

虽然规范要求建立隧洞（道）施工贯通洞外控制测量时，每个洞口布设平面控制点不少于3个，但从上述分析可以看出：最可靠的布点方案是每个洞口布设平面控制点数量应为4个。因此，在黄三隧洞1#、2#、3#支洞口各布设4个点；进口紧邻黄金峡水库大坝下游、4#支洞口紧邻三河口水库混凝土双曲拱坝下游，布设2个枢纽的控制点时，兼顾隧洞进口与4#支洞口进洞控制点位需要。

2.4.2.3GPS点墩标建造

在黄金峡水库枢纽、三河口水库枢纽、1#、2#、3#支洞口所选设的GPS点全部建造混凝土观测墩，安置强制对中基座，这样不仅保障测量仪器在施工控制网的观测过程中始终处于稳定状态，消除光学基座的对中误差，而且是提高观测成果的精度和可靠性的保障。

2.5地面GPS网的观测

GPS网使用6台Trimble R8-3型GPS接收机静态模式观测。B级GPS网外业观测3个时段，每个时段观测长度23.5h，数据采样间隔30s；C级GPS网外业观测2个时段，每个时段观测长度2h，数据采样间隔15s。

3　数据处理与精度统计分析

3.1B级网

B级GPS网数据处理采用美国麻省理工学院的GAMIT/GLOBK软件。外业观测完成后，收集4个GPS连续运行参考站的数据，进行数据预处理；再进行GPS基线解算，由检测点同步环Nrms统计值均小于0.23周说明基线解算时周跳基本剔除干净，基线重复性统计知：基线X分量的重复性平均值为±2.6mm，最大值为±6.3mm；基线Y分量的重复性平均值为±1.0mm，最大值为±1.9mm；基线Z分量的重复性平均值为±5.8mm，最大值为±10.9mm；基线长度的重复性平均值为±2.5mm，最大值为±6.4mm。

约束LHAS、WUHN、XIAA、KMIN等4个连续运行站，做三维约束平差，求出B级网点坐标。其空间坐标精度为：X分量的中误差平均值为±1.6mm，最大值为±2.1mm；Y分量的中误差平均值为±3.5mm，最大值为±4.5mm；Z分量的中误差平均值为± 2.4mm，最大值为±3.0mm。B级GPS网点南北分量的中误差平均值为±0.9mm，最大值为± 1.0mm；东西分量的中误差平均值为±1.1mm，最大值为±1.3mm；高程分量的中误差平均值为±4.4mm，最大值为±5.6mm。

3.1.3联测秦岭隧洞施工地面GPS控制点坐标与原值比较均小于±10.mm。

3.2二等网

二等GPS网数据处理采用Trimble Business Center（V2.2）GNSS数据处理软件。共统计重复基线66条，重复基线长度较差最小为0.05mm，最大为10.51mm（限差14.4mm），平均值为3.58mm；共统计三边同步环43个，同步环全长相对闭合差最小为0.04ppm，最大为2.81ppm（限差3.0ppm），平均值为1.15 ppm；共统计异步环33个，异步环全长相对闭合差最小为0.21ppm，最大为8.63ppm（限差10.0ppm），平均值为2.22 ppm。

采用TBC软件在WGS84坐标系下进行三维无约束平差，再固定HSP01、HSP19等两个独立坐标系的坐标进行约束平差，平差后最弱点位中误差为±5.6mm，优于规范允许值±10.0mm的精度要求。

4　结语

黄三隧洞施工贯通地面GPS控制网的等级、坐标系基准、洞口控制点的布设数量和位置、网形构成等关键技术方案，结合工程特点的论证确定体现了科学严谨、经济合理的基本原则，是隧洞施工精准贯通的地面GPS网建立的可靠保障。

观测数据质量控制准确，最终平差成果精度优于规范要求，满足黄三隧洞施工进洞开挖掘进定向的精度要求。陕西水利

（责任编辑：唐红云）

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