铁路隧道洞外控制测量方法设计_毕业设计

铁路隧道洞外控制测量方法设计_毕业设计 兰州交通大学毕业设计 XX铁路隧道洞外控制测量方法设计 摘要 铁路隧道测量的目是保证隧道相向开挖时能按规定的精度正确的贯通，并使各项建筑物按设计位置修建。隧道测量的主要内容包括洞外、洞内施工控制测量、隧道贯通误差的测定及调整、辅助坑道的测量。 作为指导隧道施工的测量工作，在隧道开挖前一般要建立具有必要精度的、独立的隧道洞外施工控制网，作为引测进洞的依据;对于较短的隧道，可不必单独建立洞外施工控制网，而以经隧道施工复测、调整后并确认的洞外线路中线控制桩为引测进洞的依据。 洞内控制点控制正式中线点(正式中线点是洞内衬砌和洞内建筑物施工放样的依据)，正式中线点控制临时中线点;临时中线点控制掘进方向。 洞内高程控制与平面相仿，临时水准点控制开挖面的高低，正式水准点控制洞内衬砌和洞内建筑物的高程位置。 隧道施工测量过程中肯定会有不可避免的误差，在实际隧道开挖贯通面处存在偏差。隧道贯通面误差主要有三个方面:即沿隧道中线方向的长度偏差为纵向贯通误差;垂直于隧道中线的左右偏差为横向贯通误差;有两进出口端高程控制点分别测得贯通面同一点的高差为高程贯通误差，其中纵向及高程贯通误差对隧道正确贯通影响不大，目前研究隧道贯通误差主要为横向贯通误差。 下面主要以隧道洞外控制测量来说明一下在隧道施工测量工作中存在的问题以及通过举例来解决这些问题的方法。 关键词:隧道施工测量、控制测量、贯通测量 I 兰州交通大学毕业设计 Abstract Railway tunnel measurement of the eye is the guarantee tunnel excavation at when the accuracy of the provisions of the right breakthrough, and make the building built according to design position. The main content of the tunnel measurement includes the hole, the construction control measure, tunnel breakthrough error of measurement and adjustment, auxiliary tunnel measurement. As the guiding tunnel construction of measurement, in the tunnel excavation in general to establish a necessary before precision and independent tunnel hole construction control nets. As the lead into the hole the basis, for short tunnel. Don't need to establish the hole alone construction control nets. And with through the tunnel construction after adjusting and confirm repeated measurement, the hole of the Central Line control for the lead into the hole pile of basis. Hole to control points formal midline points (Formal midline point is the hole lining and building construction lofting basis ), Formal midline point control temporary midline points, Temporary midline point control heading direction Inside hole elevation control and similar plane , Temporary level control of high and low point excavation, Formal level point control inside hole of buildings lining and elevation position. II 兰州交通大学毕业设计 The tunnel construction of measurement process must be inevitable errors, In the actual tunnel excavation breakthrough in face bias , Tunnel breakthrough error face three main areas: That is the direction of the Central Line along the tunnel length deviation is vertical breakthrough error ; Perpendicular to the centerline of the tunnel around deviation is horizontal run-through error; There are two import and export control points respectively the elevation measurement face the same point be level of elevation breakthrough error ; Among them the longitudinal and elevation of the tunnel breakthrough error correct breakthrough the impact is not big , The present study tunnel breakthrough error mainly for horizontal run-through error . The hole in a tunnel under the main control measurements to explain in tunnel construction measurement problem in the work and through the example to solve the problem Key words: Tunnel construction survey、Control measure 、Breakthrough measurement III 兰州交通大学毕业设计 目 录 第一章 绪论 ................................................... 1 第一节 国内外关于隧道控制网的发展状况 ....................... 1 一、中国铁路隧道的发展 ................................... 1 二、中国铁路隧道未来展望 ................................. 3 三、国外铁路隧道的发展 ................................... 3 第二节 隧道工程控制网的特点 ................................. 4 第三节 隧道工程控制网的任务 ................................. 5 第四节 隧道控制网的主要布设形式 ............................. 6 一、中线法 ............................................... 6 二、精密导线法 ........................................... 7 三、三角锁网法 ........................................... 8 四、GPS法 ................................................ 8 第二章 隧道洞外GPS控制网测量方法设计 ......................... 9 一、GPS定位原理 .......................................... 9 二、GPS测量的优点 ....................................... 10 第一节 GPS控制网的技术设计和精度设计 ....................... 11 一、设计依据 ............................................ 11 二、精度设计 ............................................ 13 第二节 隧道洞外GPS控制网的基准设计方法 .................... 13 一、GPS控制网的位置基准及其转换: ....................... 15 第三节 隧道洞外GPS控制网的网形设计方法 .................... 19 1 兰州交通大学毕业设计 一、设计的一般原则 ...................................... 20 二、GPS网的基本形式 ..................................... 21 第四节 隧道洞外GPS控制网的观测设计方法 .................... 22 一、隧道平面控制网观测方法: ............................ 23 第五节 贯通误差的估算 ...................................... 27 一、贯通和贯通测量 ...................................... 27 二、贯通的种类和容许偏差 ................................ 28 三、贯通测量工作的步骤和贯通测量设计书的编制 ............ 29 四、横行 30 贯通误差的估算 .................................. 五、高程贯通误差的估算 .................................. 33 结论 .......................................................... 35 致谢 .......................................................... 36 参考文献 ...................................................... 37 2 兰州交通大学毕业设计 第一章 绪论 第一节 国内外关于隧道控制网的发展状况 一、中国铁路隧道的发展 中国幅员辽阔，又是多山的国家，山地面积占2/3以上，高原起伏，群山连绵，崇山峻岭密布，水系发育，江河纵横，地质复杂。为发展铁路建设，需要修建大量隧道，而且势必修建许多长隧道和特长隧道，因而铁路隧道建设任务极其艰巨、复杂。隧道修建技术是涵盖多种专业、交叉性很强的综合技术。一个多世纪以来，中国铁路隧道修建技术的发展，大体上可划分为三个时期: (一) 中华人民共和国成立前(1888-1949年)，基本是人力开挖、手工操作、机具简单、技术落后的时期。当时铁路隧道建设既没有固定的专业技术队伍，也没有完整的设计、施工规范，机具设备少，方法简单，工人劳动强度大，效率很低。建成的隧道长度超过3km的仅有3座。 (二) 建国后50-70年代，铁路迅速发展，隧道施工有人力为主转入中、小型机械施工，是隧道设计、施工技术有较大发展的时期。 从50年代开始，铁道部十分重视隧道建设专业队伍的组建，并逐步制定了铁路隧道勘测设计、施工规范和隧道建筑限界 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，编制了一些隧道建筑标准设计图。对平面控制测量作出测量设计，提出贯通误差计算公式，测量方法采用两条基线的三角网和导线法，初步建立贯通误差理论。辅助坑道采用横洞、斜井、竖井和平行导坑，竖井最深达 136m。施工方法以上、下导坑法为主，开始采用平行导坑和管道进行施工通风。从1957 年开始，较长隧道试用后翻式装碴机装碴，用电瓶车牵引轨道运输出碴。逐步采用水泥沙浆注浆防水。50年代受当时技术条件及工期限制，修建的长隧道不多，修建3km以上的隧道只有北同蒲线的断家岭(I线、II线)隧道和川黔线的凉风垭隧道。 1 兰州交通大学毕业设计 60-70年代，通过实践和实验研究，改进、提高了勘测设计手段和施工组织方法。推广采用机械设备，从西南铁路建设开始，以成昆线为代表，购进了一批新的勘测设计和施工设备，逐步应用航测遥感和工程物探技术，注意按隧道建设 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 进行选线和选址，平面控制测量开始采用闭和导线法和一条基线的三角网;在施工方面开始推广漏斗棚架法，部分采用全断面开挖，研究试用光面爆破，对整治岩溶、岩爆、坍塌、涌水和瓦斯突出等也逐步积累经验，使铁路隧道的修建技术得到迅速提高，山区铁路长隧道显著增多。60年代建成3km以上隧道20座，70年代建成3km以上隧道33座，其中各有5座隧道长度超过5km。 (三)80年代以来，铁路大发展，长大隧道普遍修建。隧道修建从传统的矿山法向采用以“新奥法”原则指导下的一系列新技术、新设备发展;隧道施工进入大型机械配套，是隧道修建技术追赶世界先进水平的时期。修建长隧道可降低线路越岭高度和避免采用短隧道群，使线路状态得到改善，有利于消除和确保运营安全，为适应特长隧道修建的需要，在隧道工程中大量引进国外先进技术和设备，促进铁路隧道修建技术快速提高。80年代以衡广复线大遥山隧道为代表，攻克了双线特长隧道设计施工中的难题，解决了双线长隧道施工大型机械化配套问题，应用“新奥法”原则指导大断面和全断面施工取得成功，是中国隧道建设史上的新突破，标志着双线隧道施工技术和设备达到国际先进水平。80年代共建成3km以上隧道10座，其中双线隧道8座，长度超过8km的隧道2座。衡广复线的大遥山隧道(14.29km，最大埋深约910m)是我国第一座长度超过10km的特长隧道，也是国内已建成最长的双线隧道。 90年代，加强西部路网大通道建设，通过工程实践表明，由于修建两个单线隧道在投资、防灾与运营等方面都优于单洞双线，山区铁路单线长隧道不断增多;在双线长隧道已实现机械化配套的带动下，针对单线铁路 2 兰州交通大学毕业设计 隧道施工技术较为落后的状况，90年代铁道部立项攻关研究单线铁路长隧道快速施工配套技术与设备，这些成果在米花岭隧道施工中实施，取得了双口月成洞769m的全国最好成绩，单口月成洞最高达515.9m 。随后又在西康线秦岭I线隧道，采用隧道掘进机(TBM)施工，标志着我国单线铁路长隧道的修建技术，也达到了国际先进水平。与此同时，长隧道的地质勘探、地质超前预报、全球定位系统(GPS)等先进技术的应用，均取得显著成果，使铁路隧道修建技术跨上又一新台阶。90年代共建成3km以上隧道 2 座。西安安康线的秦79座，其中67座为单线隧道，10km以上特长隧道 岭I线隧道(18.46km，最大埋深达1600m)，是全国目前最长的单线隧道。朔黄线的长梁山隧道(12.78 km)是全国第二长的双线隧道。铁路长隧道的成功修建，标志着我国铁路隧道建设的新水平，也是现代隧道工程技术进步的集中反映。 中国的铁路隧道按地区分布，以西南、西北居多，约占70%;华北和东北次之，约占25%;华北和中南较少，约占5%。我国已建隧道密度较大的铁路(长度超过200km)有:西安安康线，隧道比率为45.9%，居全国之首。其次是襄渝线为33.4%。第三是成昆线31.5%。除此以外，侯月、丰沙、京原、南昆、枝柳等线隧道比率也都在20%以上。 二、中国铁路隧道未来展望 近半个世纪以来，中国铁路隧道修建技术虽然有很大发展，但与当代世界铁路隧道长度不断增加并向水域发展的趋势比较还有一定差距。中国当前铁路隧道的修建的数量，已列世界前茅，但10km以上的隧道(包括贯通的)只有4座，既大瑶山、长梁山双线隧道和秦岭I、II线单线隧道。20km以上的长大隧道和水下铁路隧道还是空白。因此，特长和超长隧道的 3 兰州交通大学毕业设计 设计理论和施工技术还有待开发、研究和提高。同时，对于为数众多的500m以下的短隧道施工机械化程度还不高。对于隧道环境工程、防灾技术以及山区铁路隧道普遍存在的各种地质灾害防治技术也许要研究和加强。隧道建设组织管理水平亟待提高，以适应铁路隧道高质量高效率建设发展的需要。 中国铁路隧道建设，走过一个多世纪的风雨历程，又面临着21世纪更大的挑战。国家已作出决策，加强铁路基础设施建设、拉动国民经济发展和西部大开发，云、贵、川、藏铁路，沿江铁路，以及南部沿海铁路等，都有大山阻隔，长隧道和隧道群不可避免，铁路隧道建设任重道远。西安南京铁路东秦岭隧道，长12268m(建成后将是我国第三长的双线隧道)，已于2000年3月动工。京沪高速铁路南京过长江的水下隧道，黄河水下隧道，以及穿越胶州湾、渤海湾、杭州湾、琼州海峡和台湾海峡的海底隧道也已在研究中。 80年代后期，我国引进了卫星测量技术，经过研究实验开始在精密大地测量和城市测量中应用。铁一院根据西康线秦岭特长隧道控制测量的实际需要，从1989年开始进行技术调研，并开展了GPS技术在铁路工程测量中的应用研究，1993年完成了秦岭特长隧道的GPS控制测量，控制点坐标精度，方位精度，比地面测量精度提高10-20倍，两洞口水准基点相对高差精度与二、三等水准测量相当。从此我国隧道控制测量由地面测量跨入空间卫星测量的行列，达到了隧道测量的世界先进水平。 三、国外铁路隧道的发展 瑞士等欧洲国家在公路及铁路隧道建设方面有着很高的声誉，现世界上的第一、第二长大隧道分别位于挪威和瑞士。瑞士作为一个多山的国家在隧道及其地下工程建设方面积累了丰富的经验，早在100多前就修建了一条长15km的St.Gotthard铁路隧道。瑞士的公路交通亦非常发达，高速 4 兰州交通大学毕业设计 公路建设始于20世纪60年代初，现已建成高速公路总里程超过1550km，其中包括160多座高速公路隧道,隧道总长度达130多km，1980年建成的St.Gotthard公路隧道长达17km，在近20年内一直为世界上第一长大公路隧道。北欧国家由于气候条件和地质投机倒把独特，地下隧道被广泛应用。特别是挪威水工引水隧道及公路隧道尤为显著，在2000年建成并投入运营的Lserdal隧道长25km，成为世界最长的公路隧道。 进入21世纪以后，随着测量机器人型的全站仪、全球卫星定位系统GPS、高精度各种传感器、三维激光扫描仪、近景摄影测量、数字化远程实时监控系统、现场报警系统等设备和技术的发展，隧道修建工作将会变的更加轻松，例如像全新的LEICA TMS隧道测量系统，LEICA TMS隧道测量系统是安伯格测量技术公司与徕卡测量系统股份公司强强联合的结晶，它吸取了前六代隧道断面测量的精髓，并赋予全新的设计理念，以智能化的应用软件配合LEICA TPS1100/1200系列的通用全站仪，实现一机多用，能同时完成隧道断面测量和施工放样测量等多种测量任务。 第二节 隧道工程控制网的特点 隧道测量作为地下工程测量中的一种，因此隧道测量也具有地下工程测量的一些特点，例如: 1 测量空间狭窄，测量条件差，并存在烟尘、滴水，人员和机械干扰的可能; 2 测施对象灰暗，一般无自然光，照度不理想; 3 工程需要较高的精度，较短的测量耗时，而且需要现场提交成果; 4 需要及时、准确地反映各种构筑物在静态或动态下的各种空间几何关系，因而测量工作具有渐进性和连续性; 5 兰州交通大学毕业设计 5 测量的网形受到条件限制，测量成果的可靠性要依靠重复测量来保证; 6 测量控制点埋设受到环境和空间的制约，可能设在巷道的顶部或边上，同时这些点受地质构造和工程的影响，测量的检核工作量大。 地下工程测量的环境和特点决定了地下工程测量的方法，不能完全按照常规测量先高级后低级，先控制测量后碎部测量的方法和程序，可能会先局部控制、碎部测量，再将局部控制延伸，再碎部(施工放样)，最后进行全面控制测量;或者局部控制测量和碎部测量交替延伸，以保证工程施工设计进行。地下工程测量一般采用导线测量，随着新技术发展，逐步使用结构光工程测量和结构光摄影测量等方法。采用测距仪和陀螺经纬仪，以及应用无标尺测距等新仪器新方法。 作为指导隧道施工的测量工作，在隧道开挖前一般要布设具有必要精度的、独立的隧道洞外施工控制网，作为引测进洞的依据;对于较短的隧道，可不必单独布设洞外施工控制网，而以经隧道施工复测、调整后并确认的洞外线路中线控制桩为引测进洞的依据。 隧道工程控制网的特点主要包括: 1 控制网的大小、形状、点位分布，应与工程的大小、形状相适应，点位布设要考虑施工放样的方便，如隧道控制网一定要保证隧道两端有控制点。 2 地面控制网的精度，不要求网的精度均匀，但要保证某一方向和某几个点的相对精度高，如隧道控制网要能保证隧道横向贯通的准确性。 3 投影面的选择应满足“控制点坐标反算与两点间长度与实地两点间 6 兰州交通大学毕业设计 长度之差尽可能小的要求，如隧道施工控制网一般投影到隧道贯通平面上，也可以投影到定线放样精度要求更高的平面上。 4 可采用独立的坐标系，其坐标线应平行或垂直于建筑物的主轴线，该线通常由工艺流程方向、运输干线或主要厂房的轴线所决定。 第三节:隧道工程控制网的任务 隧道的设计位置，一般在定测时已初步标定的地面上。在施工之前先进行复测，检查并确认各洞口的中线控制桩，当隧道位于直线上时两端洞口应各确定一个中线控制桩，以两桩连线作为隧道洞内的中线;当隧道位于曲线上时，应在两端洞口的切线上各确任两个控制桩，两桩间距应大于200m。以控制桩所形成的两条切线的交角和曲线要素为准，来测定洞内中线的位置。由于定测时测定的转向角、曲线要素的精度及直线控制桩方向的精度较低，满足不了隧道贯通精度的要求，所以施工之前要进行洞外控制测量。洞外控制测量的作用，是在隧道各开挖口之间建立一精密的控制网，以便根据它进行隧道的洞内控制测量或中线测量，保证隧道的准确贯通。 洞外控制测量包括平面控制测量和高程控制测量。 对于直线隧道，洞外平面控制测量的目的主要是获取两端洞口较为精确的点的平面位置和引测进洞的方向; 对于曲线隧道，洞外平面控制测量除具有与直线隧道相同的目的外，还在于间接求算隧道所在曲线的转向角及两端洞口控制桩与交点的相对位置，进而按设计选配的圆曲线半径和缓和曲线长重新确定隧道中线的位置。 7 兰州交通大学毕业设计 隧道工程控制网是包括在地面上建立平面控制网和高程控制网。随着施工的进展，将地面上的坐标、方向和高程传递到地下去，在地下进行平面的与高程的控制测量，再根据地下控制点进行施工放样，指导开挖、衬砌施工。进行这些测量工作的目的，就是要在地下标定出工程的设计中心线与高程，为开挖、衬砌指定出方向、位置;保证在两个相向开挖面的掘进中，施工中线及高程能够正确贯通，符合设计要求;保证开挖不超过规定界限。 隧道中线上各点的坐标都是根据地面控制网的坐标系统计算的。以后根据施工的进展，将地面上的坐标系统通过洞口、竖井或斜井传递到地下，在地下坑道中再用导线测量方法建立地下控制系统。隧道中线上各点的位置以及地下其它各种建筑物的位置，都根据地下控制点以及由它们的坐标所算得的放样数据进行放样。应用这种放样方法时，由于布设了地面和地下控制网可以控制误差的积累，从而保证贯通精度。 工程控制网的主要用途有: 1 提供满足施工定位精度并便于放样的依据。 2 提供恢复施工桩位的反复使用的功能。 3 为检查工程建筑物的竣工(包括施工过程中局部工程的竣工)精度，提供基点和基线。 4 提供测绘竣工图的控制。 5 提供施工过程中监测建筑物变形的控制点。 6 提供设备安装与运营管理的参考点，并据以测绘现势图。 7 提供改建与扩建工程的测图和施工控制，必要时据以扩大现有的控制 8 兰州交通大学毕业设计 网。 8 据以监测运营过程中建筑物的变形和位移。 第四节:隧道控制网的主要布设形式 《测规》对洞外平面控制网的布设有如下具体要求: 1 每个洞口平面控制点不应少于三个，布设在通视良好、视野开阔、不易被破坏的地方;应方便用常规方法进行检测、加密、恢复; 2 洞口控制点应便于向洞内引测导线(简捷方便); 3 向洞内传递方向的洞外联系边不宜小于300米(保证进洞的后视方向足够的长)，最大俯仰角不宜大于5?(考虑垂线偏差对方向观测的影响); 4 GPS控制网施测完成后，应用全站仪检测洞口子网控制点间的距离和角度; 洞外控制测量主要包括平面控制测量和高程控制测量两部分。 洞外平面控制测量应结合隧道长度、平面形状、线路通过地区的地形和环境等条件进行，可采用的方法有:中线法、精密导线法、三角锁法、GPS测量。 一、中线法 适用于长度较短或贯通精度要求不高的隧道。 方法:就是将隧道中线的平面位置，测设在地表上，经反复核对改正误差后，把洞口控制点确定下来，施工时就以这些控制点为准，将中线引入洞内。在直线隧道，于地表沿勘测设计阶段标定的隧道中线，用经纬仪正倒镜延伸直线法测设中线;在曲线隧道，则按铁路曲线测设方法，首先 9 兰州交通大学毕业设计 精确标出两端切线方向，然后测出转向角，将切线长度正确地标定在地表上，再把线路中线测设到地面上。经反复校核，与两端线路正确衔接后，再以切线上的控制点(或曲线主点及转点等)为准，将中线引入洞内。如 所示: 图1-1 E′ D′ C′ B′ A B C D E 图1-1 中线法 1-1示:A、E为定测时的路线中线(也是洞口控制桩)，B、C、D为如图 洞顶的中线控制桩点，由于A、E是不通视的，通常采用正倒镜或拨180?角分中去平均点位置的方法，从一端洞口的控制点向另一端洞口控制点延长直线。 二、精密导线法 在隧道进、出口之间，沿勘测设计阶段所标定的中线或离开中线一定距离布设导线，采用精密测量的方法测定各导线点和隧道两端控制点的点位。 在进行导线点的布设时，导线点还应根据隧道长度和辅助坑道的数量及位置分布情况布设。导线宜采用长边，且尽量以直伸形式布设，这样可以减少转折角的个数，以减弱边长误差和测角误差对隧道横向贯通误差的影响。为了增加检核条件和提高测角精度评定的可行性，导线应组成多边形导线闭合环或具有多个闭合环的闭合导线网，《测规》规定，在一个控制网中，导线环的个数不宜少于4个;每个环的边数宜为4,6条。 10 兰州交通大学毕业设计 导线可以是独立的，也可以与国家高等级控制点相连。如图1-2所示 图1-2 某隧道洞口及斜井 图1-3 导线网略缩图 导线环(网)的平差计算: 一般采用条件平差或间接平差。当导线精度要求不高时，亦可采用近 似平差。 用导线法进行平面控制比较灵活、方便，对地形的适应性强。我国长达14.3 km的大瑶山隧道和8 km多的军都山隧道，采用光电测距仪导线网作控制测量，均取得了很好的效果。 三、三角锁法 将测角三角锁布置在隧道进出口之间，以一条高精度的基线作为起始边，并在三角锁的另一端增设一条基线，以增加检核和平差的条件。三角测量的方向控制较中线法、导线法都高，如果仅从提高横向贯通精度的观点考虑，它是最理想的隧道平面控制方法。 由于光电测距仪和全站仪的普遍应用，三角测量除采用测角三角锁外，还可采用边角网和三边网作为隧道洞外控制。但从其精度、工作量等方面综合考虑，以测角单三角形锁最为常用。经过近似或严密平差计算可求得各 11 兰州交通大学毕业设计 三角点和隧道轴线上控制点的坐标，然后以这些控制点为依据，可计算各开挖口的进洞方向。 四、GPS法 PS是全球定位系统的简称，隧道施工控制网可利用GPS相对定位技术，G 采用静态或快速静态测量方式进行测量。由于定位时仅需要在开挖口附近测定几个控制点，工作量少，而且可以全天候观测，目前已得到应用。 隧道GPS定位网的布网设计，应满足下列要求: 1 定位网由隧道各开挖口的控制点点群组成，每个开挖口至少应布测个控制点。整个控制网应由一个或若干个独立观测环组成，每个独立观测4 环的边数最多不超过12个，应尽可能减少。 2 网的边长最长不宜超过30km，最短不宜短于300m。 3 每个控制点应有三个或三个以上的边与其连接，极个别的点才允许由二个边连接。 4 GPS定位点之间一般不要求通视，但布设洞口控制点时，考虑到用常规测量方法检测、加密或恢复的需要，应当通视。 5 点位空中视野开阔，保证至少能接收到4颗卫星信号。 6 测站附近不应有对电磁波有强烈吸收和反射影响的金属和其他物体。如图1-4为GPS控制网网形: 12 兰州交通大学毕业设计 图1-4 GPS控制网网型 若采用GPS控制网，除了在隧道线路上布设进、出口点以外，还要在每个洞口附近各布设3个及3个以上定向点，以便于在洞口用全站仪设站时定向。 第二章 隧道洞外GPS控制网测量方法设计 近年来GPS定位技术在工程测量领域得到了广泛的应用,与传统的地面测量方法相比,全球定位系统由于测量手段先进和简单,可以达到的高精度,以及不需要网点间的通视,把它用于国家基本测量和工程大地侧量作业已成为不可逆转的趋势。 全球定位系统(Global Positioning System，简称 GPS) 是美国从20世纪70年代开始研制的用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统，历时20年，耗资200多亿美元，分三阶段研制，陆续投入使用并于1994年全面建成 GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良 13 兰州交通大学毕业设计 好的抗干扰性和保密性 因此，GPS技术率先在大地测量 工程测量 航空摄影测量 海洋测量 城市测量等测绘领域得到了应用，并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。 GPS的 工作原理 数字放映机工作原理变压器基本工作原理叉车的结构和工作原理袋收尘器工作原理主动脉球囊反搏护理 及测量优点 一、GPS定位原理 GPS用户设备由GPS接收机数据处理软件及其终端设备(如计算机)等组成GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算网平差，求出GPS接收机中心(测站点)的三维坐标GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的，如图2-1所示 图2-1 定位原理图 在待测点Q设置GPS接收机，在某一时刻tk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)至卫星的距离1、2、3，根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标(Xj，Yj，Zj)，j 1，2，3，从而由下式解算出Q点的三维坐标(X，Y，Z): z1z1z1z,(X,X)，(Y,Y)，(Z,Z), 1 14 兰州交通大学毕业设计 z2z2z2z,(X,X)，(Y,Y)，(Z,Z), 2 z3z3z3z,,(X,X)，(Y,Y)，(Z,Z) 式3 (2-1) 二、GPS测量的优点 相对于常规测量来说,GPS测量主要有以下特点: 1 测量精度高GPS观测的精度明显高于一般常规测量; 2 测站间无需通视GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，工作更加灵活方便; 3 观测时间段随着GPS测量技术的不断完善，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需30min左右，动态相对定位仅需几秒钟; 4 仪器操作简便 目前GPS接收机智能化程度越来越高，观测人员只需简单操作，接收机即可进行自动观测和记录; 5 全天候作业GPS测量可以不受天气状况影响，可保证在任何时间任何地点连续进行观测; 6 提供三维坐标GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。 第一节 GPS控制网的技术设计和精度设计 一、设计依据 GPS控制网的设计,以GPS测量规范和测量任务为依据。测量规范主要指国家、城市以及行业标准;测量任务则对网布设的范围、网的精度、密度、时间等提出具体要求。布网的设计既要符合有关标准，又要满足任务要求。 15 兰州交通大学毕业设计 (一)技术设计的一般原则 建立城市或其它局部性GPS控制网是一项重要的基础性工作，而技术设计则是建立GPS网的第一步，是保证GPS网能够满足经济建设需要，并保证GPS成果质量可靠的关键性工作。因此，必须科学地、严谨地作好这一工作。GPS网设计的一般原则包括以下几个方面。 1 充分考虑建立GPS控制网的应用范围 对于工程建设的GPS网，应该既考虑勘测设计阶段的需要，又要考虑施工放样等阶段的需要。对于城市GPS控制，既要考虑近期建设和规划的需要;又要考虑远期发展的需要;还可以根据具体情况扩展GPS控制网的功能，充分发挥GPS网和测绘工作在城市建设中的作用。 2 采用分级布网的方案 适当地分级布设GPS网，有利于根据测区的近期需要和远期发展分阶段布设，而且可以使全网的结构呈长短边相结合的形式。与全网均由短边构成的全面网相比，可以减少网的边缘处误差的积累，也便于GPS网的数据处理和成果检核分阶段进行。分级布网是建立常规测量控制网的基本方法，因为GPS测量有许多优越性，所以并不要求GPS网按常规控制网分很多等级布设。例如，大城市的GPS控制网可以为三级:首级网中相邻点的平均距离大于5km;次级网中相邻点平均距离为1-5km;三级网相邻点平均距离可小于1km，且可采用GPS与全站仪相结合的方法布设。对于小城市，分两级布设GPS网即可。 为提高GPS网的可靠性，各级GPS网必须布设成由独立的GPS基线向量边(或简称为GPS边)构成的闭合图形网，闭合图形可以是三边形、四边形或 16 兰州交通大学毕业设计 多边形，也可以包含一些附和路线，GPS网中不允许存在支线。 3 GPS测量的精度标准 GPS测量的精度标准通常用网中相邻点之间的距离中误差表示，其形式为: 式(2-2) 式中:σ——距离中误差(mm); a——固定误差(mm); b——比例误差系数(ppm); d——相邻点的距离(km)。 2001年实施的“全球定位系统(GPS)测量规范”将GPS的测量精度分为AA-E六级(图2-2)。其中AA、A、B三级是国家GPS控制网，C级主要用于大、中城市及工程测量的基本控制网，D、E级主要用于中、小城市、城镇及测图、勘测、建筑施工等控制测量。 项目 AA A B C D E 固定误差(mm) ?3 ?5 ?8 ?10 ?10 ?10 比例误差系数b(ppm) ?0.01 ?0.1 ?1 ?5 ?10 ?20 相邻点最小距离(km) 300 100 23 4 2 1 相邻点最大距离(km) 3000 900 210 36 20 8 相邻点平均距离(km) 1000 300 70 10-15 5-10 0.2-5 17 兰州交通大学毕业设计 图2-2 各级控制网精度 在GPS网的技术设计中，应根据测区大小，GPS网的用途，来设计网的等级和精度标准。 坐标系统与起算数据 4 GPS测量得到的是GPS基线向量，是属于WGS84坐标系的三维坐标差，而我们需要得到的是属于国家坐标系或地方独立坐标系的坐标。为此，在GPS网的技术设计中，必须说明GPS网的成果所采用的坐标系统和起算数据，也就是说明GPS网所采用的基准。 GPS网的基准与常规控制网的基准类似，包括位置基准、方位基准和尺度基准。 当测区有旧的地面控制点成果时，应既考虑充分利用旧资料，又要使新建的高精度GPS控制网不受旧资料精度较低的影响。为此，应将新的GPS网与旧控制点进行联测，联测点一般不应少于2个。 GPS网的坐标系统应尽量与测区过去采用的坐标系统一致，如果采用的是地方独立坐标系，一般应该了解以下几个参数: a.所采用的参考椭球体，一般是以国家坐标系的参考椭球为基础; b.坐标系的中央子午线的精度值; c.纵、横坐标的加常数; d.坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值; e.起算点的坐标。 GPS网的位置基准，通常都是由给定的起算点坐标确定。方位基准可以通过给定起算方位角值确定，也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准， 18 兰州交通大学毕业设计 尺度基准可以由地面的电磁波测距边确定，或由两个以上的起算点之间的距离确定，也可以由GPS基线向量的距离确定。 5 GPS点的高程 为了得到GPS点的正常高，应使一定数量的GPS点与水准点重合，或者对部分GPS点联测水准。为了便于进行水准联测，且便于进行GPS观测，提高GPS作业效率，GPS点一般应设在交通方便的地方。 二、精度设计 GPS控制网的精度取决于网的用途。精度设计时，根据任务要求和具体的服务对象，以充分满足工程要求为前提。用于工程及城市的GPS控制网可根据相邻点的平均距离和精度进行设计，详细数据见图2-3。 b等平均距离/mm /ppm.D 最弱边相对中误a 级 /km 差 二 9 《10 《2 1/12万 三 5 《10 《5 1/8万 四 2 《10 《10 1/4.5万 一 1 《10 《10 1/2万 级 二 <1 《15 《20 1/1万 级 图2-3 GPS相邻点的平均距离和精度表 注:当边长<200m时，以边长中误差<20mm来衡量。 各等级GPS相邻点弦长精度，可表示为 19 兰州交通大学毕业设计 22,SQRT(a，(bd)), 式(2-3) ,式中，---GPS基线向量的弦长中误差，即等效距离误差,mm; a---GPS接收机标称精度中的固定误差 ，mm; b---GPS接收机标称精度中的比例误差系数，ppm(D; d---GPS网中相邻点间的距离，km。 第二节 隧道洞外GPS控制网的基准设计方法 GPS测量获得的是GPS基线向量, 属于WGS-84坐标系的三维坐标差。利 程中需用三维无约束平差后的测量成果均属于WGS-84大地坐标系, 实际工要的是国家坐标系或施工工程坐标系的坐标, 即二维平面坐标, 这样就存在GPS定位成果与国家参考椭球面或工程平面的二维转换问题, 目的是将三维GPS基线向量网转换投影成国家大地测量控制与施工测量控制相匹配兼容, 必须明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据, 即明确GPS网所采用的基准。 GPS控制网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。其中最重要的是位置基准。方位基准一般以给定的起算方位值确定, 也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准。尺度基准一般由地面的电磁波测距边确定, 也可由两个以上的起算点间的距离确定, 同时也可由GPS基线向量的距离确定。GPS网的位置基准, 一般都是由给定的起算点坐标确定。因此GPS网的基准设计, 实质上主要是指确定网的位置基准问题。当采用工程坐标系时, 一般应了解以下参数: 1.所采用的参考椭球;2.坐标系的中央子午线经度;3.纵横坐标加常数;4.坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值;5.起算点 20 兰州交通大学毕业设计 的坐标值。 在基准设计时，应考虑以下几个方面的因素。 1 为求得GPS点在地面坐标系中的坐标，应在地面坐标系中选定起算数据并联测若干原有地方控制点，用于坐标转换。高等级的控制网必须联测3个以上的点，低等级的控制网可以联测2,3个点。 2 对于未知点，观测时要连结成一定的图形，最好构成长边图形，以保证坐标精度的均匀性，减少尺度比误差的影响。 3 GPS网经平差计算后，可得到GPS点在地面参照坐标系中的大地高。若想求得GPS点的正常高，必须进行高程拟合。 4 了解GPS点成果所属坐标系及其坐标系的定义 。 如果将GPS相对定位所确定的基线向量视为具有先验方差与协方差的观测量 那么 这些与方向和尺度有关的观测量,通过最小二乘平差便定义了空间基线向量网(或称卫星网,以下同)的方向和尺度。所以,无论是空间网或地面网,其方向和尺度基准只与网中有关方位与距离的观测量及其先验精度信息有关,而与网的位置基准无关。 GPS控制网的位置基准一般是通过网中所选基准点及其在某一参考系中的坐标值所定义,或者通过选定网点坐标的近似值系统,并在最小范数条件下的自由网拟稳平差所定义。因此,网的位置基准 的确定具有一定的选择性。它的变化不仅将会影响网点平差后的坐标值,同时也会改变网点误差的分布规律。在GPS测量中,观测数据的处理和表述是 采用WGS-84,而该全球坐标系与地面网所采用的坐标系一般不仅具有不同的定向和尺度,而且具有不同的位置基准。所以,研究一下网的位置基准的定义和转换,对于卫 21 兰州交通大学毕业设计 星网与地面网的联合平差是重要的。 一、GPS控制网的位置基准及其转换: ,Xs假设以GPS相对定位所确定的空间基线向量为观测量,其先验方差 D与协方差为,而取不同平差方法(即经典平差、自由网平差和自由网拟,XS ~XX稳平差方法,以下同)所得网点空间直角坐标的平差值分别为和,则其间的关系可表示为 ~X,X，I,X00 式(2-4) T，，,XI,EE？？E其中: 为位置基准参数向量 00 100，， ,,E,010,, ,,001，， 式(2-5) 因为卫星网的定向和尺度可通过观测量的最小二乘平差唯一地确定 所以对于同一基向量网来说,采用不同平差方法所得到的基线向量是相互平 ,X行的,并具有相同的尺度,其的位置差异由参数确定。而位置基准参数0 的大小既取决于所取网点坐标的近似值系统,取决于网的平差方法。在网点坐标近似值不变的情况下,不同的位置基准仅与相异的平差法有关。 下边来讨论一下不同平差方法所定义的卫星网的位置基准及其转换向题。 XQ在空间直角坐标系统中,如果以和.表示卫星网按经典方法平差的X ~QX坐标向量及其权系阵,而以和表示该网按自由网拟稳平差的结果,同时~X 假设 22 兰州交通大学毕业设计 ,X,X，X,0,~~~,,X,X，X,0, 式 ) (2-6 ~XX , 为上述两种平差方法所取网点坐标的近似值向量 00 ~,X,X , 为两种平差方法所得网点坐标的改正数向量 为网的点数 n n为网中拟稳点数 2 n2~对于网中的拟稳点,考虑到 于是由式(2-4) 可得 ,X,0,i,1 nn22，，1~,,,XXX00,,,,iin,1,1ii2，， 式(2-7) 假设上述两种平差方法所取网点坐标的近似值相同 即 ~X,X00 式(2-8) 则式 (2-7) 便可简化为 1Xj,X,,,0n2 式(2-9) 其中 ,,,,j,0,0？E,E,？,E,,,,,,,,,,,n2,, 式(2-10) Ej在系数矩阵中，元素仅出现在与拟稳点相应的列。 23 兰州交通大学毕业设计 在式 (2-8)条件下 由式(2-4)和(2-9)可得以上两种平差方法所得改正 数之间的转换关系式 ~,X,H,X 式(2-11) 其中 ，，1H,I,J,,n2，， 式(2-12) E0，， ,,E,,I,,,？ ,,r0E，，3n，3n 式 (2-13) ？？？？00EEE，， ,,？？？？00EEE,, ,J,,？？ ,,？？？？00EEE,,,,,,,,,,,n2，，3n，3n ~X,X，H,X0由此 式(2-14) TQ,HQH~xx 式(2-15) 应用上式便可将网的经典平差结果转换为自由网拟稳平差的结果。同时 由经典平差时固定点所定义的网的位置基准便转换为由拟稳平差时的重心 点所定义。 ~n,n,X作为特例,当时,即为按自由网平差的改正数向量,于是由式 2 24 兰州交通大学毕业设计 (2-16) 得 1，，H,I,J,,n，， 式(2-17) EEE？？，， ,,EE？？E,,J,,,？？ ,,EE？？E，，3n，3n 而按自由网平差的网点坐标向量及其权系数阵仍如式(2-14)(2-15)所示,这时由经典平差时固定点所定义的网的位置基准便转换为由自由网平差时的重心点所定义。 ~n,1,X当时,即为按经典方法平差的坐标改正数向量相应的转换系数2 阵 ,,H,I,J 式(2-18) 00E00？？？？，， ,,00E00？？？？,,J,,,？？ ,,00E00？？？？，，3n，3n JE这时阵中元素仅出现在与新设固定点相应的列网的位置基准由网中新设固定点及其坐标所确定,而相应新基准点的经典平差结果可按式(2-14)(2-15)和(2-18)确定。 在大地坐标系统中假设按经典平差法和自由网拟稳平差法所得网点的 ~BQQB大地坐标向量及其权系数阵分别为 ,和 ,则与式(2-4)相类似有 ~BB ~B,B，t,X0 式 25 兰州交通大学毕业设计 (2-19) T，，t,tt？t12n cosLsinL1，，,sinB,,sinB,cosB,,M，hM，hM，h,,sinLcosL,,t,,,,0i(N，h)cosB(N，h)cosB,, ,,cosBcosL,cosBsinL,sinB ,,，，i MNh、为子午圈和卯酉圈曲率半径为大地高程 ~,B,B若以和分别表示相应上述不同平差方法的大地坐标改正数向量, 则在式(4)条件下可得 ~,,B,B，t,X0 式(2-20) ,1,X,t,B应用式(2-9)并考虑到关系式 ,则可得 iii ，，1~,1 式,,,BItjT,B,,n，，2 (2-21) ，，T,diagtt？t12n 1~,1B,B，(I,TJT),B0n2 式(2-22) 11,1,1TQ,(I,TJT)Q(I,TJT)~BBnn22 式(2-23) 式(2-22)(2-23)便是在大地坐标系统中当满足式(2-8)时由网的经典平差结果转换为自由网拟稳平差结果的数字模型。 26 兰州交通大学毕业设计 但是在卫星网与地面网联合平差的实践中往往需要将卫星网的非经典平差结果转换为经典平差的结果,以便将两网的位置基准化为一致。 为此这里先来分析一下网点之间的坐标差与网的位置基准的关系。 ji在空间直角坐标系中若将式(2-4)应用于任意,两点并取其坐标差则有 ~,，,XXXii0 ~,，,XXXjj0 ~,X,,Xiijj 式(2-24) 显然这时网点之间的坐标差与网的位置基准无关即与网的近似值系统及其平差方法无关。这一性质对于研究网的位置基准的转换是重要的。 ji在大地坐标系统中 若将式 (2-20)同样应用于,两点并取其坐标差则有 ~,B,,B，(t,t),Xiiij0jj 式(2-25) t,t这时由于,所以在大地坐标系统中,网点之间的坐标差随基准点的ij 不同而异。为了将网的平差结果转换为经典平差的结果,可在网中任选一参考点,并取相对该参考点的空间直角坐标差 ~~,X,(I,J)X 式(2-26) JE其中阵除与参考点相应的列元素为外，其余均为0 27 兰州交通大学毕业设计 X若将上述参考点作为基准点,并设其坐标为,则根据空间直角坐标差k 与网的位置基准无关的性质,可得经典方法平差的结果为 ~X,IX，I,JX()0k 式 ) (2-27 TQ,(I,J)Q(I,J)~xx 式(2-28) 可见,这时基准点的位置及其坐标值的可选择性,使我们有可能将网的任一平差结果方便地转换为所期望的经典平差结果。如果已知的平差结果是以大地坐标系表示的,则可将其首先转换为空间直角坐标,然后仍利用式(2-24)的性质按上式进行位置基准的转换。 第三节 隧道洞外GPS控制网的网形设计方法 近年来随着GPS定位技术在工程测量下作中被广泛应用(使传统的控制测量方式产生了质的改变。在我国测绘生产中，应用GPS测量建立工程控制网已基本取代了传统的控制网建正方法，利用GPS技术建立控制网已成为一种主要技术手段，而研究怎样合理的布设GPS控制网对保证控制朋的精度，降低建网费用具有重要意义。 GPS网形设计是施测方案的基础，它侧重考虑如何检核GPS数据质量和保证点位精度。为了检核GPS数据质量，GPS网应当构成闭合环状。闭合环有同步环和异步环之分。两台接收机同时观测相同的卫星，所得同步观测资料可以解算出两站之间的一条基线向量。将不同时段观测的各基线构成的闭合环叫做异步环。三台接收机同时观测相同的卫星，所得的同步观测资料解算出三个基线向量构成三角行同步观测环路，其中只有两条是独立 28 兰州交通大学毕业设计 ，，kk,12的，一般用k台接收机同步观测时，可解算出条基线向量，其中只 k,1有条是独立的。同样，由若干条独立基线构成的闭合环也叫异步环。同步环中由各基线向量构成的坐标闭合差之和应等于零，否则，基线解算结果又粗差。测量中通常用增加多条观测或附加条件的方法，采用最小二乘法进行平差，以提高点位的精度并增加其可靠性。由独立基线构成的异步环或增加观测的时段数都可以产生多余观测。多余观测数r的计算是由独立基线数减去待定点数。设计中总的观测点为m，用k台接收机，在各点作n次 ，，，，s,m,nkb,k,,s,k,1,m,nk观测，则同步观测的次数，独立基线向量数。 布设GPS网时应当由异步环闭合构成区域性的子环路，然后由若干子环路再构成覆盖整个测区的闭合的网环路。每个子环路可以作为施测方案分期观测的依据。每个子环路观测结束后便可及时评定GPS数据质量。 图2-4是一个由四台接收机进行同步观测构成的环形网，采用点连接方式。 图2-5为两端有高级点的附和路线形式，采用边连接方式，显然附和路线形式的多余观测数较少。 图2-4 环形网 29 兰州交通大学毕业设计 图2-5 附和网 在GPS网形设计时应进行时段设计。时段越长，越有可能选取图形强度较好的星组的观测数据。由于卫星的运动和测站随地球自动转动，卫星相对测站的几何图形在不断的变化，星组中卫星更替造成时段的自然分段，每一个时段称为一个子时段。为了使观测能处于最佳时段，在技术设计时，可根据测站的概略坐标及卫星星历作外推预报，计算出观测时一天的图形强度因子，找出间隙区，选择最佳观测时段。 在GPS网设计时，应尽可能多与高级GPS控制点或国家测设的三角点，水准点进行连测，以便提供数据处理的基准值和成果质量的外部检核。 一、设计的一般原则 设计的一般原则包括以下5种: 1 GPS网一般应采用由独立观测边构成的闭合图形。例如三角形、多边形或附和线路，以构成检核条件，提高网的可靠性。 2 GPS网点尽量与原有的地面控制网点相重合。重合点数应多于3个，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。 3 GPS网点应考虑与水准点相重合，而非重合点一般应根据要求以水准测量方法进行联测。 4 为便于观测和水准联测，GPS网点一般应设在视野开阔和交通方便的地方。 30 兰州交通大学毕业设计 5 为了便于用常规方法联测或扩展，C、D、E级控制网点应有1-2个方向通视。 二、GPS网的基本形式 测量的不同用途，GPS网的几何图形结构，有以下三种形式。 根据GPS (一)三角形网 如图2-6所示。图中各三角形边是由非同步观测的独立边所组成。这种网的几何图形结构强，具有良好的自检能力，能有效地发现观测成果的粗差，确保网的可靠性。经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。 图2-6 GPS三角网 这种网的主要缺点是观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的时间大为延长。因此，通常只有当网的可靠性和精度要求较高时，才单独采用这种图形结构的网。 (二)环形网 由若干个含有多条独立观测边的闭合环所组成的网，称为环形网，如图2-3-4所示。这种网的图形结构强度较三角网差，其优点是观测工作量较小，具有较好的自检性和可靠性。其缺点主要是非直接观测的基线边(或称间接边)精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。由于 31 兰州交通大学毕业设计 环形网的自检能力和可靠性与闭合环中所含基线边的数量有关，所以，一般根据网的精度要求，规定闭合环中包含的基线边的数量。图2-7是相应于表1所列精度要求所提出的规定。 类级 A B C 闭合环中的边数 ?8 ?10 ?12 图2-7 闭合环基线边数的限值 三角网和环形网是大地测量和精密工程测量普遍采用的两种基本图形。通常，根据实际情况往往采用上述两种图形的混合网形。 图2-8 GPS环形网 (三)附和线路和星形网 在GPS高级网中需进一步加密控制点时，可采用附和线路，如图2-9所示。为保证可靠性和精度，附和线路所包含的边数也不能超过一定限制。 图2-9 附合线路 星形网的几何图形如图2-10所示。其图形简单，直接观测边之间不构成任何闭合图形，所以检验和发现粗差的能力差。这种图形的主要优点是观测中只需要两台GPS接收机，作业简单。它广泛地应用于工程测量、边界 32 兰州交通大学毕业设计 测量、地籍测量和碎部测量等方面，定位中采用快速定位的作业模式。 图2-10 星形网 第四节 隧道洞外GPS控制网的观测设计方法 GPS控制网的观测和一般常规地面控制网的观测相比较，具有许多特殊问题。首先是观测仪器的选型问题，它牵涉到控制网的测量模式，对各种精度影响因素的适应能力，以及仪器的检验方法。 一般地面工程控制网的观测，观测的目标点是在地面上，观测的模式都是静态的，观测量是角度、长度和高差，观测精度的影响因素，除仪器本身功能以外，外界因素主要是近地面的大气折光。而GPS工程控制网，观测的目标是饶地运行轨道上的卫星，并且是同步观测的若干颗卫星。在观测方法上，观测的模式多样化，从静态到动态，从绝对定位到相对定位，尤其能以实时动态模式来测定控制点，由此形成仪器功能、精度、效率上的巨大差别。在影响精度的因素上，计有: 1 仪器本身的功能、 2 电离层折射; 3 对流层折射; 4 多路径反射; 5 观测的卫星颗数、 33 兰州交通大学毕业设计 6 卫星与地面点所形成的点位几何图形强度; 天线附近电磁波的干扰; 7 8 卫星和接收机时钟误差; 卫星轨道精度; 9 10 地球自转; 11 相对论效应; 12 地球潮汐; 13 美国对GPS的技术政策，因此GPS网的观测所牵涉到的问题比一般地面工程控制网复杂的多，只是因为工程控制网的规模较小，在它所要求的精度范围内，有些问题可以忽略。 GPS观测，牵涉到上述这样多的问题，导致GPS信号接收机的选型成为一个复杂的问题。本来选型主要针对用途而定。工程用途包括定位和导航(实时动态定位)，目前定位和导航仍可在“精度”与“作业时间”两方面大致区分。估计在最近的将来，定位与导航将不必区分，因为现在定位主要追求的是作业速度，而导航主要追求的是精度(例如飞机着陆导航)，最后两者汇合在同一目标:实时定位的高精度，这个迹象已十分明显。同时为了追求作业的简便，尽量使GPS技术得到最广泛的开发应用，定位和导航的接收机都在刻意使之小型化，轻量化，多功能化，高度自动化。 一、隧道平面控制网观测方法: (一)平面控制网等级 平面控制网采用GPS静态测量方式布网，按四等网精度要求执行，GPS网采用边联结方式构网，形成大地四边形图形的带状网。 34 兰州交通大学毕业设计 (二)平面控制网勘查 平面控制网布设前首先进行现场勘查，检查标石的完好性，埋设控制点。XX铁路本标段平面控制网原则上沿线路方向布设，本次共布设四等GPS加密点11个，除丢失的控制点外，测区控制点保存完好，加密点及控制点埋设在稳固可靠且不易被施工破坏的地方。 (三)控制网构网 本次控制网沿线路呈带状布设，保证了平面控制网的精度均匀及减少了尺度比的误差影响。全网采用边连接形式构网，由多个重叠大地四边形组成。 (四)外业数据采集 本次GPS控制网外业数据采集使用4台双频Trimble R6 GPS接收机。观测时严格按《全球定位系统(GPS)铁路测量规范》要求执行。采用静态定位技术施测，同步作业图形之间采用边联结的方式，并做到有较强的图形结构，确保该网的高精度和高可靠性。 1 观测前的准备工作 ? 检查GPS接收机内存数据容量，保证接收机有一定的内存空间。 ? 每天观测前检查GPS接收机和对讲机电池电量，注意充电。 ? 出发前，认真检查GPS主机是否拿错;备用电池、记录纸、笔、测高尺、对讲机、脚架、基座、GPS连接螺旋等必备物品是否齐全。 2 观测作业基本要求 接到观测任务后，做好观测人员培训和仪器准备工作，检查所用仪器及相关配件的完整与完好性，确保进入测区的正常使用。 35 兰州交通大学毕业设计 为确保“对中”及“整平”的准确性，天线基座使用有用于精平的管水准器的光学对中器，并注意光学对中器的检验校正。在运输或观测过程中有剧烈震动的基座均在当时或当天予以检校。 在外业观测前按作业技术要求设置好仪器的各项作业技术参数。 作业间歇期间，接收机设有专人维护保管，并在作业前充足电池，将仪器及其附件装于专用仪器箱中。为保证观测中仪器的安全，仪器管理实行个人负责制，对每台仪器进行编号，自工程开始直至工程结束，每个作业组或作业人员均使用同一台套仪器(包括主机、天线、传输电缆、电池及 ，做到责任分明。 基座等) 观测组严格按调度表规定作业，听从现场调度人员的统一指挥，以保证观测同步进行。当情况有变化需要修改调度 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 时，必须经调度人员同意。 观测时做到人不离岗，观测过程中严密监视电池和接收机情况并记录于外业观测手簿上，以便于内业人员数据处理。观测人员严格禁止周围无关人员接近甚至触摸仪器，以保护作业人员和仪器的安全进而保证观测的正常进行。 注意仪器各部件的正确连接，禁止在硬度大的粗糙表面上拖拽电缆等违规操作。搬站时卸下的电缆不要把接头随意安放在地上，以避免泥土、沙子或水把电缆搞坏而影响使用。 每个测站对中整平后对光学对点器旋转180度检查;在两个时段之间不需要搬站的测站均把基座转动180度后重新对中整平，以防止对中整平粗差的出现。 36 兰州交通大学毕业设计 接收机在观测过程中不在其近旁使用对讲机、手机等通讯工具以避免干扰GPS接收机接收卫星信号。 3 主要作业技术指标 GPS网采用静态定位技术施测，同步作业图形之间采用网连接的方式。为保证GPS网的高精度和高可靠性，提出了比“规范”中四等网更高的精度要求，主要有以下两点: (1)延长观测时间 《规范》中四等网时段长度要求大于60分钟即可,实际观测时长为65分钟左右. (2)较强的图形结构 因四等网控制点是线状布网形式，在网形设计时做到: ? 至少每个点有3条及以上独立基线相连接; ? GPS独立基线传递必须是边连接，组成大地四边形或多边形连接; ? 在选取独立基线构网时，要考虑以邻近点之间的短边传递为佳，每一时段中尽量不选择太长的边。 为便于整个GPS网的内业平差处理和成果的比较分析，在GPS观测时控制点的编号和原控制网的编号一致。 GPS观测的主要技术指标如下: ?天线对中精度?1mm;对天线高量测两次(开机前一次、关机后一次)，并取平均值作为天线高，保证天线高度读数的准确无误。 37 兰州交通大学毕业设计 ?外业记录包括:点号、观测者、记录者、接收机类型与编号、观测日期、观测时间段、天线高、等。采用北京标准时BTS记录，并与协调世界时UTC进行换算。 Trimble仪器的天线高量测方法: 对地面标志:量测斜高，则量到天线圆盘蓝色防水橡皮圈外侧，并每 ,180次在互成的三个方向上量测两个读数，读数至1mm，互差不大于3mm，取均值作为天线高。 GPS测量记录的管理应符合下列要求 1 及时将当天观测记录结果录入计算机，并拷贝成一式两份; 2 数据备份时，宜以观测日期为目录名，各接收机为子目录，把相应的数据文件存入其子目录下。 3 制作数据文件备份时，不得进行任何剔除和删改，不得调用任何对数据实施重新加工组合的操作命令; 4 观测手薄必须在现场按作业顺序完成记录，严禁事后补记或追记。 (五)基线解算及精度分析 外业数据采集结束后应对采集数据进行计算并检核观测成果的质量。首先应按静态相对定位模式进行基线解算，基线解算采用卫星广播星历坐标作为基线解的起算数据。基线解算结果应满足《全球定位系统(GPS)铁路测量规范》四等控制网规定的指标要求。 1 基线向量异步环闭合差是检验基线向量网质量的一项重要技术指标，当它满足限差要求时，能说明组成基线向量网的所有基线解算质量合 38 兰州交通大学毕业设计 格、成果可靠。按《GPS铁路测量规程》要求GPS控制基线构成异步闭合环的闭合差一般应满足以下各式要求: nWx ?3σ nWy ?3σ nWz ?3σ 3n W?3σ 式(2-29) 式中: n -- 闭合环边数 Wx、Wy、Wz -- 坐标分量闭合差 W -- 环的全长闭合差 22m,,m，mσ-- 标准差(mm)，σ=其中a-固定误差，取10mm，y,yl b-比例误差系数，取5ppm/km， d为基线长(km) 2 按《全球定位系统(GPS)铁路测量规程》要求,基线观测值重复边长度检核，应满足下式要求: 2 ds?2σ 式 (2-30) 式中: dS -- 基线较差(mm) σ-- 相应等级规定的精度(mm) 39 兰州交通大学毕业设计 3 在网平差前，对复测基线观测值与设计基线观测值进行比较，按《全球定位系统(GPS)铁路测量规程》要求，复测基线与设计基线观测值较差应小于1/100000。对于超限基线需要重新检测。 六)加密控制网平差及精度分析 ( 四等复测控制网平差包括三维无约束平差和二维约束平差，平差数据采用基线向量的双差固定解进行。网平差和坐标转换均利用科傻 GPS平差软件，首先进行三维无约束平差，统计四等控制网三维无约束平差精度数据，分析四等控制网的基线向量网自身的内符合精度，基线向量有没有明显系统误差和粗差，基线向量网的质量是否可靠，如果各项指标满足规范要求,在此基础上才可以进行二维约束平差。 四等复测控制网平差包括三维无约束平差和二维约束平差，平差数据采用基线向量的双差固定解进行。网平差和坐标转换均利用科傻 GPS平差软件，首先进行三维无约束平差，统计四等控制网三维无约束平差精度数据，分析四等控制网的基线向量网自身的内符合精度，基线向量有没有明显系统误差和粗差，基线向量网的质量是否可靠，如果各项指标满足规范要求,在此基础上才可以进行二维约束平差。 (七)控制网实测成果分析及结论 1 四等控制网成果判别方法 ? 首先用测量中的已知控制点对网进行约束平差，得到成果，并进行成果与设计值比较，对于网中任一点，如果与相邻点基线边长度较差大于限差时，进行检核。确认复测精度满足要求时,可认为该点位已有变动,经再次复测确认后，上报业主，要求设计单位对坐标值进行修正。 40 兰州交通大学毕业设计 ? 在确认观测精度满足要求时的前提下,进行观测平差计算,然后进行控制点的观测坐标与原测坐标的比较,点位较差应满足不大于2.0cm的要求。2 控制网观测坐标成果分析及结论。 三维无约束平差计算完成后选择标石完好且基线满足要求的四等控制点为已知点进行约束平差,按与原测相同的分带投影的独立工程坐标系对基线网进行约束转换，得到四等平面控制网中各点的西安80国家大地坐标系成果。统计二维无约束平差计算后精度数据，通过对上述四等控制网平差精度分析，并得出结论。 第四节 贯通误差的估算 一、贯通和贯通测量 为了加快巷道掘进速度，缩短通风距离，改善工人工作条件，常在不同地点用几个工作面分段掘进同一巷道，使各分段巷道相通后仍能满足设计要求，这种工程称为贯通。为了使两个或多个掘进工作面，按其设计要求在预定地点正确接通而进行的测量工作，称为贯通测量。贯通是一项地下隧道施工技术，在地铁工程、矿山采掘工程、跨江跨海隧道、水电工程的输水隧道以及国防工程中广泛应用。贯通工程包括三种情况 1 两个工作面相向掘进，叫相向贯通， 2 两个工作面同向掘进，叫同向贯通。 3 从巷道一端向另一端的指定点掘进，叫单向贯通、 隧道贯通时，测量人员的任务就是要保证各掘进工作面均沿着设计位置与方向掘进，使贯通后接合处不超过规定的限度。显然，贯通测量是一项非常重要的测量工作，测量人员所负的责任是十分重大的，如果因贯通 41 兰州交通大学毕业设计 测量过程中发生错误而未能贯通，或贯通后接合处的偏差超限，将影响工程质量，甚至造成整个工程报废、人员伤亡等严重后果，在经济上和时间上给国家造成很大损失。因此，要求贯通测量人员必须有强烈的责任心，认真负责的工作态度、一丝不苟的工作作风，以确保贯通工程顺利完成。贯通测量工作应遵循下列两条原则: 1 要在确定测量方案和测量方法正确的同时，保证贯通所必需的精度，过高或过低的精度要求都是不合适的。 2 对所完成的每一项测量和计算工作都应有客观独立的检查检核，严格防止不应有的粗差出现。 二、贯通的种类和容许偏差 隧道贯通一般可分为:一井内隧道贯通，两井间隧道贯通和竖井贯通三种类型 由于测量过程中不可避免的会产生误差，因此贯通实际上总是存在偏差。如果贯通接合处的隧道偏差达到某一限值，但仍不影响隧道的正常使用，则称该限值为贯通的容许偏差。这种容许偏差的大小一般是随工程的性质而定，也可采用有关规范所允许的贯通测量容许偏差值。 贯通偏差可能发生在空间的三个方向上: 1 水平面内沿中线方向上的长度偏差，这种偏差只对贯通长度有影响，而对隧道质量没有影响; 2 水平面内垂直于隧道中心方向的偏差; 3 水平隧道的高程偏差。 以上三种偏差中，前一项偏差对隧道质量没有影响，但往往会影响生产安 42 兰州交通大学毕业设计 全，在相向贯通时，当贯通相差15-20m左右，其中一方应停止爆破，由于距离偏差，会引起另一个掘进面工作人员的人身安全，因此，距离偏差不可忽略。 后两项偏差直接影响隧道的质量，所以又叫贯通重要方向的偏差。对于竖井贯通来说，影响贯通质量的是平面位置偏差。贯通测量预算误差一般采用中误差的两倍值。、当预算误差超过容许偏差值时，应尽量采用提高测量精度的办法解决。 三、贯通测量工作的步骤和贯通测量设计书的编制 (一) 贯通测量工作步骤 1 调查了解贯通工程的实际情况，根据贯通的容许偏差，选择合理的测量方案和测量方法。对于重要的贯通工程，要编制贯通测量设计书，进行贯通误差预算，以验证所选择的测量方案、测量仪器和测量方法的合理性。 2 依据选定的测量方案和方法进行施测和计算，每一施测和计算环节，均需有独立可靠的检核，并将实测精度与设计书中所要求的精度进行比较。若发现实测精度低于设计中所要求的精度时，应分析其原因，采取提高实测精度的相应措施，返工重测。 3 根据有关数据计算贯通隧道的标定几何要素，并实地标定隧道的中线和腰线。 根据掘进工作的需要，及时延长隧道的中线和腰线，定期进行检查测量和填图，并根据测量结果及时调整中、腰线。当两个工作面距离在岩体中剩下15-20m，在煤巷或者地质条件不好隧道中剩下20-30m时，测量人员应以 43 兰州交通大学毕业设计 书面方式报告贯通工程总工程师或总负责人，并通知安全检查部门及施工区队，停止一头掘进。 4 隧道贯通后，应立即测量贯通的实际偏差值，并将两边的导线连接起来，计算各项闭合差。此外，还应对最后一段隧道的中腰线进行调整。 5 重大贯通工程完成后，应对测量工作进行精度分析和评定，写出技术总结。 (二) 贯通测量设计书的编制 重要的贯通工程开始之前，应编制测量设计书，其主要任务是选择合理的测量方案和测量方法。贯通测量设计书的编写提纲一般有以下几个方面的内容。 1 贯通工程概况。包括贯通工程的目的、任务和要求，贯通容许偏差值的确定，并附比例尺不小于1:2000的隧道贯通工程图。 2 贯通测量方案的选定。包括地面控制测量，地下起始数据的传递以及贯通隧道的控制测量的方案，并说明所采用的测量起始数据的情况。 3 贯通测量方法。包括所采用的仪器，测量方法以及其限差的规定。 4 贯通测量误差预算。绘制比例尺不小于1:2000的贯通测量设计平面图，在图上绘出与工程有关的隧道和地面的测量控制点，确定测量误差参数，并进行误差预算。通常采用两倍中误差作为预算误差，预算误差不应超过规定的容许误差。 5 贯通测量中应注意的问题和应采取的相应措施。 由于洞外控制测量、洞内外联系测量、洞内控制测量和洞内中线放样等项误差的共同影响。 44 兰州交通大学毕业设计 一般将洞外平面控制测量的误差做为影响隧道横向贯通误差的一个独立的因素，将两相向开挖的洞内导线测量的误差各为一个独立的因素，按照等影响原则确定相应的横向贯通误差 高程控制测量中，洞内、洞外高程测量的误差对高程贯通误差的影响，按相等原则分配。 四、横行贯通误差的估算 (一)单导线 单导线对隧道贯通误差的影响主要是由于测角和测边引起的，由测角误差引起的横向贯通误差按下式计算: ,m,2mRx,,,y,,, 式(2-31) 式中: mβ″----导线测角中误差(″); ρ″----弧秒，取用206265″; 2m?Rx2 ----导线各测角点至贯通面的垂直距离的平方和()。 由测边引起的横向贯通误差按下式计算: m2lm,,d,ylyl 式(2-32) ml式中: ---- 导线测边相对中误差; l 2m?dy2---- 导线各边在贯通面上投影长度的平方和()。 单导线测量误差对横向贯通误差的总影响值按下式计算: 22m,,m，my,yl 式 45 兰州交通大学毕业设计 (2-33) 单导线估算实例: 某隧道如下图2-11所示: 贯通面 E D C A F B 图2-11 单导线为:A?B?C?D?E?F 点号 到贯通面的垂直距离(m) 在贯通面的投影长度(m) A 820 90 B 450 200 C 120 10 D 570 90 E 1020 170 F 840 测角误差引起的横向贯通误差为: 2.522222m,,,，，820，450，120，570，1020,,0.0182m,,18.2mmy,206265 测边误差引起的横向贯通误差为: 122222，，m,,,90，200，10，90，170,,0.0146m,,14.6mmyl20000 46 兰州交通大学毕业设计 2222m,,m，m,,18.2，14.6,,23.3mmy,yl (二)主副导线环 主副导线环测量误差对贯通误差的影响值按下式计算: 2,2,,mm1,,,2l,,,,，md,,,yl,,,,,l,,,,, 式 (2-34) ml式中: ---- 主导线测边相对中误差; l mβ″---- 导线测角中误差(″); 2?dy 2 ---- 主导线各边在贯通面上投影长度的平方和(m)。 1 ---- 导线环平差角对贯通影响的权倒数; ,, 2R1,,2x,R,,,x，，,n，1，k,, 式 (2-35) Rx ---- 主导线各点至贯通面的垂距(m); (n+1)+k′---- 主副导线环测角站总数。 单导线估算实例: 某隧道如下图2-12所示: E′ 贯通 面 E D′ C′ D A C F B′ B 47 兰州交通大学毕业设计 图2-12 和单导线相比，加测了副导线组成了闭合环。 导线环测量误差对贯通误差的总影响值按下式计算: m1ln，1,6k,,4m,,2.5,,假设两端洞口均联系副导线进洞， ，，，，，,l20000导线环平差角对贯通误差影响的权倒数按下式计算: 2，，1,820,450，120，570，1020，8402222224,,,820，450，120，570，1020，840,,280，10,10, 2,222,,mm112.5,,,,,,,24l,,m,,d，,,，85200，，280，10,,25.0mm,,,,,,,yl,,,l,,20000206265,,,,,,,,, 假设两端均联系主导线进洞，则 21,450，120，570，1020，，22224,,,450，120，570，1020,,142，10,10, 2212.5,,,,4m,,，85200，，142，10,,20.5mm,,,,20000206265,,,, 可见，联系主导线方向进洞，对贯通精度有利。 (三)导线网 导线网测量误差对贯通精度影响值有以下几种估算方法:按条件平差的估算方法、按间接平差的估算方法、按点位误差椭圆的估算方法等。这里不再详述。 48 兰州交通大学毕业设计 (四)附和导线 附和导线测量误差对贯通精度影响值的估算方法同单导线。 (五)三角锁 三角锁测量误差对贯通精度的影响值按照导线近似估算时，首先从三角锁内选取一条替代导线，替代导线宜按进出口联线方向较接近，且边数较少的一列的三角锁的边组成。两端洞口所选的边要便于向洞内引测导线或便于向洞口投点。 一般布网时已确定起始边，根据布网图形及选取替代导线的情况，确定最弱边，并估算其精度。 ,,,,mml1l2,,,,，,,,,LLm12,,,,l,22l,,,,mml1l2,,,,，,,,,LL12,,,, 式(2-36) 22m,,mm,,1,lb,,,,,,，,,,,,,Lb,,,,, 式(2-37) 1222，，,cos,，cos,，cos,,cos,,,3, 式(2-38) mm12ll式中:分别为两端起始边推算的最弱边的边长相对中误差。 、LL12 mb ---- 起始边相对中误差 b 1 ---- 权倒数(用真数计算) ,, α、β为求距角 49 兰州交通大学毕业设计 替代导线为:A?B?C?D?E?F 五、高程贯通误差的估算 受洞外和洞内高程控制测量误差影响，在贯通面上所产生的高程中误差按下式计算: 22m,,m,L，m,L,外,内h,外内 式(2-39) L外、L内 ---- 相邻两开挖洞口间的洞外和洞内水准路线长度(km); m?外、m?内 ---- 洞外、洞内每公里水准测量高差中数的偶然中误差(mm)。 洞外、洞内水准测量的每km路线高差中数的偶然中误差，按下式分别计算: n1,,,,m,,,,,,4nR,,1 式(2-40) 式中:? ---- 测段往返测高差不符值(mm); R ---- 测段的单程长度(km); N ---- 测段数。 估算实例: 某隧道长2.5km(同前例)。洞外、洞内均采用四等水准测量双导线， m,,7.4mm，L,3.5km;m,,10mm，L,2.8km,外外,内内实测 洞外水准测量误差对高程贯通精度的影响值 7.4m,,,3.5,,9.8mm,h外2 洞内水准测量误差对高程贯通精度的影响值 50 兰州交通大学毕业设计 10.0m,,,2.8,,11.8mm,h内2 洞外、洞内水准测量误差对高程贯通精度的总影响值 22m,,m，m,,15.3mm,h外,h内,h 结论 51 兰州交通大学毕业设计 随着科技的不断进步，在测量工作当中也渗透进了很多先进技术，测量工作所涵盖的范围也越来越广，测量工作对工程的成败和盈亏起着举足轻重的地位，在隧道测量中，从19世纪后期到20世纪前期的人力开挖、手工操作、机具简单、技术落后发展到现在的自动化程度越来越高、测量仪器的体积越来越小、重量越来越轻、测量速度越来越快以及工效越来越高。尤其是全站仪和GPS的广泛使用，以及各种新型测量工具的配合使用和各种新的测量技术的融合，让现在的测量工作变的越来越轻松。 经过三个月的搜集资料，到现在的初稿完成，在这期间遇到了很多困难，刚开始不知道该怎么入手，对知识理解的不够清楚，但是通过不断的查资料解决的这些困难，通过这侧毕业设计让我把以前在书本上学的很多知识理解的更加透彻，在查找资料的过程中也了解到了很多课外知识，开拓了视野，认识到了测量工作在以后的社会发展过程中会起到的巨大作用。 总之，不管遇到多大的挫折，一定要不怕麻烦，“世上无难事，只要肯登攀”只要坚持到最后，就一定会成功。 52 兰州交通大学毕业设计 致谢 在此 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 撰写过程中，要特别感谢王世杰老师的指导与督促，同时感谢他的谅解与包容。没有王老师的帮助也就没有今天的这篇毕业设计。还要感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。再次还要感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。 由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正～ 53 兰州交通大学毕业设计 参考文献 [1]《TB10101-2009 铁路工程测量规范》09版; [2]《TB10601-2009_高速铁路工程测量规范》; 3]GB/T 18314-2001《全球定位系统(GPS)测量规范》; [ [4]赵吉先、吴良才、周世健 .《地下工程测量》 (测绘出版社); [5]卓建成.《工程控制测量建网理论》 (西南交通大学出版社); [6]全球定位系统(GPS)测量规范.CH 2001292,2001; [7]夏明耀(地下工程设计手册(北京:中国建筑工业出版社，1999; [8]张正禄. 工程测量学[M]. 武汉: 武汉大学出版社,2002; [9]张项铎, 张正禄. 隧道工程测量[M]. 北京: 测绘出版社, 1998; [10]夏德良,亮云. 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