基于GPS的高速鐵路沉降觀測(cè)可行性研究

張訓(xùn)虎，章 磊，王曉奇

(1.國(guó)家測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，北京 100830；2.北京七維航測(cè)科技股份有限公司，北京 100094）

基于GPS的高速鐵路沉降觀測(cè)可行性研究

張訓(xùn)虎1，章 磊1，王曉奇2

(1.國(guó)家測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，北京 100830；2.北京七維航測(cè)科技股份有限公司，北京 100094）

一、引 言

隨著中國(guó)高速鐵路主干網(wǎng)建設(shè)的開展，高速鐵路建設(shè)中的許多技術(shù)問題成了近幾年內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。其中高速鐵路建設(shè)環(huán)節(jié)中對(duì)施工速度與效率形成的制約瓶頸―――施工方式、技術(shù)方面雖屢有突破，但是因遵循原有測(cè)量檢核流程，在速度上沒有得到本質(zhì)的提高。尤其是高鐵建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)中的沉降監(jiān)測(cè)方面，現(xiàn)在還在采用常規(guī)測(cè)量方式，即人工觀測(cè)方法。這種方式無論是在速度上還是實(shí)時(shí)性上都不能滿足高鐵快速建設(shè)的需要，成為高速鐵路建設(shè)過程中的瓶頸。

本文采用GPS觀測(cè)的方式進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)工作，提出了新見解，并且在沈丹高速四工區(qū)得到驗(yàn)證。通過一系列工作驗(yàn)證和測(cè)試證實(shí)了高速鐵路建設(shè)中應(yīng)用本文所提的沉降觀測(cè)方法的可行性與快捷性。測(cè)試結(jié)果證明了這一方式能夠在高速鐵路施工與運(yùn)行維護(hù)環(huán)節(jié)的沉降觀測(cè)工作中使用。

二、理論基礎(chǔ)及測(cè)試方法

在高速鐵路建設(shè)過程中，通常采用等級(jí)水準(zhǔn)的方式，人工往返測(cè)量的方法進(jìn)行沉降觀測(cè)[1]。這種方法耗時(shí)、耗力、耗人，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，需要人員多，每個(gè)測(cè)段都需要大量人力進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量，并且為保證精度，還需要考慮時(shí)間、氣候、環(huán)境等的影響，嚴(yán)重制約了測(cè)量的進(jìn)度和效果；同時(shí)測(cè)量結(jié)果不能實(shí)時(shí)上傳，導(dǎo)致結(jié)果滯后。例如：部分區(qū)域發(fā)生沉降，施工單位不能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題，需要等到下一個(gè)測(cè)量時(shí)段進(jìn)行后才能獲知，從而導(dǎo)致不可彌補(bǔ)的損失。以上弊端決定了等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量在高鐵沉降觀測(cè)工作中應(yīng)用的局限性。

本研究采用GPS實(shí)時(shí)測(cè)量外加高精度后處理軟件的方法進(jìn)行。該方法能夠提供水平和垂直方向上均達(dá)到1 mm精度的觀測(cè)結(jié)果，并且能夠?qū)崟r(shí)提供測(cè)量成果，彌補(bǔ)了上述等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量出現(xiàn)的問題[2]。

1.理論基礎(chǔ)

我國(guó)常用的高程基準(zhǔn)為正常高系統(tǒng)。所謂正常高即地面上觀測(cè)點(diǎn)沿垂線方向至似大地水準(zhǔn)面的距離。GPS所測(cè)高程為WGS-84坐標(biāo)系下的大地高，即地面上觀測(cè)點(diǎn)沿法線方向至參考橢球面上的距離，如圖1所示。

圖1

大地高與正常高之間的關(guān)系是H正常＝H大地-ξ，其中ξ為該點(diǎn)的高程異常。在沉降測(cè)量中，若要計(jì)算兩點(diǎn)間的高差，即H正常1＝H大地1-ξ1，H正常2＝H大地2-ξ2的高差，在兩點(diǎn)間的距離很近的情況下，可以視ξ1與ξ2相同，從而兩點(diǎn)間的正常高高差與大地高高差為同一值。故可以采用GPS高程來代替水準(zhǔn)測(cè)量的方式，觀測(cè)同一點(diǎn)的高程變化。

由于GPS測(cè)得的高程值為WGS-84的橢球高，該高程垂直于WGS-84橢球的橢球面。水準(zhǔn)測(cè)量獲取的是正常高，該高程垂直于似大地水準(zhǔn)面。兩個(gè)高程值在數(shù)值上和表示上具有明顯的區(qū)別。但是，空間的一個(gè)點(diǎn)上，如果相對(duì)似大地水準(zhǔn)面上發(fā)生沉降，那么在橢球面上一定也發(fā)生相應(yīng)的變化。雖然與高程相關(guān)的兩個(gè)變化量在方向上不同，由于兩者之間的夾角θ非常小，因此這兩個(gè)變化量在方向上的區(qū)別可以認(rèn)為是微乎其微的，從而可以認(rèn)為兩個(gè)值是可以互相代替的。如圖2、圖3所示。

圖2

圖3

2.測(cè)試方法

本文采用麥格集團(tuán)GPS實(shí)時(shí)觀測(cè)加高精度后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，麥格監(jiān)測(cè)軟件是利用三差法與卡爾曼濾波技術(shù)研發(fā)的快速高精度解算軟件，軟件能夠?qū)崿F(xiàn)絕對(duì)位移與相對(duì)位移的高精度解算。滿足觀測(cè)條件的情況下觀測(cè)15～30 min后觀測(cè)數(shù)據(jù)即可達(dá)到實(shí)時(shí)毫米級(jí)精度。

測(cè)試按照如下過程進(jìn)行：首先利用等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量的方式測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的高程；然后架設(shè)GPS接收機(jī)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)位上，采用多次量取GPS天線高的方式，把監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程傳遞到GPS天線頂面上。

由于測(cè)量時(shí)間短，為了讓沉降過程更加明顯，本次測(cè)試采用自帶的升降臺(tái)進(jìn)行人工變高，以達(dá)到變化高程的目的。本次測(cè)試的目的是人為在高程上制造一個(gè)變量，使用GPS獲取的大地高變化來檢查這個(gè)變量。如果兩個(gè)值的互差很小，則完全可以使用GPS測(cè)量大地高高差代替水準(zhǔn)測(cè)量的正常高高差。檢測(cè)方法就是對(duì)兩次水準(zhǔn)測(cè)量的高程互差值與兩次GPS測(cè)量的大地高互差值進(jìn)行對(duì)比，從而得到兩者之間的相對(duì)關(guān)系[3]。

如果數(shù)據(jù)處理軟件能夠及時(shí)并準(zhǔn)確地反映整個(gè)變高的過程，說明測(cè)試方法及軟件解算精度與解算速度應(yīng)用于沉降觀測(cè)是可行的[4-5]。

三、測(cè)試過程

系統(tǒng)的測(cè)試工作于2010年10月31日在沈丹線鳳城市的四工區(qū)進(jìn)行，用以驗(yàn)證以上方法的可行性。首先使用水準(zhǔn)儀按照等級(jí)水準(zhǔn)的方式進(jìn)行全線路的水準(zhǔn)測(cè)量，測(cè)得各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程值；然后在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上架設(shè)GPS，共計(jì)4個(gè)點(diǎn)，其中8108點(diǎn)為精度最高的CPI，本次測(cè)試以該點(diǎn)作為基準(zhǔn)站，架設(shè)儀器為Trimble NetR8 GNSS接收機(jī)，該接收機(jī)能夠接收雙頻雙星數(shù)據(jù)。其他3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用Trimble 4700 GPS接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量。各點(diǎn)的空間分布情況如圖4所示。

圖4

所有接收機(jī)均采用1 Hz的采樣間隔。觀測(cè)時(shí)間為2010年10月31日10：00―17：00。其中9070點(diǎn)位GPS接收機(jī)在15：00上升了14 mm，如圖5所示。其他幾個(gè)點(diǎn)在觀測(cè)過程中始終未變。9070點(diǎn)的高程時(shí)程曲線如圖6所示。

圖5 儀器變高前后對(duì)比

圖6 9070點(diǎn)高程時(shí)程曲線圖

從測(cè)試結(jié)果(見表1）中各點(diǎn)GPS測(cè)量在各個(gè)方向的偏差范圍和偏差值情況可以看出，測(cè)試結(jié)果符合毫米級(jí)的精度要求。并且9070點(diǎn)位的高程由0.003 m變成0.017 m時(shí)，高程測(cè)量結(jié)果也準(zhǔn)確地變化了14 mm，準(zhǔn)確測(cè)出了監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程的變化情況。而9008和9069兩個(gè)點(diǎn)在連續(xù)7 h的觀測(cè)過程中，無論平面和高程都沒有顯著的變化。因此證明了該方法能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)高程變化的數(shù)值，并且具有較好的穩(wěn)定性、時(shí)效性。

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)GPS測(cè)量情況統(tǒng)計(jì)

四、結(jié) 論

由于現(xiàn)場(chǎng)和時(shí)間的原因，沒有把GPS接收機(jī)天線安裝在強(qiáng)制對(duì)中墩上，而是架設(shè)在三腳架上，造成了因三腳架受到太陽(yáng)、風(fēng)力的影響而出現(xiàn)的一定程度上的精度損失。如果將GPS接收機(jī)天線架設(shè)在強(qiáng)制對(duì)中墩上，所體現(xiàn)的測(cè)量精度會(huì)更好。由于是臨時(shí)測(cè)試，沒有防盜裝置，不能長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。雖然僅僅測(cè)試了7 h，但已經(jīng)能充分體現(xiàn)出這種方法的測(cè)量精度和軟件數(shù)據(jù)處理的能力。

通過這次測(cè)試的結(jié)果可以看出，GPS應(yīng)用于沉降觀測(cè)確實(shí)能達(dá)到1 mm的精度，完全滿足高鐵沉降觀測(cè)需要。所使用的軟件能在高程方向上進(jìn)行沉降觀測(cè)的同時(shí)得到平面上的變化量，針對(duì)橋墩等構(gòu)筑物可以進(jìn)行變形觀測(cè)。能夠通過網(wǎng)絡(luò)按照一定的時(shí)間間隔把形變數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)入庫(kù)，并以圖形或曲線的方式展示出來。這種沉降觀測(cè)方式的數(shù)據(jù)具備實(shí)時(shí)性、高效性，為分析、處理和應(yīng)對(duì)形變?cè)蛱峁┝顺渥愕臅r(shí)間，可以確保高鐵施工及運(yùn)行管理維護(hù)的安全。

五、應(yīng)用展望

利用GPS進(jìn)行變形觀測(cè)的技術(shù)具有成熟性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，已經(jīng)在三峽、地震等很多工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用[6-7]。結(jié)合本次測(cè)試的結(jié)論，沿高鐵線路按照一定的距離間隔，選取地質(zhì)條件穩(wěn)定的地點(diǎn)布設(shè)GPS基準(zhǔn)站，在高鐵沿線地質(zhì)不穩(wěn)定有可能形成形變的區(qū)域，如長(zhǎng)橋、地下水超采區(qū)、大型水庫(kù)附近等進(jìn)行監(jiān)測(cè)GPS點(diǎn)布設(shè)，就可以實(shí)現(xiàn)三維的實(shí)時(shí)形變監(jiān)測(cè)[8]，利用這種方法可以確保高鐵施工及運(yùn)行維護(hù)安全。

為更好地實(shí)現(xiàn)GPS在高速鐵路建設(shè)中的應(yīng)用，可以在施工前布設(shè)足夠的基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)GPS帶狀構(gòu)網(wǎng)，并結(jié)合多功能軟件系統(tǒng)(如VRS軟件），服務(wù)于工程的前期、中期及運(yùn)行維護(hù)各個(gè)階段。如在施工的前期，涉及選線、征地、填挖土方等工作都可以利用該VRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行GPS測(cè)量實(shí)現(xiàn)全區(qū)域厘米級(jí)實(shí)時(shí)測(cè)量精度[9]，比原來的作業(yè)方法效率高、精度好；在施工過程中能提供實(shí)時(shí)坐標(biāo)，并且可以作為基樁控制網(wǎng)(CPⅢ）點(diǎn)坐標(biāo)的復(fù)核使用，快速、高效；在高速鐵路的運(yùn)行維護(hù)階段，使用GPS自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)能夠很好地替代需要投入大量人力、物力、財(cái)力而且效率低的常規(guī)水準(zhǔn)觀測(cè)，快速、高效地完成沉降監(jiān)測(cè)工作。因此，基于GPS的沉降觀測(cè)方式的應(yīng)用將助力于高速鐵路的施工和運(yùn)行維護(hù)工作。

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10601―2009高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

[2]夏朋，羅新宇，吳和元.GPS高程測(cè)量代替精密水準(zhǔn)測(cè)量的可行性研究[J].甘肅科技，2010，26(3）：45-46.

[3]劉天亮.GPS應(yīng)用于鐵路沉降監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012(2）：97-98.

[4]李宏賢.地表移動(dòng)綜合成果解算系統(tǒng)[J].甘肅科技縱橫，2007(6）：43.

[5]陳超，張獻(xiàn)州，尚金光.高速鐵路沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程質(zhì)量控制與管理[J].高速鐵路技術(shù)，2011(5）：25-29.

[6]董龍橋.應(yīng)用GPS技術(shù)進(jìn)行大面積地面沉降監(jiān)測(cè)[J].測(cè)繪通報(bào)，2006(2）：39-41.

[7]張鵬飛.RTK和GPS在礦區(qū)地面變形觀測(cè)中的應(yīng)用[C]∥《測(cè)繪通報(bào)》測(cè)繪科學(xué)前沿技術(shù)論壇摘要集.北京：測(cè)繪出版社，2008.

[8]章振欣.GPS-RTK技術(shù)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用[J].浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2009，21(2）：28-31.

[9]劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].2版.北京：科學(xué)出版社，2008.

Study on the Feasibility of High-speed Railway Settlement Observation Based on GPS

ZHANG Xunhu，ZHANG Lei，WANG Xiaoqi

通過理論分析和實(shí)際測(cè)試，采用人為變化測(cè)試點(diǎn)高程的方法，論證并檢驗(yàn)使用GPS測(cè)量橢球高代替水準(zhǔn)測(cè)量的可行性。通過測(cè)試結(jié)果可以看出，GPS測(cè)量能夠準(zhǔn)確反映各點(diǎn)的三維坐標(biāo)變化情況，在高程測(cè)量方面能夠準(zhǔn)確測(cè)量出人為變化的高程值。測(cè)試過程中所使用的軟件能夠準(zhǔn)確及時(shí)地解算數(shù)據(jù)，為沉降觀測(cè)工作提供可靠的計(jì)算保障。

GPS；水準(zhǔn)測(cè)量；高鐵沉降觀測(cè)

P258

B

0494-0911(2014）10-0092-03

2013-07- 26；

2014-01-24

張訓(xùn)虎(1977―），男，山東濟(jì)南人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事GPS及GIS應(yīng)用工作。

張訓(xùn)虎，章磊，王曉奇.基于GPS的高速鐵路沉降觀測(cè)可行性研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(10）：92-94.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0338