廣東某公路工程變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

唐吉林

摘 要：本文基于筆者多年從事公路工程勘察測(cè)量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，探討了GPS在公路工程勘測(cè)中的應(yīng)用，論文首先分析了GPS變形監(jiān)測(cè)的方法，進(jìn)而結(jié)合具體的工程案例，分析了工程實(shí)施的過程和精度分析的結(jié)果，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：GPS 沉降 變形監(jiān)測(cè) 公路

中圖分類號(hào)：U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）04（c）-0000-00

1 GPS變形監(jiān)測(cè)方法

1.1 全天候、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法

對(duì)于高等級(jí)的公路，由于其使用頻率較大，需要實(shí)時(shí)了解其變化狀態(tài)，以便及時(shí)采取措施，保證人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，可采用全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)方法，即GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的精度可按要求設(shè)定，最高監(jiān)測(cè)精度可達(dá)亞毫米級(jí)。系統(tǒng)響應(yīng)速度快，從控制中心敲擊鍵盤開始，10分鐘內(nèi)可以了解5～10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)變化情況。

1.2 定期監(jiān)測(cè)方法

該方法是最常用的方法，本文主要介紹靜態(tài)測(cè)量法，快速靜態(tài)測(cè)量法，以靜態(tài)測(cè)量法為主：

（1）靜態(tài)測(cè)量法：靜態(tài)測(cè)量法，就是把多于3臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)安置在觀測(cè)點(diǎn)上同步觀測(cè)一定時(shí)段，一般為1小時(shí)至2小時(shí)不等，用邊連接方法構(gòu)網(wǎng)，用后處理軟件解算基線，經(jīng)平差計(jì)算求定觀測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，這種方法定位精度較高。

（2）快速靜態(tài)測(cè)量法：這種方法尤其適用于對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)。其工作原理是：

把兩臺(tái)GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)點(diǎn)上固定不動(dòng)連續(xù)觀測(cè)，另1～4臺(tái)接收機(jī)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上移動(dòng)，每次觀測(cè)5-10分鐘（采樣間隔為2秒），經(jīng)事后處理，解算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，根據(jù)各次觀測(cè)解算出的三維坐標(biāo)精度為：水平位移±3-±5mm，垂直位移±5-±8mm。若距離大于3km，水平精度為5mm+1ppm.D，垂直精度為8mm+1ppm.D。為了與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行比較分析，可以用下圖所示進(jìn)行方案比選或共同采用。

2 工程概述

某高速公路全線采用雙向四車道全封閉高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)行車時(shí)速100公里/小時(shí)至120公里/小時(shí)。本人選取其中 10km作為GPS沉降變形監(jiān)測(cè)的工程項(xiàng)目，所處地形為平原和丘陵連接地帶，設(shè)計(jì)路基寬度26m。路線設(shè)計(jì)為四車道該段有11個(gè)各種系統(tǒng)的平面控制點(diǎn)，經(jīng)過實(shí)地尋找，找出了5個(gè)。

在已找出的5個(gè)控制點(diǎn)中，國家測(cè)繪局系統(tǒng)一等點(diǎn)2個(gè)，二等點(diǎn)1個(gè)，城市測(cè)量系統(tǒng)點(diǎn)2個(gè)，這些平面控制點(diǎn)分屬不同測(cè)量系統(tǒng)，且等級(jí)不同。2010年9月，本人對(duì)其中 10km路段進(jìn)行了測(cè)定，采用了 GPS技術(shù)進(jìn)行高程測(cè)量，并與用二等水準(zhǔn)測(cè)量的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，在測(cè)量過程中有意識(shí)對(duì)GPS的高程進(jìn)行了檢驗(yàn)。

3 工程實(shí)施過程

（1）觀測(cè)使用AshtechZ-X雙頻GPS接收機(jī)5臺(tái)，二等水準(zhǔn)采用NAZ+GPM3型水準(zhǔn)儀。并對(duì)兩種方法測(cè)量的成果進(jìn)行分析，同時(shí)用全站儀檢驗(yàn)了GPS點(diǎn)的坐標(biāo)。（2）GPS網(wǎng)采用靜態(tài)模式觀測(cè)，網(wǎng)形采用邊連式。觀測(cè)時(shí)最少衛(wèi)星數(shù)5顆，存儲(chǔ)的限差：水平為±5mm，垂直為±10mm；水準(zhǔn)測(cè)量參照二等水準(zhǔn)的精度指標(biāo)。（3）在測(cè)區(qū)內(nèi)l0km范圍內(nèi)有GPS基準(zhǔn)點(diǎn)7個(gè)，布設(shè)14個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)1～2h。

4 精度分析

4.1測(cè)區(qū)GPS沉降變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的精度分析

下面結(jié)合某高速公路的其中10km路段的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，對(duì)GPS基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)的精度進(jìn)行分析，該路段沉降變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，由7個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（JZ03、JZ06、JZ08、JZ09、JZ10、JZ18和JZ21）組成了GPS基準(zhǔn)網(wǎng)；由14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（BJ01、BJ02、BJ04、BJ05、BJ07、BJ11、BJ12、BJ13、BJ14、BJ15、BJ16、BJ17、BJ19、BJ20）組成了 GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)。通過長時(shí)間的精密水準(zhǔn)觀測(cè)和基準(zhǔn)分析，認(rèn)定JGO3點(diǎn)是穩(wěn)定的，把JZO3作為基準(zhǔn)起算點(diǎn)，解算整個(gè)GPS網(wǎng)，GPS沉降變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)采用邊連接形式布設(shè)。

表1給出了GPS基準(zhǔn)網(wǎng)基線解算的邊長中誤差。從表1中可以看出，GPS基準(zhǔn)網(wǎng)的基線解算精度達(dá)到了毫米級(jí)。最大的基線邊長中誤差為5.7mm，最小的基線邊長中誤差為0.lmm。GPS基準(zhǔn)網(wǎng)是在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行整體平差。平差時(shí)，固定具有精密WGS-84坐標(biāo)的JG03點(diǎn)，以提高整個(gè)基準(zhǔn)網(wǎng)的位置精度。平差后獲得其它基準(zhǔn)點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)和高斯平面直角坐標(biāo)及相關(guān)精度信息。監(jiān)測(cè)網(wǎng)的平差也在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行。經(jīng)過平差后獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)及相關(guān)的精度信息；然后固定JGO3點(diǎn)和方向，在WGS-84坐標(biāo)系的高斯平面上進(jìn)行平差。平差后獲得變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高斯平面直角坐標(biāo)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的平面邊長及其相關(guān)信息。

從GPS基準(zhǔn)點(diǎn)和變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的中誤差統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，高程分量的精度雖然不如南北和東西方向分量的精度，但也沒有超過6mm的，除了個(gè)別點(diǎn)因?yàn)橹車^測(cè)條件的影響（特別是多路徑效應(yīng)的影響）以及城區(qū)觀測(cè)環(huán)境的因素外，大多數(shù)都在4mm左右，是可以滿足沉降變形監(jiān)測(cè)的需要。當(dāng)然，如果在觀測(cè)過程中，采取更多的措施，比如，采集數(shù)據(jù)前，精確檢驗(yàn)每個(gè)天線的相位中心位置，特別是垂直方向的差值；觀測(cè)時(shí)段增加到10h以上，同時(shí)擁有更多的同步觀測(cè)站點(diǎn)等，精度會(huì)更高，也是值得進(jìn)一步考慮的。

4.2沉降監(jiān)測(cè)及與精密水準(zhǔn)的一致性分析

通過表3比較GPS與全站儀2種方法的測(cè)量結(jié)果可以看出：在2種方法下測(cè)得的同一坐標(biāo)之差的最大值分別為： △Xmax=4.0mm，△Ymax=5.0mm。因此，GPS測(cè)量成果是精確可靠的，從下面定位精度一致性檢驗(yàn)結(jié)果來看，GPS技術(shù)測(cè)量的點(diǎn)位精度可達(dá)毫米級(jí)，與全站儀測(cè)定結(jié)果符合得較好，可以較好地滿足公路變形監(jiān)測(cè)的精度要求。使用GPS測(cè)出變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程，然后將GPS高程與水準(zhǔn)高程進(jìn)行比較，其比較結(jié)果具有很高的參考價(jià)值。

可以看出，GPS高程與水準(zhǔn)高程最大差值不超過5mm。GPS高程能滿足公路變形監(jiān)測(cè)的精度要求。GPS的數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，在水平方向上的監(jiān)測(cè)精度能達(dá)到毫米級(jí)，在豎直方向上的精也能達(dá)到毫米級(jí)。完全符合公路沉降變形監(jiān)測(cè)的精度要求。下面表格中的數(shù)據(jù)是從工程實(shí)例中抽取具有代表性的公路GPS沉降變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并以此數(shù)據(jù)為例，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表4中僅列出了五個(gè)觀測(cè)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從中可以看出，不同周期的數(shù)據(jù)有所變化，相鄰觀測(cè)周期之間的高程變化不大，到了監(jiān)測(cè)后期變化甚小，趨于平穩(wěn)狀態(tài)。也就是說，在公路剛剛進(jìn)入運(yùn)營階段，是最容易發(fā)生沉降變形的，因此，剛剛投入使用的公路，前期的維護(hù)和保養(yǎng)是相當(dāng)關(guān)鍵的。

在此基礎(chǔ)上，筆者選擇工程中的部分變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪制在公路使用過程中的高程變化趨勢(shì)圖。由于選取的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)是隨機(jī)的，因此，該圖形可以代表該高速公路的其中10km路段的整體變化情況，可以清楚的看到，在公路使用前期，監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間呈下沉趨勢(shì)，而且下沉比較明顯。到了沉降監(jiān)測(cè)后期，由于前期在沉降變形過程中，對(duì)公路進(jìn)行了科學(xué)的維護(hù)和保養(yǎng)，路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，強(qiáng)度較高，在后期的運(yùn)營過程中，高程變化很小，相鄰觀測(cè)周期之間的高差趨于零。也就是說，通過工程實(shí)踐，可以認(rèn)定鐵朝高速公路是穩(wěn)定的。

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