路基沉降GPS监测技术 [基于GPS的高速公路沉降变形监测技术研究]

　　摘 要:本文基于笔者多年从事变形监测的相关工作经验,以基于GPS的沉降变形监测技术为研究对象,探讨了其在某高速公路沉降变形监测中的应用思路,全文是笔者长期实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行能有所裨益。
　　关键词:GPS 沉降 变形监测 公路
　　中图分类号:TB22 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(a)-0073-02
　　1 工程概述
　　某高速公路全线采用双向四车道全封闭高速公路标准建设,设计速度标准为时速100～120km/h。GPS沉降变形监测的工程项目拟选择其中的10km,平原和丘陵为该段公路的典型特点,设计路基宽度26m。路线设计为四车道,按照文献记载,该段有11个各种系统的平面控制点,但经过实地寻找,仅找到10个平面控制点中的5个。
　　5个控制点中,2个是国家测绘局系统一等点,1个是二等点,2个是城市测量系统点,由于这些控制点所属测量系统不同,控制点等级也不同。2011年9月,笔者对其中 10km路段进行了测定,高程测量基于GPS技术进行,并与用二等水准测量的高程数据进行比较和分析,在测量过程中有意识对GPS的高程进行了检验。
　　2 工程实施过程
　　(1)选择5台AshtechZ-X双频GPS接收机作此次观测的主要仪器,选择NAZ+ GPM3型水准仪用于二等水准测量。在此基础上,分析两种测量成果的差异,在基于全站仪检验GPS点坐标的精度。
　　(2)采用静态模式的GPS网,GPS的网形选择边连式。观测时卫星数目>5,限差控制范围是:水平为正负5mm,垂直为正负10mm;参照二等水准的精度指标进行水准测量。(3)在测区内l0km范围内布设了14个变形监测点,另有7个GPS基准点,计划每个变形监测点监测1h～2h。
　　3 精度分析
　　3.1 测区GPS沉降变形监测网的精度分析
　　下面结合该高速公路的其中10km路段的变形监测网,对GPS基准网和监测网的精度进行分析,该路段沉降变形监测网,由7个基准点和14个监测点组成,其中基准点包括:JZ03、JZ06、JZ08、JZ09、JZ10、JZ18和JZ21;监测点为:BJ01、BJ02、BJ04、BJ05、BJ07、BJ11、BJ12、BJ13、BJ14、BJ15、BJ16、BJ17、BJ19、BJ20。通过长时间的精密水准观测和基准分析,认定JGO4点是稳定的,把JZO4作为基准起算点,解算整个GPS网,GPS沉降变形监测网采用边连接形式布设。
　　GPS基准网基线解算的边长中误差见表1。从该表中可以看出,该GPS基准网的基线解算精度较高,达到了毫米级。其中最大的基线边长中误差仅为5.7mm,最小的基线边长中误差为0.lmm。在WGS－84坐标系下对该GPS基准网是进行整体平差。平差时,将JG04点这一具有精密WGS－84坐标的点进行固定,从而整个基准网的位置精度将得到有效提升。平差后,就可以获得其它基准点的空间直角坐标、高斯平面直角坐标和大地坐标(WGS－84坐标系)及相关精度信息。同样,监测网的平差也选择在WGS－84坐标系下进行。经过平差后,获得监测点在空间直角坐标、大地坐标(WGS－84坐标系)及相关的精度信息;在此基础上,固定JGO4点和方向,并对其进行平差,平差选择在WGS－84坐标系的高斯平面上。平差后即可获得变形监测点的高斯平面直角坐标、监测点间的平面边长及其相关信息。
　　从表1可以看出,南北和东西方向分量的精度优于高程分量的精度,高程分量精度都小于6mm,个别点受到周围观测条件的影响(特别是多路径效应的影响),一些点受到城区观测环境的因素影响,精度稍低,大多数点误差都在4mm左右,符合沉降变形监测的精度要求。为了得到更高的精度,可以在观测过程中采取更多的措施:(1)在数据采集前,每个天线的相位中心位置应该精确检验,特别是垂直方向的差值;(2)观测时段增加到10h以上,同时拥有更多的同步观测站点等(表2)。
　　3.2 沉降监测及与精密水准的一致性分析
　　比较GPS与全站仪2种方法的测量结果可以看出:在2种方法下测得的同一坐标之差的最大值分别为:△Xmax=4.0mm,△Ymax=5.0mm。因此,GPS测量成果是精确可靠的,从下面定位精度一致性检验结果来看,GPS技术测量的点位精度可达毫米级,与全站仪测定结果符合得较好,可以较好地满足公路变形监测的精度要求。使用GPS测出变形监测点的高程,然后将GPS高程与水准高程进行比较,其比较结果具有很高的参考价值据。
　　计算得出,GPS高程与水准高程最大差值不超过5mm。GPS高程能满足公路变形监测的精度要求。GPS的数据处理结果表明,在水平方向上的监测精度能达到毫米级,在竖直方向上的精也能达到毫米级。完全符合公路沉降变形监测的精度要求。下面表格中的数据是从工程实例中抽取具有代表性的公路GPS沉降变形监测点,并以此数据为例,对数据进行分析。
　　表3中仅列出了五个观测周期的数据进行分析,从中可以看出,不同周期的数据有所变化,相邻观测周期之间的高程变化不大,到了监测后期变化甚小,趋于平稳状态。也就是说,在公路刚刚进入运营阶段,是最容易发生沉降变形的,因此,刚刚投入使用的公路,前期的维护和保养是相当关键的。
　　在此基础上,笔者在公路使用过程中选择部分变形监测点进行分析,首先绘制高程变化趋势图。由于随机选择变形监测点,因此,可以用该图形来代表的10km路段的整体变化情况,从图形结果可以得出,公路使用前期的监测点呈现出随时间明显下沉的趋势。通过对公路进行科学的维护和保养,可以看到在沉降监测后期,呈现出相对稳定的公路路面结构,强度较高,再到后期实际运营过程中,呈现很小的高程变化,两个相邻观测周期之间,其高差趋于零。换言之,工程实践的结果表明该高速公路是稳定的。
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