GPS技術(shù)在京漢大道供水管道工程中的應(yīng)用

1、PAGE PAGE 5GPS技術(shù)在京漢大道供水管道工程中的應(yīng)用呂麗張宏立提 要:京漢大道供水管道工程，總投資1.1億元人民幣，安裝管道總長為10.728km，管道最大直徑為2000mm。由于該工程地處較繁華的鬧市區(qū)，給施工放線及管道竣工資料的勘測收集帶來了許多不便。我們在工程中采用了GPS、全站儀等先進(jìn)的測量儀器，確保了施工順利進(jìn)行。 關(guān)鍵詞:管道工程GPS全站儀坐標(biāo)定位三角高程 1工程概況 京漢大道輸水管道工程是武漢自來水公司最大口徑、最長距離的鋼管道工程。起于宗關(guān)水廠，終于黃浦路，貫穿橋口區(qū)、江漢區(qū)、江岸區(qū)，是漢口地區(qū)供水系統(tǒng)的主動脈，沿沿河大道和原京廣鐵路鋪設(shè)，全長10.728km，其中

2、DN=2000mm管道2.208km、DN=1800mm管道2.7km、DN=1600mm管道1.95km、DN=1400mm管道2.57km、 DN=1200mm管道1.29km。工程于1997年8月28日開工，1999年11月30日竣工。在施工過程中，武漢市自來水公司管網(wǎng)管理部勘測隊運(yùn)用GPS等測量技術(shù)進(jìn)行沉降觀測，竣工測量，及時地配合施工部門解決了施工中出現(xiàn)的難題。 過去，大型管道閥門竣工圖是以管網(wǎng)周圍建筑物，譬如電線桿等為參照物，用米尺量出閥門的相對位置。這種方法雖然簡單、方便，但當(dāng)現(xiàn)場地物地貌發(fā)生大的變化時，就會造成閥門、管道埋失的問題，勢必嚴(yán)重影響管網(wǎng)供水的安全性。特別是京漢大道這

3、種新敷設(shè)的大型輸水干管，在周邊的建筑物又未按規(guī)劃形成的情況下，沿途建筑物變化較大，按原始方法收集竣工資料確定相對位置的方法，已不能滿足日新月異的市政建設(shè)需要。因此在工程施工的初始階段，武漢水司勘測隊及時采用動態(tài)GPS、全站儀等設(shè)備進(jìn)行實地跟蹤勘測，使現(xiàn)場收集的第一手資料的準(zhǔn)確性和可靠性大大提高。2運(yùn)用GPS對管道及附屬設(shè)施進(jìn)行坐標(biāo)定位 閥門的GPS定位測量克服了常規(guī)測量手段的許多不足，相對來說具有快速、全天候，測站之間不需通視，節(jié)省時間、人力、物力等優(yōu)點。在閥門GPS定位完畢，而現(xiàn)場地貌改變后，就可以根據(jù)已測得的GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用測量儀器，將埋失的閥門定出位置，以實現(xiàn)閥門及管網(wǎng)管理的后繼性和

4、延續(xù)性。 GPS與常規(guī)測量手段相比有其獨特特點：(1)可以實現(xiàn)全球全天候連續(xù)測量定位；(2)定位精度高，功能強(qiáng)；(3)抗干擾能力強(qiáng)，保密性好；(4)自動化程度高，操作簡便；(5)經(jīng)濟(jì)效益高。由于觀測不需要通視，因此不需要建立瞻標(biāo)，這樣可以大大減少測量觀測時間和經(jīng)費(fèi)，比常規(guī)控制測量可以減少一半經(jīng)費(fèi)，效率可以提高數(shù)倍。 在勘測過程當(dāng)中分別應(yīng)用了靜態(tài)GPS測量和動態(tài)GPS測量。靜態(tài)GPS測量就是在接收過程中接收機(jī)天線位置固定；動態(tài)GPS測量就是在接收過程中天線處于運(yùn)動狀態(tài)。2.1靜態(tài)GPS控制點測量 (1)進(jìn)行GPS測量的網(wǎng)形設(shè)計。根據(jù)武漢市供水管網(wǎng)GPS控制網(wǎng)施測技術(shù)設(shè)計的要求以及外業(yè)踏勘調(diào)查資料

5、，遵照立足需要，保證精度，便于施測，利于發(fā)展的原則進(jìn)行布網(wǎng)。 (2)進(jìn)行外業(yè)GPS測量。實施外業(yè)測量時，所設(shè)的GPS點應(yīng)位于較開闊的地方，附近無高大建筑物、高壓線、無線電發(fā)射臺及大型接收天線等影響或屏蔽衛(wèi)星信號的物體。 (3)事后數(shù)據(jù)處理。測量完畢后，要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娮佑嬎銠C(jī)中，應(yīng)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理，經(jīng)過基線解算和網(wǎng)點平差得出控制點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。 (4)成果整理。數(shù)據(jù)處理完畢后，繪制京漢大道沿線GPS控制點網(wǎng)圖，以利于以后的導(dǎo)線控制點加密。并將所有控制點輸入到數(shù)據(jù)庫中，形成控制點坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以利于數(shù)據(jù)的管理和查找。2.2動態(tài)GPS控制點測量 動態(tài)GPS系統(tǒng)分為基準(zhǔn)站和流動站

6、兩個部分，基準(zhǔn)站架設(shè)在一固定的GPS控制點上，將天線接收到的衛(wèi)星信號以數(shù)據(jù)鏈的形式由電臺發(fā)射出去，發(fā)射的頻率基本是與天線接收衛(wèi)星的頻率相同；在進(jìn)行動態(tài)測量的過程中，流動站是以運(yùn)動的狀態(tài)在各勘測點位上移動，流動站在待測點位上同時接收衛(wèi)星信號和基準(zhǔn)站發(fā)出的數(shù)據(jù)鏈，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)解算，實時得出當(dāng)?shù)卮郎y點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。 靜態(tài)GPS在技術(shù)上有其局限性。當(dāng)被鎖定的衛(wèi)星少于4顆時，就不能正常工作；衛(wèi)星數(shù)低于 5顆時，定位精度會受到影響，等待時間也很長。而動態(tài)GPS(GG-RTK)是將美國GPS和俄羅斯 GLONASS兩種衛(wèi)星系統(tǒng)聯(lián)合起來使用，增加了接收衛(wèi)星的數(shù)目，精度可達(dá)到厘米級，能滿足供水管網(wǎng)定位的要求。在

7、京漢大道工程竣工測量中，對管網(wǎng)閥門、伸縮器、管道進(jìn)出點、上翻下翻、管頂、三通、測流測壓孔井、排氣排泥閥及正交電信、電纜等進(jìn)行控制，實測GPS 點250個，主干管閥門的方頭為對中點，對閥門口徑、安裝單位、日期、開啟方向、重要部件材質(zhì)以及位置簡圖，進(jìn)行一點一控制卡，并標(biāo)注編號，繪制在1/500管網(wǎng)基本圖上，數(shù)據(jù)輸入微機(jī)，對其他控制點也相應(yīng)制成專門的坐標(biāo)表，為運(yùn)用GPS技術(shù)實現(xiàn)管網(wǎng)管理自動化提供基本數(shù)據(jù)。一旦京漢大道出現(xiàn)如地震、地形地貌變化較大等引起管網(wǎng)和閥門埋失時，可采用極坐標(biāo)法和直角坐標(biāo)法進(jìn)行節(jié)點放樣，使被埋閥門、管網(wǎng)和附屬構(gòu)筑物再現(xiàn)。3利用常規(guī)儀器進(jìn)行竣工測量 如果管道施工位于較狹窄的小巷中，

8、或在較強(qiáng)電磁波干擾的地方，GPS接收的衛(wèi)星信號就會被阻擋或被削弱，造成GPS接收機(jī)的定位效果和可靠性受到影響，就不能利用它直接對管道或其附屬設(shè)備進(jìn)行測量，需要將GPS控制點測設(shè)在管道附近較開闊和較穩(wěn)固的地方，作為導(dǎo)線引點，再利用常規(guī)的測量儀器進(jìn)行管道的竣工測量。3.1全站儀平面定位 我們利用全站儀既能精確測距又能測角的功能，根據(jù)導(dǎo)線測量及幾何的原理即可求出待測的閥門坐標(biāo)。 3.2利用相對三角高程原理進(jìn)行高程測量 利用相對三角高程測量的原理，進(jìn)行較高精度的高程測量，使平面位置的測量和高程測量在同一臺儀器上同時進(jìn)行。其操作過程及原理如圖1所示。 在一般情況下，較高等級的水準(zhǔn)點與導(dǎo)線點是分開的，圖1

9、中已知水準(zhǔn)點A與照準(zhǔn)方向的導(dǎo)線點 C也是分開的。在測定閥門方頭B點的平面位置時，就以C為照準(zhǔn)方向，測出觀測數(shù)據(jù)，角度和距離S，根據(jù)平面定位測量的原理和公式，即可將方頭的平面位置坐標(biāo)推算出來。根據(jù)幾何的原理可以推算得閥門方頭B處的高程。 這樣，就利用了全站儀精確測距和測角的功能，避免了儀器本身所帶的系統(tǒng)誤差、測站高程誤差以及儀器高度量取的誤差，使得高等級的水準(zhǔn)點數(shù)據(jù)直接傳遞到待測點上。4對頂管實施沉降監(jiān)測 京漢大道利濟(jì)北路道口是武漢市的交通要道。此處安裝DN=1800mm管道施工，市政府不允許中斷交通，設(shè)計時采用頂管的施工方案。由于該段處于城區(qū)，原始地形低洼，人工堆積物較多，加之修建鐵路，使整個

10、場地地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同成因、不同年代的人工堆積物和自然沉積物呈現(xiàn)復(fù)雜的疊置關(guān)系。在開挖坑道過程中，遇到了流砂地質(zhì)，并伴有地下水滲漏，阻滯了施工進(jìn)程，同時道路兩旁相鄰多層和高層建筑物較多，在距工作坑4m處有一幢5層樓房。在施工排水過程中，為防止水位下降，側(cè)壓力減少而引起流砂的移動，造成地面塌方，直接影響周圍建筑物的安全，需要對附近樓房電桿進(jìn)行沉降觀測，及時發(fā)現(xiàn)險情，及時采用補(bǔ)救方案。 根據(jù)沉降觀測的基本要求，把被監(jiān)測的變形點設(shè)在被監(jiān)測樓房里的固定位置。為防止不同部位的沉降，在樓房的不同部位共設(shè)3個變形觀測點。按 照該建筑物的等級，定其可允許變形限度為10cm，沉降測量精度為5mm。沉降觀測示意如圖2。 圖2 圖2中，三角形表示基準(zhǔn)點，圓形表示變形點。在監(jiān)測過程中使用同一儀器和設(shè)備，固定觀測人員，在基本環(huán)境相同的條件下工作，避免了不必要的誤差。通過對井點降水地面和周圍建筑物的沉降監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)沉降量的大小，并準(zhǔn)備必要的補(bǔ)救方案，為確保管道施工的正常進(jìn)行和周圍建筑物的安全使用提供了可靠的依據(jù)。5結(jié)論 對京漢大道管道的勘測，提供了管道的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及在管道工程施工過程中遇到特殊問題時的解決