基于GPS技术的高铁沉降技术研究

基于 GPS技术的高铁沉降技术研究

刘林

中船勘察设计研究院有限公司 上海市 200063

摘要:通过理论分析和实际测试，采用人为变化测试点高程的方法，论证并检验使用GPS测量椭球高代替水准测量的可行性。通过测试结果可以看出，GPS测量能够准确反映各点的三维坐标变化情况，在高程测量方面能够准确测量出人为变化的高程值。测试过程中所使用的软件能够准确及时地解算数据，为沉降观测工作提供可靠的计算保障。

关键词:GPS;水准测量;高铁沉降观测

1. 引言

随着中国高速铁路主干网建设的开展，高速铁路建设中的许多技术问题成了近几年内相关领域的研究重点。其中高速铁路建设环节中对施工速度与效率形成的制约瓶颈—施工方式、技术方面虽屡有突破，但是因遵循原有测量检核流程，在速度上没有得到本质的提高。尤其是高铁建设与运行维护中的沉降监测方面，现在还在采用常规测量方式，即人工观测方法。这种方式无论是在速度上还是实时性上都不能满足高铁快速建设的需要，成为高速铁路建设过程中的瓶颈。

本文采用GPS观测的方式进行沉降监测工作，提出了新见解，并且在沈丹高速四工区得到验证。通过一系列工作验证和测试证实了高速铁路建设中应用本文所提的沉降观测方法的可行性与快捷性。测试结果证明了这一方式能够在高速铁路施工与运行维护环节的沉降观测工作中使用。

2. 理论基础及测试方法

在高速铁路建设过程中，通常采用等级水准的方式，人工往返测量的方法进行沉降观测^［1］。这种方法耗时、耗力、耗人，作业时间长，需要人员多，每个测段都需要大量人力进行独立测量，并且为保证精度，还需要考虑时间、气候、环境等的影响，严重制约了测量的进度和效果;同时测量结果不能实时上传，导致结果滞后。例如部分区域发生沉降，施工单位不能在第一时间发现问题，需要等到下一个测量时段进行后才能获知，从而导致不可弥补的损失。以上弊端决定了等级水准测量在高铁沉降观测工作中应用的局限性。本研究采用GPS实时测量外加高精度后处理软件的方法进行。该方法能够提供水平和垂直方向上均达到1mm精度的观测结果，并且能够实时提供测量成果，弥补了上述等级水准测量出现的问题^［2］。

2.1理论基础

我国常用的高程基准为正常高系统。所谓正常高即地面上观测点沿垂线方向至似大地水准面的距离。GPS所测高程为WGS-84坐标系下的大地高，即地面上观测点沿法线方向至参考椭球面上的距离。

大地高与正常高之间的关系是H正常=H大地－ξ，其中ξ为该点的高程异常。在沉降测量中，若要计算两点间的高差，即H正常1=H大地1－ξ1，H正常2=H大地2－ξ2的高差，在两点间的距离很近的情况下，可以视ξ1与ξ相同，从而两点间的正常高高差与大地高高差为同一值。故可以采用GPS高程来代替水准测量的方式，观测同一点的高程变化。

由于GPS测得的高程值为WGS-84的椭球高，该高程垂直于WGS-84椭球的椭球面。水准测量获取的是正常高，该高程垂直于似大地水准面。两个高程值在数值上和表示上具有明显的区别。但是，空间的一个点上，如果相对似大地水准面上发生沉降，那么在椭球面上一定也发生相应的变化。虽然与高程相关的两个变化量在方向上不同，由于两者之间的夹角θ非常小，因此这两个变化量在方向上的区别可以认为是微乎其微的，从而可以认为两个值是可以互相代替的。

2．测试方法

本文采用麦格集团GPS实时观测加高精度后处理软件进行数据处理，麦格监测软件是利用三差法与卡尔曼滤波技术研发的快速高精度解算软件，软件能够实现绝对位移与相对位移的高精度解算。满足观测条件的情况下观测15～30min后观测数据即可达到实时毫米级精度。

测试按照如下过程进行:首先利用等级水准测量的方式测量监测点位的高程;然后架设GPS接收机到监测点位上，采用多次量取GPS天线高的方式，把监测点的高程传递到GPS天线顶面上。

由于测量时间短，为了让沉降过程更加明显，本次测试采用自带的升降台进行人工变高，以达到变化高程的目的。本次测试的目的是人为在高程上制造一个变量，使用GPS获取的大地高变化来检查这个变量。如果两个值的互差很小，则完全可以使用GPS测量大地高高差代替水准测量的正常高高差。检测方法就是对两次水准测量的高程互差值与两次GPS测量的大地高互差值进行对比，从而得到两者之间的相对关系^［3］。如果数据处理软件能够及时并准确地反映整个变高的过程，说明测试方法及软件解算精度与解算速度应用于沉降观测是可行的。

3. 测试过程

系统的测试工作于2021年10月31日在湖杭高铁进行，用以验证以上方法的可行性。首先使用水准仪按照等级水准的方式进行全线路的水准测量，测得各个监测点的高程值;然后在监测点上架设GPS，共计4个点，其中8108点为精度最高的CPI，本次测试以该点作为基准站，架设仪器为TrimbleNetＲ8GNSS接收机，该接收机能够接收双频双星数据。其他3个监测点采用Trimble4700GPS接收机进行测量。所有接收机均采用1Hz的采样间隔。观测时间为2021年10月31日10:00—17:00。其中9070点位GPS接收机在15:00上升了14mm。其他几个点在观测过程中始终未变。

从测试结果(见表1)中各点GPS测量在各个方向的偏差范围和偏差值情况可以看出，测试结果符合毫米级的精度要求。并且9070点位的高程由0.003m变成0.017时，高程测量结果也准确地变化了14mm，准确测出了监测点高程的变化情况。而9008和9069两个点在连续7h的观测过程中，无论平面和高程都没有显著的变化。因此证明了该方法能够准确监测高程变化的数值，并且具有较好的稳定性、时效性。

4. 结论

由于现场和时间的原因，没有把GPS接收机天线安装在强制对中墩上，而是架设在三脚架上，造成了因三脚架受到太阳、风力的影响而出现的一定程度上的精度损失。如果将GPS接收机天线架设在强制对中墩上，所体现的测量精度会更好。由于是临时测试，没有防盗装置，不能长时间进行测试。虽然仅仅测试了7h，但已经能充分体现出这种方法的测量精度和软件数据处理的能力。通过这次测试的结果可以看出，GPS应用于沉降观测确实能达到1mm的精度，完全满足高铁沉降观测需要。所使用的软件能在高程方向上进行沉降观测的同时得到平面上的变化量，针对桥墩等构筑物可以进行变形观测。能够通过网络按照一定的时间间隔把形变数据发送到指定的地点，实现监测结果实时入库，并以图形或曲线的方式展示出来。这种沉降观测方式的数据具备实时性、高效性，为分析、处理和应对形变原因提供了充足的时间，可以确保高铁施工及运行管理维护的安全。

5. 应用展望

利用GPS进行变形观测的技术具有成熟性、稳定性、实时性特点，已经在三峡、地震等很多工程项目中得到应用。结合本次测试的结论，沿高铁线路按照一定的距离间隔，选取地质条件稳定的地点布设GPS基准站，在高铁沿线地质不稳定有可能形成形变的区域，如长桥、地下水超采区、大型水库附近等进行监测GPS点布设，就可以实现三维的实时形变监测，利用这种方法可以确保高铁施工及运行维护安全。为更好地实现GPS在高速铁路建设中的应用，可以在施工前布设足够的基准点实现GPS带状构网，并结合多功能软件系统(如VＲS软件)，服务于工程的前期、中期及运行维护各个阶段。如在施工的前期，涉及选线、征地、填挖土方等工作都可以利用该VＲS网络进行GPS测量实现全区域厘米级实时测量精度，比原来的作业方法效率高、精度好;在施工过程中能提供实时坐标，并且可以作为基桩控制网(CPⅢ)点坐标的复核使用，快速、高效;在高速铁路的运行维护阶段，使用GPS自动观测系统能够很好地替代需要投入大量人力、物力、财力而且效率低的常规水准观测，快速、高效地完成沉降监测工作。因此，基于GPS的沉降观测方式的应用将助力于高速铁路的施工和运行维护工作。

参考文献:

［1］中华人民共和国铁道部．TB10601—2009高速铁路工程测量规范［S］．北京:中国铁道出版社，2009．

［2］夏朋，罗新宇，吴和元．GPS高程测量代替精密水准测量的可行性研究［J］．甘肃科技，2010，26(3):45-46．

［3］刘天亮．GPS应用于铁路沉降监测的关键技术探讨［J］．科技创新导报，2012(2):97-98．

［4］李宏贤．地表移动综合成果解算系统［J］．甘肃科技纵横，2007(6):43．

［5］陈超，张献州，尚金光．高速铁路沉降观测数据生产过程质量控制与管理［J］．高速铁路技术，2011(5):25-29．