王巖 張勇 洪敏 邵德盛 黎煒 黎志軍

摘要：基于中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡彌勒站點的鋼筋混凝土觀測墩與彌勒錨標觀測墩所采集的數(shù)據(jù)，采用Gamit/Globk軟件對其進行處理。通過建設初期的基線變化、日周期變化等分析錨標觀測墩自身的穩(wěn)定性，結果表明錨標觀測墩在建設初期自身穩(wěn)定性良好；通過一年的點位移時間序列對比錨標與鋼筋混凝土觀測墩之間的差異變化，發(fā)現(xiàn)兩者具有高度的一致性；利用高精度全站儀與多路溫度計測試錨標觀測墩，發(fā)現(xiàn)其在溫度極端變化時穩(wěn)定性較高；因此錨標觀測墩可以作為監(jiān)測地殼運動的基準站點。

關鍵詞：GNSS；觀測墩；錨標；穩(wěn)定性

中圖分類號：P315.78 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）04-0686-06

0 引言

中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡（以下簡稱陸態(tài)網(wǎng)絡）主要用于獲取中國大陸地殼運動細部特征，服務于地震預測和科學研究，同時兼顧軍事測繪、大地測量等綜合應用。站點主要分布于中國大陸及周邊，并且在一系列主要活動構造區(qū)、活動斷裂帶、地震重點危險區(qū)等進行了針對性的加密布設，這些站點的觀測墩均采用鋼筋混凝土澆灌，并建設了觀測室以確保觀測墩不受外界環(huán)境變化的干擾（地殼運動監(jiān)測工程研究中心，2014）。為應對一些施工困難或要求快速建站的特殊地區(qū)的需要，中國地震局地殼運動監(jiān)測工程研究中心（以下簡稱工程中心）引入了已在國外廣泛應用的錨標站作為站點觀測標墩建設的補充。2015年1月，在云南彌勒站增設了一座錨標基巖標墩，并進行高精度的長期對比觀測實驗。本文基于彌勒錨標站與彌勒基準站的基線變化，通過點位移時間序列對鋼筋混凝土觀測墩與錨標觀測墩進行對比分析研究，并通過人工加溫的方法對錨標觀測墩的穩(wěn)定性進行分析測試，研究錨標觀測墩是否能應用于地殼形變觀測（張銳等，2014）。

1 數(shù)據(jù)解算方法

云南彌勒GNSS（YNML）連續(xù)觀測始于2009年12月，使用TrimbleNet R8接收機和TRM59800.00扼流圈天線，數(shù)據(jù)采樣間隔為1 s 和30 s。彌勒錨標GNSS（YNZB）的觀測始于2015年1月，使用TrimbleNet R8接收機和TRM 59800.00扼流圈天線，采樣間隔為1 s和30 s。筆者選取2015年1～12月的觀測數(shù)據(jù)進行研究分析，并采用GAMIT/GLOBK軟件進行基線處理。為了獲得單日解與參考框架的聯(lián)系，利用GLOBK將GAMIT處理得到的單日松弛解和SOPAC給出的全球IGS站的單日松弛解合并，通過7個參數(shù)的相似變換可得到ITRF2008參考框架下的單日解（許才軍，張朝玉，2009；王伶俐等，2015）。本文在研究站點間基線長度和方向的變化情況時，采用赤道投影的計算方法來計算基線長度（施發(fā)奇等，2012）：

L=（x2-x1）2+（y2-y1）2.（1）

式中，L代表基線長度；（x1，y1）（x2，y2）分別代表兩點的地心坐標。

2 錨標站點的介紹

應工程中心的要求，云南省地震局形變測量中心配合工程中心相關專家，在云南彌勒GNSS基準站西南面約18 m建設了一個錨標GNSS觀測墩。錨標GNSS觀測墩的應用常見于美國及一些歐洲國家，在國內彌勒錨標站是首先應用錨標觀測墩的站點之一，目前處于實驗測試階段。錨標站的優(yōu)點首先是建設時間短，正常情況下一天可建好一個站點。其次是耗材少、重量輕，故搬運和建設的成本都較低，只需要四根合金鋼與一個托盤及8管植筋膠即可在較短的時間內完成，并且無需建設觀測房，使成本大幅降低（地殼運動監(jiān)測工程研究中心，2014）。

錨標觀測墩建設的具體步驟為：（1）首先勘選一塊露出地表面積約2.5 m2的基巖（基巖需完整，且有很好的穩(wěn)定性）、在出露的基巖上初步設計出一個正三角形，每個角之間距離約1.5 m，或者以一塊基巖為中心點，另外三爪距中心點約0.9 m，且三爪互相以120°均勻分布，其任何一爪的著地處均為基巖；（2）在每個角的位置用沖擊鉆打一個直徑為4 cm、長約80 cm的鉆孔，在外圍3個角鉆孔時，需傾斜一定的角度，約55°（實際操作根據(jù)擬建觀測墩的高度調節(jié)），中心孔垂直鉆深80 cm；（3）中心桿確定后，根據(jù)實際需要，裁截其他3個錨標鋼筋的長度；（4）清理鉆孔內粉塵后注入植筋膠，注滿后將鋼筋插入孔中，并分別與中心桿焊接在一起；（5）中心桿焊接好后，根據(jù)實際需要，裁截中心桿高度，并在中心桿上焊接連接盤，以便安裝天線。錨標站的具體布設形式如圖1所示。

3 錨標站穩(wěn)定性測試

3.1 數(shù)據(jù)質量評價

用TEQC軟件對2015年1月～12月YNML鋼筋混凝土觀測墩與YNZB錨標觀測墩記錄的觀測數(shù)據(jù)進行評估，分別統(tǒng)計2個觀測墩所得觀測數(shù)據(jù)的MP1、MP2值、正態(tài)化均方根殘差與數(shù)據(jù)有效率值（吳培稚等，2012），如表1所示。從統(tǒng)計結果看，兩站各項指標均比較接近，均在誤差范圍內，表明兩個觀測墩所處的觀測環(huán)境和觀測設備的綜合影響基本一致。

3.2 穩(wěn)定性分析

通過GAMIT軟件解算測站單日解，然后直接從基線結果O文件中提取YNZB相對于YNML的N、E、U基線分量，得到YNZB相對YNML在N、E、U三個方向的運動量。為了分析錨標觀測墩建好初期的穩(wěn)定性，所選取的解算數(shù)據(jù)為從錨標觀測墩建設完成后的第二天開始，連續(xù)22天的完整觀測數(shù)據(jù)（薄萬舉等，2009）。從圖2可以看出，兩站在N方向最大互差約為2.5 mm，在E方向最大互差約為1.3 mm，各單日解間互差呈現(xiàn)隨機性，無明顯偏離趨勢。由此可見，錨標觀測墩在建設初期穩(wěn)定性基本能達到地殼觀測運動的要求，能反映出基巖的運動趨勢，建好后即可投入觀測應用。

3.3 YNZB相對YNML日周期運動的相對變化分析

由于彌勒GNSS基準站與錨標站相距較近，坐落于同一地質單元，理論上2個站的地殼運動方式應比較一致（江在森等，2003）。為了分析觀測墩在一天內的短時間變化，利用GAMIT軟件進行數(shù)據(jù)解算，每隔60 min得到一個觀測墩坐標變化值，為了防止觀測數(shù)據(jù)過少影響精度，采用3 h為一個解算時段，每60 min滑動一次，每天得到24個解，用YNZB相對于YNML的N、E兩個分量變化來顯示YNZB相對于YNML的日周期運動，共計算了兩天的觀測數(shù)據(jù)，分別為年積日030與年積日031。由圖3可以看出，YNZB相對YNML東西和南北方向運動分量沒有明顯的周期性，坐標變化量較小，變化量均在2 mm以內，因此日周期變化錨標站能夠滿足地殼運動監(jiān)測的要求。

3.4 錨標墩在極端溫度影響下的實驗情況

分析錨標觀測墩在極端溫度變化影響下的穩(wěn)定性，主要是要檢測鋼筋熱膨脹及冷收縮時對觀測墩位移的影響。對錨標觀測墩的幾個支腳分別進行大幅度的升溫和降溫（20°～95°），并利用兩臺Leica TCA 2003高精度（標稱精度測角0.5″，測距1 mm+1 ppm）全站儀對錨標觀測墩進行基線測量，在測量過程中，首先進行背景值測量，待觀測數(shù)值穩(wěn)定后開始升溫。升溫所采用的方法是，首先將錨標的4個支腳用塑膠管包好，然后用速干水泥將底部密封，待底部凝固后注滿水，升溫時用電熱管按需要對3個支腳分別加熱?；€測量時，我們將反射鏡固定到天線下面的托盤上。兩臺全站儀成90°直角，距離觀測墩約4 m，溫度每升高或降低5℃，分別在測站1與測站2用全站儀進行基線測量。為保證基線測量數(shù)據(jù)能夠達到精度要求的分辨率，進行了精度評定。利用白塞爾公式±VVn-1計算觀測精度，其中，V為觀測值與真值的差，n為觀測次數(shù)，真值是觀測值加權后求平均值，通過計算可知本次觀測的精度為0.2 mm。溫度測量采用多路溫度計，其分辨率為0.1 ℃。

從圖4可以看出，測站1、測站2的基線變化量分別約為0.6 mm、1 mm。由兩站的基線變化可以看出，隨著溫度的上升，基線均有伸長的變化趨勢，說明當溫度升高時，錨標的支腳會產(chǎn)生一定的膨脹。

從圖5可以看出，1號支架溫度緩慢回落2號支架升溫過程中，測站1基線變化量約為0.6 mm，測站2變化量約為1.9 mm，變化量不同的原因是測站2基本是正對1號支腳，測站1與1號支腳有一定角度。兩測站均能反映出支腳隨溫度的增加會產(chǎn)生一定膨脹。

從圖6可以看出，所有支腳同時進行加溫與降溫時，基線變化均不大，測站1最大互差僅為0.3 mm，測站2最大變化互差為0.4 mm，且觀測數(shù)值與背景場值基本相符。因為觀測墩所有支腳均處在同一環(huán)境下，故相互間溫差基本可以忽略，由此可以得出自然條件下的溫度變化不會對錨標站點的水平方向造成顯著影響。

3.5 錨墩標與混凝土觀測墩標用于地殼運動的分析

為了分析錨標觀測墩在地殼變形研究中的變化情況，計算了YNML、YNZB在ITRF2004框架下的點位移時間序列圖（洪敏等，2012），然后利用GAMIT軟件進行數(shù)據(jù)解算，得到2個觀測墩對應文山站點變化值的時間序列曲線（牛之俊等，2005）。

通過對2個站點東西、南北方向的變化量求差，獲取了其地殼形變活動速率差異的時間序列，進一步求取速率差異的均方根值。結果顯示，2個站點1年內的地殼活動速率差異較小，均方根值均為2.2 mm。

由觀測一年的點位移時間序列變化曲線可以看出，彌勒錨標站與GNSS連續(xù)基準站具有相同的變化趨勢，且變化量級也基本一致，因此錨標站點可以應用到地殼形變監(jiān)測中。

4 結論

通過錨標站穩(wěn)定性試驗與在極端溫度下的基線形變試驗可以得出以下結論；

（1）錨標GNSS觀測墩的勘選至關重要，地質條件為穩(wěn)定基巖的情況下基本能代替鋼筋混凝土觀測墩，能更快更直觀地反映地殼運動。

（2）錨標站點的建設相比于鋼筋混凝土觀測墩的建設更簡便，省時、省力、成本低、材料消耗少。從目前計算結果看，其穩(wěn)定性與鋼筋混凝土觀測墩相差不大，均能滿足GNSS連續(xù)基準站的規(guī)范要求。

（3）錨標站點對于溫度變化大的地點也可以達到鋼筋混凝土觀測墩的穩(wěn)定性。

（4）由于錨標站點高度有限制，因此更適用于建設臨時GNSS基準站點。

參考文獻：

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