精密跨海高程測(cè)量在港珠澳大橋建設(shè)中的應(yīng)用與分析
2017-06-05
一、引言
港珠澳大橋主體工程橋梁工程CB04標(biāo)合同段里程樁號(hào)為K22+083-K29+237，標(biāo)段長(zhǎng)7154m，橋址處于港珠澳大橋主體工程橋梁工程的中部位置，標(biāo)段內(nèi)具有橋梁工程前期完成的K23埋置式承臺(tái)及K27試樁平臺(tái)，現(xiàn)將其改造為用于橋梁工程施工的測(cè)量平臺(tái)。橋梁工程必須具有足夠高的高程精度，否則會(huì)給整個(gè)工程的質(zhì)量帶來隱患。測(cè)量平臺(tái)之間以及與大陸之間的間距很遠(yuǎn)，已超過國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范的作業(yè)要求，所以需要采取緊密跨海高程測(cè)量這一特殊方法，將大陸水準(zhǔn)高程高精度的傳遞到各個(gè)測(cè)量平臺(tái)，同時(shí)通過這個(gè)方法將高程傳遞到施工現(xiàn)場(chǎng)，以滿足工程建設(shè)需要。
二、精密跨海高程測(cè)量的影響因素
精密跨海高程測(cè)量的觀測(cè)視線長(zhǎng)度要比一般的水準(zhǔn)測(cè)量長(zhǎng)得多，而且前后視距差很大，儀器的i角、地球曲率差以及大氣的垂直折光誤差都會(huì)對(duì)觀測(cè)成果產(chǎn)生很大的影響，海面受暖濕氣流影響也會(huì)使得照準(zhǔn)標(biāo)燈的精度降低，風(fēng)浪對(duì)平臺(tái)的作用產(chǎn)生的晃動(dòng)也會(huì)增加跨海高程測(cè)量的難度。
大氣垂直折光誤差以及風(fēng)浪對(duì)平臺(tái)作用產(chǎn)生的晃動(dòng)是因時(shí)而異、因地而異不確定性的，這是最難處理的誤差。因此，如何采取措施減弱大氣垂直折光的誤差影響以及如何減弱風(fēng)浪的影響是確保高程傳遞精度的保障。
三、精密跨海高程測(cè)量的實(shí)施
以首級(jí)加密網(wǎng)中K23-K27測(cè)量平臺(tái)的加密點(diǎn)高程傳遞為例闡述一下精密跨海高程測(cè)量的方法步驟及注意事項(xiàng)。
1.點(diǎn)位布設(shè)
跨海點(diǎn)可利用測(cè)量平臺(tái)上的強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩，近跨海點(diǎn)距離約為3m，若平臺(tái)空間不夠，近標(biāo)志距離可適當(dāng)縮短，每個(gè)測(cè)量平臺(tái)上布設(shè)的跨海點(diǎn)應(yīng)與相鄰測(cè)量平臺(tái)間互相通視。在本例中K27測(cè)量平臺(tái)上面的點(diǎn)為SJM06，TJ01，K23測(cè)量平臺(tái)上的點(diǎn)為SJM10，TJ02。四個(gè)跨海點(diǎn)布設(shè)成近似平行四邊形。
2.同岸高差測(cè)量
采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行同岸高差測(cè)量，確保測(cè)量精度達(dá)到二等水準(zhǔn)要求。
3.邊長(zhǎng)測(cè)量
在四個(gè)跨海點(diǎn)上架設(shè)GPS接收機(jī)，采用國(guó)家C級(jí)GPS測(cè)量精度進(jìn)行靜態(tài)觀測(cè)，并將距離歸算到測(cè)量平臺(tái)平均高程面上。
4.垂直角觀測(cè)要求
按照國(guó)家二等水準(zhǔn)的技術(shù)要求，每條跨海觀測(cè)邊觀測(cè)的最少時(shí)段數(shù)按4S估算，最少單測(cè)回?cái)?shù)按16S估算。則K23～K27段跨海距離約為4km，時(shí)段數(shù)為16，單測(cè)回?cái)?shù)為64，半測(cè)回中的組數(shù)為10組，每組觀測(cè)次數(shù)為盤左盤右各100次（半測(cè)回組數(shù)和每組觀測(cè)次數(shù)可以根據(jù)平臺(tái)晃動(dòng)程度做適當(dāng)調(diào)整，S為跨海距離）。
5.垂直角觀測(cè)步驟
?。?）采用2臺(tái)TS30全站儀及標(biāo)燈進(jìn)行同步對(duì)向觀測(cè)，在 A、D 點(diǎn)設(shè)站，用鋼尺測(cè)定儀器及標(biāo)燈的高度，強(qiáng)制歸心觀測(cè)墩上量測(cè)儀器及標(biāo)燈至觀測(cè)墩頂?shù)拇垢?，三腳架上則量測(cè)儀器及標(biāo)燈至水準(zhǔn)釘?shù)男备?，再歸算為垂高；而后同步觀測(cè)對(duì)岸遠(yuǎn)標(biāo)志，每臺(tái)儀器在盤左位置用望遠(yuǎn)鏡中絲精確照準(zhǔn)遠(yuǎn)標(biāo)燈形成的紅點(diǎn)中間部分，讀取100次數(shù)據(jù)；縱轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，在盤右位置按盤左的方法同樣進(jìn)行照準(zhǔn)和讀數(shù)。以上觀測(cè)為每臺(tái)儀器一組垂直角數(shù)據(jù)，按10組的要求完成半測(cè)回的垂直角觀測(cè)。測(cè)定 αAC、αDB；即兩臺(tái)儀器共完成第一個(gè)單測(cè)回，如下圖1。
?。?）將標(biāo)燈和儀器的位置互換，即儀器換至 B、C 點(diǎn)，標(biāo)燈換至 A、D 點(diǎn)，用鋼尺測(cè)定儀器及標(biāo)燈的高度；而后同步觀測(cè)對(duì)岸遠(yuǎn)標(biāo)志，測(cè)定αBD、αCA；即兩臺(tái)儀器共完成第二個(gè)單測(cè)回，如下圖2。
（3）至此第一個(gè)儀器位置的觀測(cè)結(jié)束，兩臺(tái)儀器共完成2個(gè)單測(cè)回。
（4）循環(huán)完成32個(gè)單測(cè)回后，人員、儀器及標(biāo)燈相互調(diào)岸，進(jìn)行剩余32個(gè)單測(cè)回的觀測(cè)。
6.注意事項(xiàng)
?。?）跨海水準(zhǔn)觀測(cè)宜在平潮時(shí)段、風(fēng)力微和的夜間進(jìn)行，減小風(fēng)浪對(duì)平臺(tái)晃動(dòng)的影響，夜間溫度下降，海面上的氣流相對(duì)穩(wěn)定，可以減少大氣垂直折光對(duì)測(cè)量精度的影響，觀測(cè)前應(yīng)先收集近期的潮汐表，選擇平潮時(shí)刻前后約1h的時(shí)段編制觀測(cè)時(shí)刻表；另外觀測(cè)時(shí)的濕度不宜太大，避免大氣折射變化對(duì)垂直角觀測(cè)值的影響。
?。?）觀測(cè)開始前30 min，應(yīng)先將儀器置于露天，使儀器與外界氣溫趨于一致，用溫度計(jì)與氣壓計(jì)測(cè)量當(dāng)前的溫度與氣壓值，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)將數(shù)值輸入全站儀中。
?。?）每天作業(yè)前或作業(yè)后，可先固定全站儀記錄100個(gè)連續(xù)的垂直角數(shù)據(jù)，供分析垂直角變化情況使用。
?。?）標(biāo)燈采用基座安裝在強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志或三腳架上，并經(jīng)常注意使圓水準(zhǔn)器的氣泡居中。
?。?）儀器調(diào)岸時(shí)，人員、標(biāo)燈亦應(yīng)隨同調(diào)岸。
（6）一測(cè)回的觀測(cè)完成后，應(yīng)間歇15min-20min，再開始下一測(cè)回的觀測(cè)。
（7）兩臺(tái)儀器對(duì)向觀測(cè)時(shí)，應(yīng)使用對(duì)講機(jī)進(jìn)行通訊，使兩岸同一測(cè)回的觀測(cè)，做到同時(shí)開始與結(jié)束。
?。?）外業(yè)垂直角數(shù)據(jù)記錄采用儀器記錄模式或外接設(shè)備自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，手工記錄觀測(cè)點(diǎn)名稱和觀測(cè)時(shí)間。
?。?）每天觀測(cè)的外業(yè)垂直角數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)整理，保存儀器觀測(cè)的原始記錄文件，并采用EXCEL編輯為固定格式的表格以便于計(jì)算。
7.限差設(shè)計(jì)
?。?）單測(cè)回間跨海高差互差限差為：
?。?）環(huán)閉合差限差為：
式中：M△ �D�D每千米水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差限值，單位為毫米（mm）；
N�D�D單測(cè)回的測(cè)回?cái)?shù)；
S�D�D跨河視線長(zhǎng)度，單位為千米（km）；
MW�D�D每千米水準(zhǔn)測(cè)量全中誤差限值，單位為毫米（mm）。 8.內(nèi)業(yè)計(jì)算
1）對(duì)本次的跨海邊長(zhǎng)GPS靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并將距離歸算到跨海點(diǎn)平均高程面。在WGS-84坐標(biāo)系中進(jìn)行三維無(wú)約束平差，并對(duì)平差結(jié)果進(jìn)行分析，觀察觀測(cè)值中是否存在異常觀測(cè)值和點(diǎn)位誤差的大小及其均勻性。無(wú)異常情況后，再以跨海點(diǎn)中的已知點(diǎn)進(jìn)行GPS網(wǎng)的二維約束平差。GPS網(wǎng)約束平差后的精度指標(biāo)完全達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)的國(guó)家C級(jí)精度要求。
?。?）跨海水準(zhǔn)測(cè)量，每半個(gè)測(cè)回進(jìn)行了10組（每組觀測(cè)100個(gè)數(shù)據(jù)）的垂直角觀測(cè)，分別計(jì)算10組各自100個(gè)觀測(cè)值的垂直角平均值作為半個(gè)測(cè)回觀測(cè)的垂直角。再根據(jù)跨海邊長(zhǎng)、儀器高及標(biāo)燈高計(jì)算每個(gè)半測(cè)回的高差，兩個(gè)半測(cè)回往返高差取平均值作為1個(gè)單測(cè)回的高差，兩個(gè)單測(cè)回形成一個(gè)測(cè)回的獨(dú)立閉合環(huán)的跨海邊的高差。對(duì)于單測(cè)回間高差互差或獨(dú)立閉合環(huán)閉合差超限的時(shí)段應(yīng)該進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，使得該段跨海高程獨(dú)立閉合環(huán)個(gè)數(shù)符合規(guī)范要求。
四、精密跨海高程測(cè)量的精度檢驗(yàn)分析
1.環(huán)閉合差的檢驗(yàn)
K27-K23測(cè)量平臺(tái)的精密跨海高程測(cè)量中測(cè)回高差互差以及獨(dú)立閉合環(huán)閉合差沒有超限的32個(gè)環(huán)，其閉合差平均值為1.72mm，計(jì)算每千米高差中數(shù)中誤差為0.6mm，達(dá)到了國(guó)家二等水準(zhǔn)的要求。
2.直接水準(zhǔn)測(cè)量方法檢驗(yàn)
通過同樣的方法在K27與147#墩墩頂以及K27與151#墩墩頂進(jìn)行精密跨海高程測(cè)量，測(cè)得147#墩墩頂高程點(diǎn)G147高程為16.028m，151#墩墩頂高程點(diǎn)G151高程為16.021m，G147-G151高差為0.007m；在147#墩與151#墩完成鋼箱梁架設(shè)后，以常規(guī)二等水準(zhǔn)測(cè)量的方法通過梁面從147#墩測(cè)到151#墩進(jìn)行檢驗(yàn)，測(cè)得其高差為0.008m，兩種施測(cè)方法高差相差0.001m，符合二等水準(zhǔn)測(cè)量的規(guī)范要求。
五、結(jié)束語(yǔ)
通過以上兩種檢驗(yàn)方法可知，只要采用科學(xué)的觀測(cè)方法，合理的選擇觀測(cè)時(shí)間，措施到位，精密跨海高程測(cè)量在復(fù)雜的海洋環(huán)境下可以達(dá)到二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求，滿足設(shè)計(jì)及施工測(cè)量要求，為大橋的建設(shè)提供了高質(zhì)量的高程控制測(cè)量，保證了港珠澳大橋的順利完工。
參考文獻(xiàn)
[1] 國(guó)家一二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范GBT12897-2006.
[2] 趙文斌.跨海工程三角高程測(cè)量應(yīng)用淺談[J].價(jià)值工程.2015（16）.
