精密跨海高程測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)合同段里程樁號為K22+083-K29+237，標(biāo)段長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埋置式承臺及K27試樁平臺，現(xiàn)將其改造為用于橋梁工程施工的測量平臺。橋梁工程必須具有足夠高的高程精度，否則會給整個工程的質(zhì)量帶來隱患。測量平臺之間以及與大陸之間的間距很遠，已超過國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范的作業(yè)要求，所以需要采取緊密跨海高程測量這一特殊方法，將大陸水準(zhǔn)高程高精度的傳遞到各個測量平臺，同時通過這個方法將高程傳遞到施工現(xiàn)場，以滿足工程建設(shè)需要。
二、精密跨海高程測量的影響因素
精密跨海高程測量的觀測視線長度要比一般的水準(zhǔn)測量長得多，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對觀測成果產(chǎn)生很大的影響，海面受暖濕氣流影響也會使得照準(zhǔn)標(biāo)燈的精度降低，風(fēng)浪對平臺的作用產(chǎn)生的晃動也會增加跨海高程測量的難度。
大氣垂直折光誤差以及風(fēng)浪對平臺作用產(chǎn)生的晃動是因時而異、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、精密跨海高程測量的實施
以首級加密網(wǎng)中K23-K27測量平臺的加密點高程傳遞為例闡述一下精密跨海高程測量的方法步驟及注意事項。
1.點位布設(shè)
跨海點可利用測量平臺上的強制對中觀測墩，近跨海點距離約為3m，若平臺空間不夠，近標(biāo)志距離可適當(dāng)縮短，每個測量平臺上布設(shè)的跨海點應(yīng)與相鄰測量平臺間互相通視。在本例中K27測量平臺上面的點為SJM06，TJ01，K23測量平臺上的點為SJM10，TJ02。四個跨海點布設(shè)成近似平行四邊形。
2.同岸高差測量
采用電子水準(zhǔn)儀進行同岸高差測量，確保測量精度達到二等水準(zhǔn)要求。
3.邊長測量
在四個跨海點上架設(shè)GPS接收機，采用國家C級GPS測量精度進行靜態(tài)觀測，并將距離歸算到測量平臺平均高程面上。
4.垂直角觀測要求
按照國家二等水準(zhǔn)的技術(shù)要求，每條跨海觀測邊觀測的最少時段數(shù)按4S估算，最少單測回數(shù)按16S估算。則K23～K27段跨海距離約為4km，時段數(shù)為16，單測回數(shù)為64，半測回中的組數(shù)為10組，每組觀測次數(shù)為盤左盤右各100次（半測回組數(shù)和每組觀測次數(shù)可以根據(jù)平臺晃動程度做適當(dāng)調(diào)整，S為跨海距離）。
5.垂直角觀測步驟
?。?）采用2臺TS30全站儀及標(biāo)燈進行同步對向觀測，在 A、D 點設(shè)站，用鋼尺測定儀器及標(biāo)燈的高度，強制歸心觀測墩上量測儀器及標(biāo)燈至觀測墩頂?shù)拇垢?，三腳架上則量測儀器及標(biāo)燈至水準(zhǔn)釘?shù)男备撸贇w算為垂高；而后同步觀測對岸遠標(biāo)志，每臺儀器在盤左位置用望遠鏡中絲精確照準(zhǔn)遠標(biāo)燈形成的紅點中間部分，讀取100次數(shù)據(jù)；縱轉(zhuǎn)望遠鏡，在盤右位置按盤左的方法同樣進行照準(zhǔn)和讀數(shù)。以上觀測為每臺儀器一組垂直角數(shù)據(jù)，按10組的要求完成半測回的垂直角觀測。測定 αAC、αDB；即兩臺儀器共完成第一個單測回，如下圖1。
?。?）將標(biāo)燈和儀器的位置互換，即儀器換至 B、C 點，標(biāo)燈換至 A、D 點，用鋼尺測定儀器及標(biāo)燈的高度；而后同步觀測對岸遠標(biāo)志，測定αBD、αCA；即兩臺儀器共完成第二個單測回，如下圖2。
?。?）至此第一個儀器位置的觀測結(jié)束，兩臺儀器共完成2個單測回。
?。?）循環(huán)完成32個單測回后，人員、儀器及標(biāo)燈相互調(diào)岸，進行剩余32個單測回的觀測。
6.注意事項
（1）跨海水準(zhǔn)觀測宜在平潮時段、風(fēng)力微和的夜間進行，減小風(fēng)浪對平臺晃動的影響，夜間溫度下降，海面上的氣流相對穩(wěn)定，可以減少大氣垂直折光對測量精度的影響，觀測前應(yīng)先收集近期的潮汐表，選擇平潮時刻前后約1h的時段編制觀測時刻表；另外觀測時的濕度不宜太大，避免大氣折射變化對垂直角觀測值的影響。
?。?）觀測開始前30 min，應(yīng)先將儀器置于露天，使儀器與外界氣溫趨于一致，用溫度計與氣壓計測量當(dāng)前的溫度與氣壓值，在進行測量時將數(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制對中標(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，人員、標(biāo)燈亦應(yīng)隨同調(diào)岸。
?。?）一測回的觀測完成后，應(yīng)間歇15min-20min，再開始下一測回的觀測。
?。?）兩臺儀器對向觀測時，應(yīng)使用對講機進行通訊，使兩岸同一測回的觀測，做到同時開始與結(jié)束。
（8）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)備自動記錄數(shù)據(jù)，手工記錄觀測點名稱和觀測時間。
（9）每天觀測的外業(yè)垂直角數(shù)據(jù)應(yīng)及時整理，保存儀器觀測的原始記錄文件，并采用EXCEL編輯為固定格式的表格以便于計算。
7.限差設(shè)計
?。?）單測回間跨海高差互差限差為：
（2）環(huán)閉合差限差為：
式中：M△ �D�D每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差限值，單位為毫米（mm）；
N�D�D單測回的測回數(shù)；
S�D�D跨河視線長度，單位為千米（km）；
MW�D�D每千米水準(zhǔn)測量全中誤差限值，單位為毫米（mm）。 8.內(nèi)業(yè)計算
1）對本次的跨海邊長GPS靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行解算，并將距離歸算到跨海點平均高程面。在WGS-84坐標(biāo)系中進行三維無約束平差，并對平差結(jié)果進行分析，觀察觀測值中是否存在異常觀測值和點位誤差的大小及其均勻性。無異常情況后，再以跨海點中的已知點進行GPS網(wǎng)的二維約束平差。GPS網(wǎng)約束平差后的精度指標(biāo)完全達到了預(yù)先設(shè)計的國家C級精度要求。
?。?）跨海水準(zhǔn)測量，每半個測回進行了10組（每組觀測100個數(shù)據(jù)）的垂直角觀測，分別計算10組各自100個觀測值的垂直角平均值作為半個測回觀測的垂直角。再根據(jù)跨海邊長、儀器高及標(biāo)燈高計算每個半測回的高差，兩個半測回往返高差取平均值作為1個單測回的高差，兩個單測回形成一個測回的獨立閉合環(huán)的跨海邊的高差。對于單測回間高差互差或獨立閉合環(huán)閉合差超限的時段應(yīng)該進行補測，使得該段跨海高程獨立閉合環(huán)個數(shù)符合規(guī)范要求。
四、精密跨海高程測量的精度檢驗分析
1.環(huán)閉合差的檢驗
K27-K23測量平臺的精密跨海高程測量中測回高差互差以及獨立閉合環(huán)閉合差沒有超限的32個環(huán)，其閉合差平均值為1.72mm，計算每千米高差中數(shù)中誤差為0.6mm，達到了國家二等水準(zhǔn)的要求。
2.直接水準(zhǔn)測量方法檢驗
通過同樣的方法在K27與147#墩墩頂以及K27與151#墩墩頂進行精密跨海高程測量，測得147#墩墩頂高程點G147高程為16.028m，151#墩墩頂高程點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)測量的方法通過梁面從147#墩測到151#墩進行檢驗，測得其高差為0.008m，兩種施測方法高差相差0.001m，符合二等水準(zhǔn)測量的規(guī)范要求。
五、結(jié)束語
通過以上兩種檢驗方法可知，只要采用科學(xué)的觀測方法，合理的選擇觀測時間，措施到位，精密跨海高程測量在復(fù)雜的海洋環(huán)境下可以達到二等水準(zhǔn)測量的精度要求，滿足設(shè)計及施工測量要求，為大橋的建設(shè)提供了高質(zhì)量的高程控制測量，保證了港珠澳大橋的順利完工。
參考文獻
[1] 國家一二等水準(zhǔn)測量規(guī)范GBT12897-2006.
[2] 趙文斌.跨海工程三角高程測量應(yīng)用淺談[J].價值工程.2015（16）.
