GPS橋梁控制測(cè)量技術(shù)案例分析

　　摘要：結(jié)合實(shí)際工程，筆者較為詳細(xì)的介紹了GPS技術(shù)在橋梁控制測(cè)量中的應(yīng)用。驗(yàn)證了GPS測(cè)量精度高、數(shù)據(jù)可靠、定位速度快、能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等多方面的優(yōu)越性。

　　關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)、橋梁工程、工程測(cè)量　

　　1工程概況

　　某跨江大橋工程:總長(zhǎng)8206米，其中主橋采用100+100+300+1088+300+100+100=2088米的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。斜拉橋主孔跨度1088米，;斜拉索的長(zhǎng)度580米;群樁基礎(chǔ)平面尺寸113.75米×48.1米。專用航道橋采用140+268+l40=548米的T型剛構(gòu)梁橋；南北引橋采用30、50、75米預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。

　　2基準(zhǔn)選取

　　2.1坐標(biāo)系與起算數(shù)據(jù)的確定

　　該大橋位于東經(jīng)120º59’，北緯31º47’。若按國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)系采用3º投影中央子午線為120º,根據(jù)計(jì)算橋軸線每公里的高斯投影變形為54mm，這對(duì)精密橋梁控制網(wǎng)而言是絕對(duì)不允許的，為此采用任意帶投影獨(dú)立坐標(biāo)系，中央子午線取120º59’，計(jì)算偏離中央子午線1km的邊每公里的高斯投影變形為0.15mm，可以忽略不計(jì)。

　　考慮與道路的銜接以及橋梁建設(shè)中的高精度要求。采用掛靠在國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)系下的獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，中央子午線取120º59’。為了引入坐標(biāo)系統(tǒng)，聯(lián)測(cè)I第八村、II時(shí)思鎮(zhèn)、I聯(lián)合村三點(diǎn)國(guó)家一、二等三角點(diǎn)，這樣確定橋梁控制網(wǎng)的國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)系以及120º59’的獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo)。由于采用三點(diǎn)約束平差，橋梁各控制點(diǎn)的精度受起算點(diǎn)的精度影響，不能滿足橋梁控制網(wǎng)的需要。這時(shí)可采用控制網(wǎng)中的一點(diǎn)與一方向進(jìn)行重新平差，得到獨(dú)立坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

　　2.2投影面的選取

　　為了滿足該大橋不同施工面的使用，投影面選擇“0米正常高面”、“8米正常高面”、“76米正常高面”幾個(gè)投影面。“0米正常高面”可以實(shí)現(xiàn)與道路的連接。“8米正常高面”為控制點(diǎn)平均墩面高程，也是使用最多最頻繁的一個(gè)施工面，主要解決基礎(chǔ)施工放樣問(wèn)題。“76米正常高面”為主橋橋面高程，主要應(yīng)用于鋼箱制作和橋面施工放樣。

　　3平面控制網(wǎng)的精度確定

　　根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)橋長(zhǎng)的規(guī)定，橋長(zhǎng)允許偏差和橋長(zhǎng)中誤差分別為100mm與50rnrn。該項(xiàng)誤差是橋梁構(gòu)件的制造誤差、施工誤差和測(cè)量誤差。將三項(xiàng)誤差視為相互獨(dú)立，依據(jù)等影響原則可得測(cè)量中誤差為士28.9mm，實(shí)際上前兩項(xiàng)誤差較后者要大，因此一般取20mm,控制點(diǎn)的精度為8mm。

　　4平面控制網(wǎng)的布設(shè)

　　該大橋橋位區(qū)覆蓋層厚度在290~340米之間，以粘土、亞粘土、粉沙、粗沙和礫石為主。地層處下沉趨勢(shì)，江南不均勻下沉顯著，據(jù)國(guó)家測(cè)繪局掌握的資料，蘇州地區(qū)存在著每年厘米級(jí)的不均勻性地表下沉，對(duì)平面和高程控制點(diǎn)穩(wěn)定性不利。這對(duì)大橋的平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量的精度提出了更高的要求。GPS控制網(wǎng)的布設(shè)是為滿足該大橋的勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工放樣和大橋的變形監(jiān)測(cè)的需要，遵循“整體控制、局部加密”的原則。并且在控制點(diǎn)位置的選擇上考慮了橋梁施工的特點(diǎn)，一方面將點(diǎn)的位置于施工便道以外并適于GPS觀測(cè)要求的位置，另一方面盡可能保持相鄰點(diǎn)間相互通視以及臨近線位控制點(diǎn)設(shè)站、長(zhǎng)邊定向的施工放樣原則，該大橋的GPS平面控制網(wǎng)由18個(gè)點(diǎn)組成，網(wǎng)形為以橋軸線為公共邊的兩個(gè)大地四邊形，兩邊各擴(kuò)展一個(gè)大地四邊形，這增加了網(wǎng)的圖形強(qiáng)度。同時(shí)在橋軸線的延長(zhǎng)線兩端1~2公里及周?chē)�選點(diǎn)，其中北岸橋軸線延長(zhǎng)線布設(shè)兩個(gè)大地四邊形，南岸橋軸線延長(zhǎng)線布設(shè)四個(gè)大地四邊形，各平面控制點(diǎn)保證有兩個(gè)以上的通視方向�？刂凭W(wǎng)范圍東西長(zhǎng)約2km，南北寬約10km，橋軸線相對(duì)中誤差不低于1/70萬(wàn)；平面控制網(wǎng)各相鄰點(diǎn)點(diǎn)位中誤差不大于8mm。

　　5GPS平面控制測(cè)量

　　5.1選點(diǎn)造標(biāo)

　　根據(jù)設(shè)計(jì)的網(wǎng)形與GPS選點(diǎn)的原則共布設(shè)18個(gè)點(diǎn)。為了方便使用以及通視的需要建造強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩。共建造觀測(cè)墩22座，其中8米高觀測(cè)墩4座、6米高觀測(cè)墩3座、3米高觀測(cè)墩H座、2米高觀測(cè)墩4座;20米深埋水準(zhǔn)點(diǎn)4座、50米、6.85米深埋水準(zhǔn)點(diǎn)各一座。依據(jù)長(zhǎng)江兩岸地質(zhì)特點(diǎn)，在基礎(chǔ)處理中分別采用了不同的加固處理方法。

　　5.2外業(yè)施測(cè)

　　根據(jù)上述布網(wǎng)方案以及精度指標(biāo)要求，制定了嚴(yán)密的施測(cè)方案與施測(cè)計(jì)劃。實(shí)際觀測(cè)使用了8臺(tái)GPS雙頻接收機(jī)，其中5臺(tái)ASHTECHZ-xrteme型、3臺(tái)ASHTECHZXII型接收機(jī)，其標(biāo)稱精度位5mm+lppm，均使用相同扼徑圈天線(可達(dá)到3mm+0.5ppm)進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)時(shí)，觀測(cè)參數(shù)設(shè)置如下:(1)同步觀測(cè)有效衛(wèi)星數(shù)大于等于9顆，(2)截至高度角大于15º，(3)由衛(wèi)星星座和測(cè)站組成的圖形幾何強(qiáng)度小于等于6，(4)采樣間隔時(shí)間15秒，(5)衛(wèi)星象限分布(2520)%，(6)連續(xù)觀測(cè)24小時(shí)，整個(gè)觀測(cè)進(jìn)行了13天，共完成該大橋首級(jí)平面控制網(wǎng)觀測(cè)點(diǎn)18個(gè)及聯(lián)測(cè)國(guó)家坐標(biāo)點(diǎn)3點(diǎn)，形成5個(gè)同步環(huán)。同步環(huán)和同步環(huán)之間采取邊連接。

　　觀測(cè)中儀器設(shè)備工作正常。每天的觀測(cè)數(shù)據(jù)都及時(shí)下載，查驗(yàn)數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量，結(jié)果全部合格。

　　5.3基線解算

　　為了提高GPS基線解算的精度，聯(lián)測(cè)武漢跟蹤站(WUHN)和北京房山跟蹤站(BJFS)。并采用GAMIT軟件、精密星歷、TIRF97框架，解算ST02的坐標(biāo)，然后固定ST02，共解算基線84條。

　　5.4外業(yè)數(shù)據(jù)檢核

　　對(duì)同步環(huán)、異步環(huán)和重復(fù)基線進(jìn)行檢核�；�本情況如下:                                          

　　可見(jiàn)外業(yè)成果均滿足限差要求，說(shuō)明外業(yè)觀測(cè)成果質(zhì)量可靠。

　　(4)激光測(cè)距邊長(zhǎng)檢核:采用高精度測(cè)距儀分別施測(cè)網(wǎng)中三條邊長(zhǎng)(橋軸線邊、中長(zhǎng)邊、短邊)，并與GPS觀測(cè)邊長(zhǎng)比較，最大差值為2.3毫米。表明GPS測(cè)量的精度結(jié)果很好，也說(shuō)明測(cè)距邊與GPS邊尺度是基本兼容的。三條激光測(cè)距邊和相應(yīng)的GPS觀測(cè)邊比較結(jié)果如下表4。

　　5.5內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

　　首先在WGS84坐標(biāo)系進(jìn)行三維無(wú)約束平差，經(jīng)檢查基線向量的改正數(shù)(V△x、V△y、V△z)均小于三倍標(biāo)準(zhǔn)差。說(shuō)明外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量?jī)?yōu)良。然后進(jìn)行一點(diǎn)一方向的二維約束平差，基線向量的改正數(shù)與剔除粗差的無(wú)約束平差結(jié)果的同名基線相應(yīng)改正數(shù)的較差(dV△x、dV△y)均小于二倍標(biāo)準(zhǔn)差。平差計(jì)算的工藝流程:外業(yè)GPS數(shù)據(jù)檢核核→GPS基線邊的投影改化化→POWERADJ網(wǎng)平差→結(jié)果輸出。

　　5.6精度統(tǒng)計(jì)分析

　　5.6.1GPS控制網(wǎng)地心坐標(biāo)

　　選取WUHNGPS跟蹤站為固定點(diǎn)，用GAMTI基線解算的結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)傳遞，WUHNGPS跟蹤站空間地心坐標(biāo)值為T(mén)IRF97(2003歷元)框架下的地心坐標(biāo);

　　X=-2267749.3365m

　　Y=5009154.2898m

　　Z=3221290.6629m

　　平差后最弱點(diǎn)位中誤差為ST13點(diǎn):士0.64cm。

　　5.6.2橋位控制網(wǎng)“54北京坐標(biāo)系”

　　中央子午線120度，I001、I002、I003為起算點(diǎn)，投影面為高斯橢球面，觀測(cè)數(shù)據(jù)為32條GPS獨(dú)立基線邊，為三點(diǎn)約束平差方法。

　　起算坐標(biāo):

　　I001:X=3502692.9000mY=609199.6600m

　　I002:X=3532461.1700mY=608630.4600m

　　I003:X=3539125.0700mY=589648.1700m

　　最弱點(diǎn):ST20，Mx=1.78cmMy=1.97cmMp=2.66cm

　　最弱邊:ST16-ST20，相對(duì)精度:1/48072

　　可以滿足道路施工的需要。

　　5.6.3橋位控制網(wǎng)獨(dú)立坐標(biāo)系

　　8米正常高投影面成果，中央子午線120度59分，STOZ為起算點(diǎn)、ST02至ST11的方位角固定，高程異常為62.2m，觀測(cè)數(shù)據(jù)為28條GPS獨(dú)立基線數(shù)據(jù)，并按GPS觀測(cè)量至投影面的距離進(jìn)行投影改化：

　　ST02坐標(biāo)：X=3515101.775Y=500405.440m

　　ST02至ST11的方位角:4º34’22’’

　　最弱點(diǎn):ST20，Mx=0.17mcMy0.20cmMp=0.26cm

　　最弱邊:ST16-ST20，相對(duì)精度:1/438290

　　結(jié)果表明其滿足8mm的精度需要�！　�

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]熊小莉.GPS在橋梁控制測(cè)量中的應(yīng)用[J].北京:鐵道學(xué)報(bào)，2005.8

　　[2]岑敏儀,付新國(guó).大橋施工測(cè)量與GPS技術(shù)的應(yīng)用[J].北京:鐵道學(xué)報(bào)，2006.7