長(zhǎng)距離跨海水準(zhǔn)測(cè)量方法與實(shí)施
2017-06-05
一、工程概況
CB04合同段里程為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。
橋梁工程前期完成的 K23 埋置式承臺(tái)及K19、K27、K33試樁平臺(tái)，將其改造為用于橋梁工程施工的測(cè)量平臺(tái)；CB04標(biāo)段內(nèi)，存在K23及K27兩個(gè)測(cè)量平臺(tái)，現(xiàn)已在每個(gè)平臺(tái)上建立好全站儀觀測(cè)墩及臨時(shí)參考站觀測(cè)墩，這四個(gè)觀測(cè)墩都作為本標(biāo)段首級(jí)加密點(diǎn)，并與港珠澳大橋首級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，同時(shí)也是對(duì)港珠澳大橋首級(jí)控制網(wǎng)及加密網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)。
二、跨海水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)要求
首級(jí)加密網(wǎng)高程復(fù)測(cè)的目的和用途是為了驗(yàn)證港珠澳大橋首級(jí)控制網(wǎng)及加密網(wǎng)高程測(cè)量成果的可靠性與測(cè)量精度，確保測(cè)量成果在精度、質(zhì)量等方面滿(mǎn)足大橋工程建設(shè)的基本要求。通過(guò)對(duì)復(fù)測(cè)成果與原測(cè)成果的比較分析，全面評(píng)估首級(jí)控制點(diǎn)的穩(wěn)定性。同時(shí)，為之后的施工測(cè)量做好充分的準(zhǔn)備。
1、場(chǎng)地布設(shè)
由于海上測(cè)量平臺(tái)之間距離長(zhǎng)，高程測(cè)量受大氣折光、溫度變化等環(huán)境影響較大，傳統(tǒng)測(cè)量方法受限制。本項(xiàng)目高程控制網(wǎng)網(wǎng)形以大地四邊形的形式開(kāi)展，按線路里程推進(jìn)，最后按里程順序把所有的大地四邊形聯(lián)成一個(gè)整體，作為本項(xiàng)目高程控制的主網(wǎng)形。整體網(wǎng)形設(shè)計(jì)示意圖如下圖所示：
跨海高程傳遞測(cè)量場(chǎng)地利用K23及K27測(cè)量平臺(tái)作為線路的跨海點(diǎn)，在平臺(tái)上利用建成的全站儀強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩及埋設(shè)的水準(zhǔn)釘，布設(shè)近似平行四邊形圖形（如下圖）。短邊標(biāo)志距離視平臺(tái)空間進(jìn)行調(diào)整，并考慮布設(shè)的跨海點(diǎn)應(yīng)與相鄰測(cè)量平臺(tái)間互相通視。同岸觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則為，使兩條跨海邊AC、BD兩條跨海邊邊長(zhǎng)互差小于等于2m。
2、跨海邊長(zhǎng)測(cè)量
在K23及K27跨海點(diǎn)之間的長(zhǎng)邊距離采用 GPS 靜態(tài)測(cè)量方法的方法進(jìn)行測(cè)定。GPS 靜態(tài)測(cè)量按國(guó)家C級(jí)精度，進(jìn)行兩個(gè)時(shí)段（每個(gè)時(shí)段4小時(shí)）的施測(cè)。
注：①數(shù)據(jù)處理采用TBC軟件計(jì)算，并將距離歸算到測(cè)量平臺(tái)平均高程面上。
②短邊距離可采用全站儀測(cè)距或鋼尺進(jìn)行測(cè)量，并用水準(zhǔn)儀進(jìn)行短邊之間的跨海點(diǎn)間高差測(cè)量。
3、垂直角觀測(cè)
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。K23～K27段的測(cè)回?cái)?shù)及時(shí)段分配數(shù)量如下：
跨海距離：4km
時(shí)段數(shù)：16
單測(cè)回?cái)?shù)：64
半測(cè)回中的組數(shù)：8-10
每組觀測(cè)次數(shù)：盤(pán)左盤(pán)右各40-150次
注：半測(cè)回的組數(shù)及每組數(shù)當(dāng)中的觀測(cè)次數(shù)視測(cè)平臺(tái)的晃動(dòng)情況參照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行確定。
三、跨海水準(zhǔn)測(cè)量的實(shí)施
1、實(shí)施的操作要點(diǎn)
1）用于跨海高程傳遞測(cè)量的全部?jī)x器和工具必須在每天出測(cè)前進(jìn)行一次檢校，特別是TS30下述儀器誤差應(yīng)進(jìn)行電子方式的檢查與校準(zhǔn)。
2）觀測(cè)開(kāi)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。
3）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，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。
4）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。
5）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。
6）儀器調(diào)岸時(shí)，標(biāo)燈亦應(yīng)隨同調(diào)岸。
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(kāi)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，手工記錄觀測(cè)點(diǎn)號(hào)、儀器號(hào)及標(biāo)燈高度等。
9）每天晚上觀測(cè)的外業(yè)垂直角數(shù)據(jù)應(yīng)于第二天白天及時(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。
10）外業(yè)工作在晚上進(jìn)行，視線不好，特別要注意安全問(wèn)題。
2、實(shí)施的儀器設(shè)備
?、?、用于實(shí)施跨海邊長(zhǎng)測(cè)量的儀器，是2臺(tái)天寶R7 GPS與兩臺(tái)天寶R8 GPS。靜態(tài)測(cè)量精度：水平：3mm+0.5ppm；垂直：5mm+1ppm。
?、?、用于實(shí)施長(zhǎng)距離跨海水準(zhǔn)測(cè)量的儀器，是2臺(tái)瑞士Leica公司的TS30高精度全站儀，其標(biāo)稱(chēng)精度為測(cè)角精度：0.5"；測(cè)距精度：0.6mm + 1ppm。
③、用于實(shí)施同岸高差測(cè)量的儀器，是1臺(tái)標(biāo)稱(chēng)精度為±0.3mm/km的天寶公司的DINI電子水準(zhǔn)儀及其原廠配套的銦瓦條碼水準(zhǔn)尺和重量為5kg的標(biāo)準(zhǔn)尺墊。
?、堋⑵渌鑳x器設(shè)備還包括標(biāo)燈2個(gè)，溫度計(jì)2個(gè)，氣壓計(jì)2個(gè)，夜間照明設(shè)施2套。
3、實(shí)施的外業(yè)觀測(cè)
?、佟⒂^測(cè)程序
采用2 臺(tái) TS30 全站儀及配套標(biāo)燈進(jìn)行同步對(duì)向觀測(cè)，具體步驟如下：
a）在 A、D 點(diǎn)設(shè)站，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 αAC、αDB；即兩臺(tái)儀器共完成第一個(gè)單測(cè)回，如下圖1。
b）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。 c）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。
d）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)。
?、凇⒂^測(cè)方法
a）儀器及標(biāo)燈的高度量測(cè)：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；
b）觀測(cè)遠(yuǎn)標(biāo)志：每臺(tái)儀器在盤(pán)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40～150次數(shù)據(jù)（視平臺(tái)晃動(dòng)情況確定）；縱轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，在盤(pán)右位置按盤(pán)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8～10組的要求完成半測(cè)回的垂直角觀測(cè)。
4、限差設(shè)計(jì)
①、單測(cè)回間跨海高差互差限差為：
式中：M ――每千米水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差限值，單位為毫米（mm）；
N――單測(cè)回的測(cè)回?cái)?shù)；
S――跨河視線長(zhǎng)度，單位為千米。
?、凇h(huán)閉合差限差為：
式中：MW――每千米水準(zhǔn)測(cè)量全中誤差限值，單位為毫米（mm）；
S――跨河視線長(zhǎng)度，單位為千米（km）。
每公里往返測(cè)高差中數(shù)的全中誤差：≤±6.0mm
5、實(shí)施的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理
①、對(duì)本次的跨海邊長(zhǎng)GPS靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用天寶TBC軟件進(jìn)行解算，并將距離歸算到測(cè)量平臺(tái)平均高程面8米。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，以港珠澳大橋測(cè)控中心建立的3個(gè)比較穩(wěn)定的GPS網(wǎng)點(diǎn)作為本次約束平差的起算點(diǎn)，進(jìn)行GPS網(wǎng)的二維約束平差。GPS網(wǎng)約束平差后的主要精度指標(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。
?、凇⒖绾Ｋ疁?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，然后計(jì)算10組垂直角的平均值作為半個(gè)測(cè)回觀測(cè)的垂直角。兩個(gè)半測(cè)回的垂直角的平均值作為單測(cè)回的垂直角。再根據(jù)跨海邊長(zhǎng)、儀器高及標(biāo)燈高計(jì)算每個(gè)單測(cè)回的高差，兩個(gè)單測(cè)回往返高差取平均值作為1個(gè)獨(dú)立閉合環(huán)的跨海邊的高差。單測(cè)回間跨海高差互差限差為：
=64.3mm
根據(jù)每個(gè)獨(dú)立環(huán)的跨海邊高差及同岸高差計(jì)算每個(gè)獨(dú)立閉合環(huán)的閉合差。獨(dú)立閉合環(huán)的閉合差限差為：
=24.1mm
通過(guò)對(duì)42個(gè)跨海獨(dú)立閉合環(huán)環(huán)閉合差限差為進(jìn)行比較和分析，剔除超限的10個(gè)環(huán)，其余32個(gè)環(huán)的閉合差均在限差范圍內(nèi)；有效單測(cè)回高差互差最大為SJM06～SJM10邊的56.6mm，符合限差為 要求，滿(mǎn)足該段跨海高程復(fù)測(cè)設(shè)計(jì)書(shū)中32個(gè)獨(dú)立閉合環(huán)的要求。
對(duì)32個(gè)合格環(huán)進(jìn)行計(jì)算后，其總閉合差為：1.72mm，計(jì)算的每千米高差中數(shù)中誤差0.60mm，達(dá)到了國(guó)家二等水準(zhǔn)的要求。
四、結(jié)語(yǔ)
由上述精度可知，港珠澳大橋采用TS30全站儀進(jìn)行跨海水準(zhǔn)測(cè)量，在復(fù)雜的海上環(huán)境下達(dá)到了二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及后期施工測(cè)量的要求。
結(jié)合本項(xiàng)目工作實(shí)踐，對(duì)于解決長(zhǎng)距離跨海高程傳遞，保證二等水準(zhǔn)測(cè)量精度，具有實(shí)際操作的指導(dǎo)作用。
參考文獻(xiàn)：
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