橋梁施工測(cè)量GPS控制網(wǎng)布設(shè)的應(yīng)用

歐陽(yáng)溯

(廣東省地質(zhì)局七〇六地質(zhì)大隊(duì),廣東惠州516081)

0 引 言

橋梁施工控制網(wǎng)建立的主要目的是為橋梁各部位的施工放樣以及橋梁施工完成后的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)提供基準(zhǔn),因此,橋梁施工控制網(wǎng)的質(zhì)量將直接影響到工程的總體質(zhì)量。為確保工程施工的高質(zhì)量,必須對(duì)施工控制網(wǎng)的布設(shè)方案要進(jìn)行充分認(rèn)真的研究。隨著GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的飛速發(fā)展,GPS測(cè)量由于其作用距離長(zhǎng)、測(cè)量精度高、作業(yè)效率高、不受地形限制等優(yōu)點(diǎn),在工程測(cè)量中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。用GPS定位技術(shù)建立高精度的橋梁施工控制網(wǎng),文獻(xiàn)[3]的實(shí)踐表明:在精度上完全可以滿足橋梁施工測(cè)量的要求,并提高了作業(yè)效率。

1 控制網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

1.1 自然條件分析及資料收集

分析橋梁地址區(qū)域地形、地質(zhì)、氣象以及地下水位等不利因素的影響,采取相應(yīng)的措施,確保控制網(wǎng)的質(zhì)量,為橋梁精確施工提供了一個(gè)可靠的技術(shù)保證。收集測(cè)量資料、橋位區(qū)域及周邊已有的高等級(jí)平面或高程控制網(wǎng)、大比例尺地形圖和橋址地形圖。

1.2 GPS控制網(wǎng)精度的確定

通常根據(jù)橋式及橋長(zhǎng)(又稱跨越結(jié)構(gòu))的允許誤差或橋墩放樣的容許誤差來(lái)確定施工控制網(wǎng)的必要精度。實(shí)踐中可根據(jù)上述兩種方法結(jié)合相應(yīng)規(guī)范及具體橋梁特點(diǎn)綜合確定,規(guī)范可參考《公路全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》。

1.3 GPS控制網(wǎng)坐標(biāo)基準(zhǔn)的建立與選取

對(duì)設(shè)計(jì)文件給出的控制網(wǎng)進(jìn)行全面復(fù)測(cè)與校核,檢查其作為基本點(diǎn)的可行性。GPS控制網(wǎng)坐標(biāo)基準(zhǔn)的選取主要是為了解決如下三個(gè)方面問(wèn)題:

1)高斯投影變形問(wèn)題;

2)與兩岸道路銜接與便利施工的問(wèn)題;

3)投影面的選取問(wèn)題。

1.4 GPS控制網(wǎng)布設(shè)

可建立有國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)及橋軸線坐標(biāo)系統(tǒng)下的平面控制和統(tǒng)一的高程控制,使整個(gè)橋梁工程在統(tǒng)一的控制網(wǎng)指導(dǎo)下,精密地有機(jī)地聯(lián)系在一起。布網(wǎng)時(shí)擬分別從兩個(gè)方面考慮:

1)平面控制 采用一次布網(wǎng)方案,保證了網(wǎng)點(diǎn)精度均勻,對(duì)網(wǎng)形設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行精度估算,根據(jù)估算結(jié)果再調(diào)整網(wǎng)形,反復(fù)地實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)?？刹捎媚M法進(jìn)行控制網(wǎng)的優(yōu)化[1]。

2)高程控制 為更好地滿足橋梁高程控制的需要,擬采用國(guó)家高程控制網(wǎng)與GPS定位技術(shù)相結(jié)合來(lái)解決高程確定的問(wèn)題。在工程區(qū)域內(nèi),如何建立確切的高程異常模型,實(shí)現(xiàn)GPS大地高向正常高的轉(zhuǎn)換,一直是國(guó)際上GPS測(cè)繪應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究課題[2]。也是本方案要研究的核心問(wèn)題。設(shè)計(jì)方案為:

①根據(jù)橋梁的GPS控制網(wǎng)的布設(shè)情況,在橋梁的軸線方向加測(cè)若干GPS點(diǎn);

②將這些GPS點(diǎn)與橋梁控制網(wǎng)中的其他控制點(diǎn)聯(lián)合平差得到這些GPS點(diǎn)的大地高;

③再用常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量的方法測(cè)量這些點(diǎn)的正常高。

此外,首級(jí)平面和高程控制網(wǎng)的建立為了兼顧大橋勘測(cè)、施工、運(yùn)行的長(zhǎng)期過(guò)程以及放樣的高精度要求,根據(jù)需要而方便地復(fù)測(cè)和進(jìn)一步的加密。

2 GPS外業(yè)測(cè)量方法

GPS控制網(wǎng)測(cè)量的外業(yè)觀測(cè)方法和實(shí)施程序嚴(yán)格按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)設(shè)計(jì)書以及測(cè)量實(shí)施方案進(jìn)行。

1)測(cè)量?jī)x器均按規(guī)范要求進(jìn)行檢定,各項(xiàng)指標(biāo)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。采用Trimble 5700 GPS接收機(jī);如果需要加密,可采用全站儀;

2)GPS觀測(cè)方式采用靜態(tài)相對(duì)定位模式。提高觀測(cè)時(shí)間和重復(fù)設(shè)站數(shù),保證采集數(shù)據(jù)的可靠性和精度。

3 數(shù)據(jù)處理方法

3.1 基線解算和數(shù)據(jù)處理

基線解算,采用測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件Bernese和Gamit?；€解算質(zhì)量檢核項(xiàng)目包括同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差等。

3.2 GPS平面控制網(wǎng)平差

1)解算出GPS網(wǎng)3維空間坐標(biāo)結(jié)果,并計(jì)算出最弱點(diǎn)位中誤差,確保坐標(biāo)正確與精確;

2)GPS控制網(wǎng)平面坐標(biāo)系統(tǒng)的確立與轉(zhuǎn)換;

3)確定固定2點(diǎn)的GPS網(wǎng)約束平差方案;

4)GPS網(wǎng)計(jì)算成果與精度評(píng)定。

3.3 兩步抗差估計(jì)GPS高程擬合

一般的高程擬合方法是,通過(guò)最小二乘原理,求解得到各個(gè)參數(shù)之后,代入擬合模型,求解得到區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的高程異常值,進(jìn)而得到正常高[3]。由于最小二乘具有均攤誤差大的特性,因而一旦由大地高符合正常高求得的某幾個(gè)或幾個(gè)高程異常存在粗差,必然會(huì)導(dǎo)致所求的區(qū)域高程異常擬合模型扭曲[4]。因此,將抗差估計(jì)的理論和方法引入高程異常擬合模型參數(shù)估計(jì)中,以保證似大地水準(zhǔn)擬合模型的可靠性是很有意義的。具體步驟如下:

①列誤差方程;

②計(jì)算最小二乘估計(jì)值,獲取殘差;

③選取兩步等價(jià)權(quán)函數(shù),計(jì)算等價(jià)權(quán);

④在新權(quán)下,迭代平差運(yùn)算,得到

4 某市某大橋高程擬合實(shí)例及分析

某市某大橋施工控制網(wǎng)有10個(gè)控制點(diǎn),如圖1所示,高程采用水準(zhǔn)觀測(cè),采用成熟的平差軟件進(jìn)行計(jì)算,獲得各點(diǎn)的GPS大地高和正常高。分別采用二次曲面、多面函數(shù)和抗差估計(jì)方法進(jìn)行高程擬合。選用均勻分布的BM1、BM2、BM5、BM7、BM10為已知點(diǎn)進(jìn)行擬合,其已知數(shù)據(jù)如下表1所示。采用三種不同的方法對(duì)其余5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了擬合,其結(jié)果如表1所示。

圖1 某市某大橋水準(zhǔn)網(wǎng)方案

表1 已知水準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)

采用曲面法、函數(shù)法、抗差法進(jìn)行高程擬合,所得的高程與已知高程相比較,大多數(shù)點(diǎn)都符合工程施工的要求。采用二次函數(shù)法,多面函數(shù)法,兩步抗差多面函數(shù)法進(jìn)行高程擬合,所得結(jié)果如表2所示。

表2 擬合高程值/m

在加入粗差時(shí),二次法與多面函數(shù)法擬合的結(jié)果與已知值相差較大,特別是二次函數(shù)曲面法,差值最大達(dá)到了4個(gè)多厘米,多面函數(shù)法也達(dá)到2 cm多,因而,可以說(shuō)當(dāng)數(shù)據(jù)中存在一定的粗差時(shí),這兩種方法所得的結(jié)果與實(shí)際的差值較大。兩步抗差估計(jì)高程擬合方法,其結(jié)果與沒(méi)有粗差時(shí)變化不大,將含有粗差項(xiàng)的影響降到最小。因此,在沒(méi)有粗差影響的情況下,二次曲面法、多面函數(shù)法都能比較好的擬合出高程,得到精度比較高的結(jié)果。當(dāng)存在粗差時(shí),二次曲面法、多面函數(shù)法都沒(méi)有抗擊粗差的能力,受粗差影響,所得結(jié)果與實(shí)際值相差較大,兩步抗差估計(jì)擬合法能抵抗粗差的影響,得到比較優(yōu)良的結(jié)果[5]。

5 結(jié) 論

綜上所述,利用GPS布設(shè)橋梁施工控制網(wǎng),在設(shè)備、精度、質(zhì)量、可操作性、勞動(dòng)強(qiáng)度、時(shí)間效率等方面,比傳統(tǒng)建立控制網(wǎng)方法具備綜合優(yōu)勢(shì)。用GPS定位技術(shù)建立高精度的橋梁施工控制網(wǎng),在精度上完全可以滿足橋梁施工測(cè)量的要求,并提高了作業(yè)效率。兩步抗差應(yīng)用于高程擬合,對(duì)于含有多個(gè)粗差的處理效果尤為明顯,對(duì)于含粗差比較大的觀測(cè)值進(jìn)行了剔除,對(duì)于可疑的觀測(cè)值進(jìn)行迭代進(jìn)一步降權(quán),使其對(duì)應(yīng)的估計(jì)值較優(yōu)。某市某大橋施工控制網(wǎng)等工程實(shí)踐表明本方案較為經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、方便,建議在施工現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。

[1] 李劍坤.萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋GPS平面控制網(wǎng)測(cè)量[J].鐵路航測(cè),2003(1):37-38.

[2] 黃建學(xué),吳清文.云陽(yáng)長(zhǎng)江公路大橋GPS控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].現(xiàn)代測(cè)繪,2003(4):24-25.

[3] 王興國(guó),石 震.廈門集美大橋首級(jí)GPS控制網(wǎng)建立若干技術(shù)問(wèn)題探討[J].測(cè)繪技術(shù)裝備,2009(2):19-22.

[4] 高誠(chéng)鵬.應(yīng)用全球衛(wèi)星定位(GPS)技術(shù)建立橋梁施工控制網(wǎng)[J].福建建筑,2008(2):64-66.

[5] 楊一挺.杭州灣跨海大橋首級(jí)GPS控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)與施測(cè)[J].測(cè)繪通報(bào),2005(10):33-37.