離岸遠(yuǎn)距離海島工程高精度高程傳遞

王曉智，李付偉，胡在華，趙 燕

中鐵大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司測繪分公司，河南鄭州 450053

1 概述

隨著我國交通建設(shè)的快速、健康發(fā)展，在過去被視為天塹的寬闊海域建設(shè)的大跨度橋梁越來越多，高程貫通測量成為大橋能否順利合攏的關(guān)鍵。由于受海上氣候條件、通視條件的制約，常規(guī)的水準(zhǔn)測量方法無法實(shí)現(xiàn)超長距離、高精度、高效率的高程傳遞。特別是在海中沒有高程基準(zhǔn)的孤島上，采用何種有效的測量方式進(jìn)行將高程傳遞到遠(yuǎn)離海岸的孤島，實(shí)現(xiàn)長距離、高精度的高程傳遞，提高長距離水準(zhǔn)測量作業(yè)效率，滿足離岸海島工程施工不同階段對高程精度的需求，保障工程建設(shè)順利進(jìn)行，是一個(gè)迫切需要解決的問題。

南澳縣位于南海北部，廣東省東部海面，是廣東省唯一的海島縣。離岸距離約9km，受臺風(fēng)和季風(fēng)影響全年通航時(shí)間不多，陸島交通非常困難，島上沒有高程控制點(diǎn)。大橋施工開始之前，為保證大橋施工基準(zhǔn)的統(tǒng)一以及首級網(wǎng)的精度，首先需要研究如何將大陸的高程基準(zhǔn)傳遞到遠(yuǎn)離海岸的海島上，以滿足本項(xiàng)目對高程控制網(wǎng)的穩(wěn)定性要求，保障設(shè)計(jì)、施工放樣的順利進(jìn)行。根據(jù)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)總結(jié)并考慮海中施工的具體條件我們選擇：按橋梁不同施工部位對高程測量精度的不同要求，分階段按不同方法進(jìn)行跨海高程控制測量。

2 GPS高程傳遞

2.1 GPS基準(zhǔn)網(wǎng)布測

南澳大橋施工前期，為了解決工程在缺少高程觀測資料和高程基準(zhǔn)信息的情況下，進(jìn)行GPS水準(zhǔn)高程傳遞的實(shí)用技術(shù)方法，首先對大橋首級控制網(wǎng)進(jìn)行了認(rèn)真設(shè)計(jì)和測量，在大橋兩岸幾公里范圍內(nèi)地形相近的位置特意布設(shè)8個(gè)高等級GPS控制點(diǎn)，控制點(diǎn)采用建立在基巖上的強(qiáng)制觀測墩的形式，并分別用二等水準(zhǔn)進(jìn)行聯(lián)測。為了得到這些控制點(diǎn)的高精度的大地高成果，對首級網(wǎng)的觀測采用長時(shí)間連續(xù)觀測并聯(lián)測國家高等級GPS控制點(diǎn)的辦法，分4個(gè)時(shí)段，連續(xù)觀測24小時(shí)，進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)采集、處理及精度分析，從而獲得各個(gè)觀測點(diǎn)較為精確的WGS-84坐標(biāo)。

圖1 首級平面控制網(wǎng)示意圖

2.2 GPS 水準(zhǔn)測量

GPS 水準(zhǔn)測量最重要的是精確的推求出測點(diǎn)高程異常值或兩點(diǎn)間的高程異常差值，這有多種方法可以選擇。但是這些方法都要求在待測點(diǎn)的周圍布測一定密度、分布合理并且具有同一高程基準(zhǔn)的水準(zhǔn)點(diǎn)，在其上進(jìn)行靜態(tài)GPS觀測以求得這些點(diǎn)的大地高，稱這些點(diǎn)為高程公共點(diǎn)，然后用高程公共點(diǎn)的高程異常值內(nèi)插或外推待測點(diǎn)的高程異常值，它的準(zhǔn)確程度很大程度上取決于高程公共點(diǎn)的密度、分布的合理性及測區(qū)地形條件。

GPS水準(zhǔn)測量，可用物理大地測量方法進(jìn)行輔助，即由密集的重力測量數(shù)據(jù)、高分辨率的數(shù)字地形模型和高階重力場模型精化測區(qū)局部的似大地水準(zhǔn)面，進(jìn)而通過GPS靜態(tài)測量，求得較為精確的大地高，根據(jù)測區(qū)的高程異常，求得觀測點(diǎn)的高程。但該方法在遠(yuǎn)離大陸的海島上要達(dá)到等級水準(zhǔn)的精度技術(shù)成本過高，難以在工程中得到推廣應(yīng)用；目前國內(nèi)GPS水準(zhǔn)的研究還僅限于有統(tǒng)一高程基準(zhǔn)的測區(qū)[1]，主要是為了跨越障礙物。

對于遠(yuǎn)離大陸的海島，常規(guī)測量方法無法跨越寬闊的水域，只能求助于GPS技術(shù)，但因?yàn)楹u上沒有高程點(diǎn)，這就使得離岸海島工程高程傳遞非常困難，是工程開始前必須要解決的一個(gè)難題。

結(jié)合南澳大橋?qū)嶋H，前期輔助工程對高程的精度要求較低，在條件不具備的情況下，片面要求高精度，實(shí)際意義不大，并且代價(jià)過于高昂。因此，我們通過對不同地點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果、各種擬合方案、布網(wǎng)方案的對比，結(jié)合兩岸擬合區(qū)域的地形特點(diǎn)，選取一個(gè)能與兩岸地面形狀吻合得較好的、成熟的函數(shù)模型，用最小二乘方法擬合測區(qū)的似大地水準(zhǔn)面，再用數(shù)學(xué)外推的方法求的海島上控制點(diǎn)的高程異常值, 先期求得島上控制網(wǎng)點(diǎn)的擬合高程。由此，就可根據(jù)GPS測得的大地高得到一個(gè)與水準(zhǔn)高程比較接近的擬合高程，用于海上平臺、優(yōu)先墩等大橋前期輔助工程的施工。

南澳大橋GPS網(wǎng)的基線處理采用TGO軟件，網(wǎng)平差采用PowerADJ 4.0軟件進(jìn)行，GPS高程的擬合利用matlab采用最小二乘曲面擬合方法進(jìn)行[2-4]，數(shù)據(jù)處理模型嚴(yán)密可靠，方法合理。

表1 島上控制網(wǎng)點(diǎn)的擬合高程

在海島無高程基準(zhǔn)的情況下，經(jīng)選用大陸側(cè)岸5個(gè)首級網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行試算，數(shù)學(xué)外推GPS水準(zhǔn)高程的方法求得海島上待測點(diǎn)GPS擬合高程。根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 041-2000），大型橋梁臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)高程允許偏差△h=±20=±60mm。由上表可知其精度可以滿足海中施工平臺的施工要求。

3 超長距離跨海三角高程傳遞

3.1 超長距離跨海三角高程傳遞技術(shù)方案設(shè)計(jì)

為了給后續(xù)工程施工提供更為精確可靠的高程基準(zhǔn)，根據(jù)海島工程特點(diǎn)，充分利用沿測線及測線兩端一定區(qū)域范圍的地形，從嚴(yán)密三角高程測量計(jì)算公式出發(fā)，進(jìn)行超長距離跨海三角高程傳遞技術(shù)設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、測量實(shí)施細(xì)則制定、數(shù)據(jù)處理方案設(shè)計(jì)等。

由于南澳大橋兩岸直線距離將近8km，目前的常規(guī)測量儀器無法使用，因此必須尋找合適的觀測點(diǎn)，盡可能的縮短觀測距離，以期獲得較高的觀測精度?？紤]到大橋大陸一側(cè)海水深度不大，海底較為平緩，因此前期施工中優(yōu)先安排海中過渡平臺的施工，在施工平臺完工后，充分利用平臺設(shè)計(jì)施測方法和線路。通過在淺水區(qū)建立穩(wěn)定的簡易過渡平臺，這樣使得原本8km的測距改變?yōu)?跨，最遠(yuǎn)觀測距離為3.1km的一條觀測線路，使得高精度的跨海高程傳遞變?yōu)榭赡堋?/p>

3.2 嚴(yán)密三角高程測量計(jì)算公式

由于目前在一般文獻(xiàn)中的三角高程測量公式，其函數(shù)模型誤差達(dá)厘米級，不宜用在高精度三角高程高差測量中。因此采用嚴(yán)密的三角高程測量計(jì)算公式，為高精度三角高程測量在跨海工程中的應(yīng)用提供參考。

直接用觀測天頂距導(dǎo)出的嚴(yán)密三角高程測量計(jì)算公式[5]：

單向觀測計(jì)算公式：

雙向觀測計(jì)算公式：

上述嚴(yán)密三角高程測量計(jì)算公式充分考慮了垂直折光差和地球曲率、相對垂線偏差分量、橢球項(xiàng)影響、儀器殘余系統(tǒng)誤差對高差測量的影響等，對于2km的三角高程測量其函數(shù)模型誤差小于0.5mm，能夠滿足高精度三角高程測量的應(yīng)用，國內(nèi)對此已有專門的研究和實(shí)踐[6]。我們在實(shí)踐的基礎(chǔ)之上，考慮試驗(yàn)在＞3km的距離上進(jìn)行高精度三角高程傳遞的可行性和技術(shù)方法。為此從嚴(yán)密三角高程公式出發(fā)，分析三角高程測量的系統(tǒng)誤差，制定出消除或減弱系統(tǒng)誤差且適合海上作業(yè)的觀測程序，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了遵守這樣的觀測程序能達(dá)到的精度，為高精度三角高程測量在遠(yuǎn)距離離岸海島工程的應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)。

3.3 測量方法和實(shí)施

跨海三角高程測量采用測回法，利用高精度Leica全站儀進(jìn)行測量兩點(diǎn)間的正常高高差，共觀測四組雙測回。試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，觀測時(shí)間間隔超過半小時(shí)，折光差影響就會比較大，因此，規(guī)定觀測時(shí)間必須是在陰天，能見度較好的時(shí)候，對向觀測時(shí)間間隔不能大于半小時(shí)；必須采用相同型號和精度的儀器，觀測過程必須嚴(yán)格同步，每測回都必須觀測溫度、氣壓濕度等氣象要素，對觀測結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)修正；對于觀測數(shù)據(jù)，要統(tǒng)一按照制定的數(shù)據(jù)處理方案進(jìn)行方差檢驗(yàn)和粗差的剔除。

從NQ03至南澳島，實(shí)際的跨海水準(zhǔn)測量工作量共有4跨，總長約8.95km。具體測量結(jié)果如表2。

表2 各跨三角高程（高差）測量數(shù)據(jù)

從以上各跨跨海髙程計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，各跨的每公里髙程全中誤差小于等于3mm/km，均髙于國家四等水準(zhǔn)每公里全中誤差小于10mm精度要求。

根據(jù)實(shí)測試驗(yàn)表明，當(dāng)垂直角觀測精度ma≤±1′′，邊長在3.5km范圍內(nèi)，電磁波測距三角高程測量完全可以替代四等水準(zhǔn)測量。同時(shí)前期的GPS高程擬合成果和三角高程觀測成果比較，最小差值3.6cm，最大為6.5cm，證明之前的GPS水準(zhǔn)高程傳遞結(jié)果具有一定的可靠性，對大橋前期輔助工程的施工起到了積極的作用。

根據(jù)超長距離跨海三角高程測量結(jié)果，修正了島上GPS水準(zhǔn)高程成果，建立起施工區(qū)域坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型，極大的方便了海中的基礎(chǔ)施工。

基礎(chǔ)工程具備條件后，我們按三等水準(zhǔn)精度要求，進(jìn)行了第二次跨海三角高程傳遞，修正島上的高程成果，為全部下部結(jié)構(gòu)施工提供更高精度的高程控制基準(zhǔn)；待上部結(jié)構(gòu)達(dá)到常規(guī)水準(zhǔn)測量實(shí)施條件后，按二等水準(zhǔn)精度要求，進(jìn)行高精度常規(guī)高程傳遞，為橋面及其輔助設(shè)施施工提供高精度的高程基準(zhǔn)，同時(shí)求得島上控制網(wǎng)點(diǎn)的二等水準(zhǔn)，與前期各項(xiàng)成果進(jìn)行比較分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和方法，制定實(shí)施細(xì)則，指導(dǎo)今后類似工程的施工。

4 技術(shù)總結(jié)

在解決工程難題時(shí)，我們充分利用已有經(jīng)驗(yàn)，但不拘泥于經(jīng)驗(yàn)，大膽采用先進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)新思維，根據(jù)各分部分項(xiàng)工程結(jié)構(gòu)對高程控制精度的不同要求，分步驟、分階段實(shí)施滿足不同階段工程需要的不同等級水準(zhǔn)高程傳遞。該方法將目前研究較多、較成熟的技術(shù)手段，通過整合、創(chuàng)新，在解決工程難題的同時(shí)，取得了重要的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也節(jié)省了大量成本。

5 結(jié)論

南澳大橋是廣東省第一座地處外海、連接海島的跨海大橋，其特定的地理位置、施工條件，以及多標(biāo)段同時(shí)施工等，使其高程控制測量顯得尤其重要。南澳大橋目前下部結(jié)構(gòu)已基本完成，高程基準(zhǔn)問題的解決極大的方便了海中施工。通過2年多的施工實(shí)踐證明，南澳大橋建設(shè)初期對離岸海島工程高程傳遞技術(shù)問題的研究是非常及時(shí)和十分必要的，解決問題的思路正確，方法可行，效果顯著，各項(xiàng)測量指標(biāo)滿足施工規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

[1]肖根旺，許提多，朱順生.GPS高程在杭州灣跨海大橋高程控制中的應(yīng)用研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2004，26(5)：101-106.

[2]蔡群，張書畢.基于Matlab的GPS水準(zhǔn)高程擬合程序設(shè)計(jì)[J].科技資訊，2006，3(2)：1-2.

[3]求是科技.Matlab7.0從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[4]陳本富，王貴武，沈慧，郭先春.基于Matlab的數(shù)據(jù)處理方法在GPS高程擬合中的應(yīng)用[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)，2009，34(5)：1-4 .

[5]肖根旺，許提多，周文健，朱順生.高精度長距離跨海三角高程測量的嚴(yán)密計(jì)算公式[J].測繪通報(bào)，2004，331(10)：15-17.

[6]郭秉江，許提多.Leica TCA1800高精度超長跨海高程傳遞[J].鐵道勘察，2007，33(1)：1-5.