安九鐵路九江長(zhǎng)江特大橋測(cè)量控制網(wǎng)方案研究

陳 峰

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430050)

隨著我國(guó)高速鐵路網(wǎng)的不斷完善，跨越長(zhǎng)江的橋梁越來(lái)越多。受長(zhǎng)江航道及防汛等諸多因素的影響，要求新建的長(zhǎng)江大橋橋跨更長(zhǎng)，塔柱更高，其施工放樣精度要求也越來(lái)越高(對(duì)于無(wú)砟軌道高鐵橋梁，其主塔墩中心點(diǎn)的點(diǎn)位限差為5 mm)。因此，需要建立高精度的測(cè)量控制網(wǎng)，以滿足施工需要。李劍坤對(duì)長(zhǎng)距離跨海大橋施工控制網(wǎng)測(cè)量進(jìn)行了研究[1]，介紹建立跨海大橋施工獨(dú)立坐標(biāo)系的方法:兩端的線路需聯(lián)測(cè)橋梁控制點(diǎn)，以橋梁控制點(diǎn)為基準(zhǔn)，調(diào)整線路的部分測(cè)量誤差，使線路與橋梁順利銜接。安九鐵路九江長(zhǎng)江大橋精測(cè)網(wǎng)先于橋梁施工控制網(wǎng)建立，需要橋梁順接于兩端線路，而線路起算控制點(diǎn)等級(jí)為CPI，無(wú)法滿足橋梁施工放樣的精度要求。因此，需依附于線路精測(cè)網(wǎng)建立橋梁施工獨(dú)立坐標(biāo)系，使其既能滿足施工要求，又能保證橋梁與線路的順利銜接。

新建安慶至九江鐵路是長(zhǎng)三角城際鐵路網(wǎng)的重要組成部分，該線銜接商合杭客專、合安鐵路、昌九城際、昌吉贛客專，形成一條南北向的快速客運(yùn)通路；同時(shí)又與寧安城際鐵路、武九客專連通，形成沿長(zhǎng)江東西向的快速客運(yùn)通路。安九鐵路九江長(zhǎng)江特大橋是九江至安慶鐵路的重要控制工程，位于長(zhǎng)江下游河段。橋位南側(cè)位于江西省九江縣，北側(cè)位于湖北省黃梅縣，橋位中間是自然沖擊形成的獨(dú)立島—鳊魚(yú)洲。九江長(zhǎng)江特大橋南汊主通航孔主橋采用8跨連續(xù)雙塔混合箱梁斜拉橋，跨度布置為(2×50+224+672+174+3×50)m，全長(zhǎng)1320 m，北汊副通航孔主橋采用4跨連續(xù)獨(dú)塔預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斜拉橋，跨度布置為(49+2×140+49)m，引橋主要為跨徑32 m的簡(jiǎn)支混凝土箱梁。以安九鐵路九江長(zhǎng)江特大橋?yàn)槔?，研究大跨度跨江橋梁控制網(wǎng)測(cè)量方案。

1 建立控制網(wǎng)的目的和任務(wù)

建立大跨度跨江大橋施工控制網(wǎng)的目的是為大橋施工圖設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的基礎(chǔ)測(cè)繪資料，同時(shí)作為工程施工放樣、竣工驗(yàn)收及運(yùn)營(yíng)期間變形測(cè)量的控制基準(zhǔn)?？刂凭W(wǎng)測(cè)量包括平面和高程施工控制網(wǎng)測(cè)量。

2 測(cè)量精度、基準(zhǔn)、起算點(diǎn)與標(biāo)識(shí)標(biāo)志埋設(shè)要求

2.1 測(cè)量精度要求

根據(jù)工程項(xiàng)目的建設(shè)需要和規(guī)范要求，選擇合適的儀器設(shè)備進(jìn)行外業(yè)施測(cè)。安九鐵路長(zhǎng)江特大橋平面施工控制網(wǎng)采用GPS測(cè)量的方法[2]，按《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(以下統(tǒng)稱規(guī)范)一等GPS靜態(tài)測(cè)量精度施測(cè)；高程施工控制網(wǎng)按規(guī)范中二等水準(zhǔn)測(cè)量精度施測(cè)，跨江段高差傳遞按二等跨河水準(zhǔn)測(cè)量精度施測(cè)。

2.2 測(cè)量基準(zhǔn)

(1)坐標(biāo)系統(tǒng)

線路精密平面控制網(wǎng)(精測(cè)網(wǎng))的精度為二等GPS控制網(wǎng)，其精度不能滿足安九鐵路九江長(zhǎng)江大橋的施工需要。因此，為滿足工程建設(shè)的特殊性需求，以“一點(diǎn)一方向，自由網(wǎng)平差”方法，建立依附于原線路精測(cè)網(wǎng)的橋梁施工獨(dú)立坐標(biāo)系。具體做法為:以橋位附近穩(wěn)定的某一個(gè)控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)作為起算坐標(biāo)，該點(diǎn)至附近另外一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)方位作為起算方位，尺度歸算至橋軸線平均子午線經(jīng)度，投影變形歸化至橋梁平均軌底高程平面，橢球參數(shù)與中央子午線與線路精測(cè)網(wǎng)相同。

(2)高程系統(tǒng)

安九鐵路長(zhǎng)江特大橋采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

2.3 起算點(diǎn)選擇

平面起算坐標(biāo)采用線路精測(cè)網(wǎng)中的兩個(gè)穩(wěn)定平面點(diǎn)(一點(diǎn)一方向)，高程控制網(wǎng)利用某一個(gè)穩(wěn)定的高程控制點(diǎn)作為起算。應(yīng)優(yōu)先選擇基巖點(diǎn)作為高程起算點(diǎn)，另外選擇2～3個(gè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)作為檢核點(diǎn)，形成水準(zhǔn)閉合環(huán)。

2.4 標(biāo)石標(biāo)志埋設(shè)

安九鐵路長(zhǎng)江特大橋平面控制點(diǎn)均選擇強(qiáng)制歸心觀測(cè)墩(見(jiàn)圖1)，其實(shí)用性和耐久性方面優(yōu)于其他選擇，能夠更好地為后續(xù)橋梁施工測(cè)量服務(wù)[3]。

圖1 強(qiáng)制歸心觀測(cè)墩

3 平面控制網(wǎng)測(cè)量方案實(shí)施

結(jié)合測(cè)區(qū)實(shí)際情況，充分利用鳊魚(yú)洲的特殊位置，參照文獻(xiàn)[4]，利用準(zhǔn)則矩陣設(shè)計(jì)出最優(yōu)的控制網(wǎng)網(wǎng)形。安九鐵路九江長(zhǎng)江特大橋施工控制網(wǎng)共布設(shè)18個(gè)平面控制點(diǎn)，同時(shí)聯(lián)測(cè)了3個(gè)線路基礎(chǔ)平面控制點(diǎn)。其中，黃梅岸(湖北)布設(shè)了8個(gè)控制點(diǎn)，點(diǎn)號(hào)為DQ1～DQ8，鳊魚(yú)洲(獨(dú)立島)上埋設(shè)了2個(gè)控制點(diǎn)，點(diǎn)號(hào)為DQ9、DQ10，九江岸(江西)共埋設(shè)8個(gè)控制點(diǎn)，點(diǎn)號(hào)為DQ11～DQ18。所選控制點(diǎn)分布均勻，通視條件良好，且全部為強(qiáng)制歸心觀測(cè)墩[5]。

3.1 精度設(shè)計(jì)

安九鐵路九江長(zhǎng)江特大橋平面控制網(wǎng)按規(guī)范中一等GPS精度施測(cè)，其主要指標(biāo)為:基線方位中誤差不大于0.9″；最弱邊邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差不大于1/250 000，邊長(zhǎng)小于500 m的邊其邊長(zhǎng)中誤差不大于±5 mm[6]。

3.2 外業(yè)觀測(cè)

采用GPS靜態(tài)相對(duì)測(cè)量模式對(duì)平面控制網(wǎng)進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范，制定GPS外業(yè)觀測(cè)的主要技術(shù)要求。注意事項(xiàng)如下:

①GPS外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照調(diào)度計(jì)劃表進(jìn)行。

②在作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)觀察外接蓄電池的實(shí)時(shí)情況，以免發(fā)生電池電量耗盡而自動(dòng)關(guān)機(jī)的情況，影響外業(yè)觀測(cè)的一致性和連續(xù)性。

③在測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，隨時(shí)檢查儀器的對(duì)中與整平，確保外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量。

④在外業(yè)觀測(cè)、換站、上下船的過(guò)程中，應(yīng)注意人員和儀器設(shè)備的安全。

3.3 數(shù)據(jù)處理

采用Trimble GPS數(shù)據(jù)處理商業(yè)軟件TBC 3.70進(jìn)行基線向量解算，解算合格后，進(jìn)行重復(fù)基線、異步環(huán)的長(zhǎng)度或坐標(biāo)閉合差的驗(yàn)算，以避免基線存在粗差[7]。限差全部滿足規(guī)范要求后，使用COSAGPS6.0商用平差軟件進(jìn)行平面控制網(wǎng)平差:在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行三維無(wú)約束平差；三維坐標(biāo)分量等各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求后，再按“一點(diǎn)一方向”進(jìn)行二維約束平差。即以線路CPI控制點(diǎn)CPI127作為起算坐標(biāo)，以CPI127至CPI129的坐標(biāo)方位作為已知方位，尺度歸算至測(cè)區(qū)橋軸線平均子午線經(jīng)度115°51′42″，投影面正常高程為橋梁平均高程(52 m)，求解各控制點(diǎn)在橋梁施工坐標(biāo)系中的坐標(biāo)[8]。

3.4 精度分析

平差后，需分析最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差，最弱邊的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差、基線方位中誤差；另外，還要分析代表橋軸線跨越長(zhǎng)江段最弱邊的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差、基線方位中誤差、邊長(zhǎng)中誤差[9]。平差后的結(jié)果:最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為±2.3 mm，最弱邊相對(duì)中誤差為1/321 000，基線方位中誤差為0.66″，邊長(zhǎng)中誤差為±0.9 mm；代表橋軸線跨越長(zhǎng)江段最弱邊的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/1 063 000，基線方位中誤差為0.13″，邊長(zhǎng)中誤差為±1.3 mm，各項(xiàng)精度指標(biāo)均優(yōu)于規(guī)范要求，平差后各平面控制點(diǎn)的坐標(biāo)精度見(jiàn)表1。

表1 平面控制點(diǎn)點(diǎn)位中誤差統(tǒng)計(jì)

3.5 邊長(zhǎng)校核

為了驗(yàn)證GPS控制網(wǎng)的可靠性，使用Leica TCA2003全站儀，對(duì)2條邊進(jìn)行邊長(zhǎng)校核，每條邊均往返觀測(cè)4個(gè)測(cè)回，并進(jìn)行儀器加乘常數(shù)改正、氣象改正、傾斜改正和投影改正，其與GPS網(wǎng)平差邊長(zhǎng)的比較見(jiàn)表2。

表2 全站儀和GPS測(cè)量邊長(zhǎng)對(duì)比

從表2可看出，GPS網(wǎng)平差邊長(zhǎng)與Leica TCA2003全站儀實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)吻合較好，證明了所建橋梁施工獨(dú)立坐標(biāo)系的可靠與精確。

3.6 與原線路坐標(biāo)系的關(guān)系

橋梁施工坐標(biāo)系是在線路坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上建立的，橢球參數(shù)與線路坐標(biāo)系相同，僅存在尺度和投影面的偏差，其最大坐標(biāo)差為19 mm，小于20 mm的規(guī)范限差要求。

4 高程控制網(wǎng)測(cè)量方案實(shí)施

4.1 精度設(shè)計(jì)

安九鐵路九江長(zhǎng)江大橋高程控制網(wǎng)按二等水準(zhǔn)測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)量，要求每公里水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差≤1 mm[6]。

4.2 外業(yè)觀測(cè)

(1)陸地水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)

采用1臺(tái)Trimble Dini數(shù)字水準(zhǔn)儀及配套銦瓦條碼尺進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)測(cè)段往、返測(cè)量取平均值，所有測(cè)段組成水準(zhǔn)閉合環(huán)，測(cè)站觀測(cè)順序?yàn)?往返測(cè)奇數(shù)測(cè)站為“后前前后”模式，偶數(shù)測(cè)站為“前后后前”模式；水準(zhǔn)測(cè)量視線長(zhǎng)度和高度及觀測(cè)限差均滿足規(guī)范要求[6]。

在外業(yè)觀測(cè)期間，按照規(guī)范要求進(jìn)行標(biāo)尺圓氣泡檢校及水準(zhǔn)儀i角的檢測(cè)。二等水準(zhǔn)測(cè)量中往返測(cè)高差較差、附合或環(huán)閉合差限差為(為水準(zhǔn)測(cè)量的環(huán)線或路線長(zhǎng)度)。

對(duì)高差比較大的陸地區(qū)域，采用文獻(xiàn)[10]介紹的改進(jìn)中間法三角高程測(cè)量方法進(jìn)行施測(cè)，以提高外業(yè)工作效率。

(2)跨江水準(zhǔn)測(cè)量

為保證安九鐵路九江長(zhǎng)江特大橋兩岸高程的正確傳遞，參照文獻(xiàn)[11]關(guān)于跨江三角高程的網(wǎng)形優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，制定了該橋梁工程項(xiàng)目的跨江水準(zhǔn)測(cè)量方案。全橋共布設(shè)了4條跨江線路，其中南汊、北汊各布設(shè)2條(如圖2)，通過(guò)與陸地水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)形成閉合環(huán)。南汊跨江水準(zhǔn)視線長(zhǎng)約1.03 km，北汊跨江水準(zhǔn)視線長(zhǎng)約0.58 km，每條跨江線均布設(shè)成四邊形，使用2臺(tái)Leica TCA2003全站儀及配套銦瓦水準(zhǔn)尺和觀測(cè)標(biāo)燈，按測(cè)距三角高程法進(jìn)行同時(shí)對(duì)向觀測(cè)。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理參照文獻(xiàn)[12]，并計(jì)算出該區(qū)域的大氣折光系數(shù)，對(duì)往返高差進(jìn)行折光改正，以提高三角高程測(cè)量的精度。

圖2 跨河水準(zhǔn)測(cè)量網(wǎng)形布設(shè)方案示意

①距離測(cè)量

對(duì)每條跨江線的2條跨江邊，使用兩臺(tái)Leica TCA2003全站儀同時(shí)進(jìn)行對(duì)向觀測(cè)(外業(yè)觀測(cè)記錄斜距)，經(jīng)過(guò)各項(xiàng)改正后，換算成平距或者直接使用GPS基線解算及網(wǎng)平差后的水平距離[13]。

②垂直角測(cè)量

在外業(yè)測(cè)量過(guò)程中，借鑒文獻(xiàn)[14]中減少系統(tǒng)誤差的經(jīng)驗(yàn)，盡可能地減少全站儀系統(tǒng)誤差對(duì)三角高程跨河水準(zhǔn)測(cè)量的影響，各測(cè)回垂直角觀測(cè)的限差按表3規(guī)定執(zhí)行。

表3 垂直角觀測(cè)的限差

跨河線垂直角觀測(cè)借鑒文獻(xiàn)[15]的經(jīng)驗(yàn)，具體要求如下。

同一標(biāo)志線4次照準(zhǔn)讀數(shù)之差不得大于3″；

最少觀測(cè)時(shí)段數(shù):南汊6個(gè)，北汊4個(gè)；

每條跨江線路有效雙測(cè)回?cái)?shù):南汊8個(gè)，北汊6個(gè)；

半測(cè)回中的組數(shù):北汊6組，南汊4組；

過(guò)江視線高度≥4.5 m。

③限差規(guī)定

各測(cè)回間高差互差限差[6]為

式中:MΔ——每km水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差限值/mm；

N——單測(cè)回的測(cè)回?cái)?shù)；

S——跨河視線長(zhǎng)度/km。

同一時(shí)段的每條邊組成的高差環(huán)閉合差不大于式

(2)計(jì)算的限值[6]

式中:MW——每km水準(zhǔn)測(cè)量的全中誤差限值/mm；S——跨河視線長(zhǎng)度/km。

在有效觀測(cè)成果中，先剔除每個(gè)雙測(cè)回中環(huán)閉合差超限的時(shí)段，再進(jìn)行每個(gè)雙測(cè)回高差互差值的比較。

④限差執(zhí)行情況

南汊跨河水準(zhǔn)測(cè)量1號(hào)線、2號(hào)線跨江距離為1.04 km，測(cè)回間高差互差限差為±14.1 mm，同一時(shí)段各條邊高差計(jì)算的環(huán)閉合差限差為±12.2 mm；北汊跨河水準(zhǔn)測(cè)量3號(hào)線、4號(hào)線跨江距離為0.58 km，測(cè)回間高差互差限差為±8.6 mm，同一時(shí)段各條邊高差計(jì)算的環(huán)閉合差限差為±9.12 mm。南汊跨河水準(zhǔn)測(cè)量選取滿足規(guī)范要求的8個(gè)雙測(cè)回測(cè)段高差，北汊跨河水準(zhǔn)測(cè)量選取滿足規(guī)范要求的6個(gè)雙測(cè)回測(cè)段高差，各雙測(cè)回間互差及環(huán)閉合差見(jiàn)表4，均能滿足規(guī)范要求。

表4 跨河水準(zhǔn)測(cè)量成果限差統(tǒng)計(jì) mm____

表5 高程控制網(wǎng)閉合環(huán)成果統(tǒng)計(jì)

(3)高程控制網(wǎng)閉合環(huán)

高程控制網(wǎng)共組成4個(gè)閉合環(huán):黃梅岸1個(gè)，跨江段2個(gè)，九江岸1個(gè)，各閉合環(huán)閉合差及限差見(jiàn)表5。

4.3 數(shù)據(jù)處理

采用商業(yè)軟件對(duì)觀測(cè)高差進(jìn)行整體平差，觀測(cè)值的權(quán)按水準(zhǔn)高差的路線長(zhǎng)度來(lái)確定，跨江水準(zhǔn)測(cè)量的權(quán)結(jié)合測(cè)量精度綜合評(píng)定，以其中一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)平面控制點(diǎn)高程作為起算點(diǎn)。每km偶然中誤差MΔ按式(3)計(jì)算[6]

代入已知數(shù)值后，MΔ=±0.50 mm。

平差后，每km平面測(cè)量中誤差為0.5 mm，小于規(guī)范1.0 mm的限差，高程測(cè)量中誤差為±0.64 mm，最弱點(diǎn)的高程精度為±1.4 mm，均滿足規(guī)范的要求。

5 結(jié)論與建議

對(duì)安九鐵路九江長(zhǎng)江特大橋施工控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，所建立的大橋控制基準(zhǔn)準(zhǔn)確可靠，測(cè)量方法可行，成果精度高，滿足大橋施工的要求。按“一點(diǎn)一方向”法建立的橋梁施工坐標(biāo)系，其精度較線路精密控制網(wǎng)更高。另一方面，該方法也存在一定的弊端，即易將起算控制點(diǎn)的誤差累積到其中一側(cè)接線處，需要施工單位相互聯(lián)測(cè)接線處的共有控制點(diǎn)，并實(shí)地放樣橋梁中心線和線路中心線，以保證橋軸線正確銜接。