GNSS精密控制網在特大型橋梁施工監(jiān)測中的應用
——以虎門二橋為例

王曉明,曾旭平,馬鑫程，楊紅,辛明真,王發(fā)省,陽凡林, 4

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院,山東 青島 266590;2.中交公路規(guī)劃設計院有限公司,北京 100088;3.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢),湖北 武漢 430070;4.海島(礁)測繪技術自然資源部重點實驗室,山東 青島 266590)

0 引 言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)定位技術已越來越多地應用于大型橋梁的施工控制測量,特別是平面控制網的測設中.廣東虎門二橋工程位于廣東省珠江三角洲地區(qū),工程起于廣州市番禺區(qū),訖于東莞市.其中過江通道由坭洲水道橋(主跨1200 m懸索橋)、大沙水道橋(主跨1688 m懸索橋)和引橋組成,過江通道全長7.680 km，建設規(guī)模宏大，技術復雜,總投資111.8億元,已于2019年4月建成通車,成為世界上跨徑最大的鋼箱梁懸索橋.

特大型橋梁的首級控制網與其它一般工程控制網相比：控制網精度等級高;工程建設周期長,需要根據實際情況定期復測;控制網網形較差,往往呈狹長分布;控制點受現(xiàn)場施工影響較大.

虎門二橋施工控制網分為首級網和接線網.整個工程控制網除滿足布網要求外,同時為加密施工控制網等提供測量基準.大橋控制網主要為大橋施工的放樣和營運期的變形監(jiān)測服務,建網過程中充分考慮了控制網精度需要,同時考慮了測區(qū)內不均勻沉降對控制點穩(wěn)定性的影響,以及測區(qū)的氣象、水文、地質條件對確定建網時間和測量作業(yè)時間的影響.虎門二橋每年進行定期的復測,分析點位的穩(wěn)定性,保證工程的順利施工.

本文以虎門二橋工程為例,以8期測量成果為基礎,介紹了基線解算、控制網平差的相關措施.對各期的測量成果進行統(tǒng)計,采用t檢驗法對首級控制網復測成果比較分析,評定首級控制網點的穩(wěn)定性,為后續(xù)各期復測及其他類似工程提供參考和借鑒.

1 GNSS控制測量與基線解算

首級控制網由12個首級網點、GNSS站點組成.如圖1所示,首級平面控制網按公路二等GNSS網實施[1],具體觀測技術指標如表1所示.GNSS控制網采用邊連式和網連式進行連接,可以保證圖形強度,重復設站率大于等于4,每個時段觀測時間不少于4 h.

圖1 虎門二橋首級平面控制網布網示意圖

表1 虎門二橋首級控制網觀測技術指標

為滿足高精度跨海大橋控制網建立的需要,虎門二橋首級網基線解算采用GAMIT 10.40軟件進行.不同的基線解算軟件,由于其采用的模型及數(shù)據處理方式等因素的不同,可能造成基線解算結果的系統(tǒng)性差異,因此,不同期的觀測網都采用同一基線解算軟件(同一版本)進行處理[2].

星歷衛(wèi)星軌道的精度是影響GNSS基線解算精度的重要因素之一,因此提高衛(wèi)星軌道的精度是保證GNSS相對定位精度的關鍵因素之一.該控制網的處理,采用國際GNSS服務(IGS)精密星歷,其軌道精度達到0.05 m.如控制網中的邊長為100 km,星歷對基線在最不利的情況下影響不超過0.2 mm[3].

本控制網中基線均不超過100 km,因此采用BASELINE模式處理即可[4],不包含軌道或地球定向參數(shù),可固定IGS軌道.

GAMIT軟件在數(shù)據處理時,L文件包含所用測站的概略坐標文件,概略坐標的精度不能過低,否則會解算失敗[5],因此,GAMIT軟件需要多次解算,并將概略坐標替換為精度更高的坐標.

控制網解算模式選擇LC_HELP,但控制網中存在部分較短基線,因此,采用L1_ONLY解算一次[6],同時采用Trimble Geomatics Office(TGO)軟件解算,對短基線解算結果進行比對,以保證短基線解算的正確性.

測站坐標約束是通過對一個或多個基準站的坐標分量加以約束,為數(shù)據分析定義參考系統(tǒng).約束太緊導致基線分量誤差比站點坐標約束還要大[4],選擇合理的約束條件直接影響到解算精度,本工程中對起算點以緊約束,其余點位松約束,并不斷更改約束條件,多次解算,取精度最高的解算結果.

對每期基線解算質量統(tǒng)計,具體如下:各期GAMIT解算標準均方根(NRMS)統(tǒng)計，如表2所示、各期最弱重復基線統(tǒng)計，如表3所示.表2中,各期NRMS值均不大于0.32,均小于通常要求的0.5[6],因此各期基線解算合格.表3對各期的重復基線進行統(tǒng)計,8期測量中,重復基線最大互差為1.40 cm,小于相應的1.52 cm的限差要求.表2、3表明,虎門二橋各期基線解算均滿足要求,保證了基線的正確性與可靠性.

表2 虎門二橋各期NRMS統(tǒng)計

表3 虎門二橋最弱重復基線統(tǒng)計

為了確保大橋施工控制網的精度與可靠性,采用高精度測距邊對部分基線進行檢核測距，如表4所示,最大較差為2.5 mm,測距時采用Leica TM30(0.5″)全站儀及配套棱鏡、氣象設備,觀測值經加常數(shù)改正、乘常數(shù)改正、氣象改正等必要的數(shù)據處理.同時在大橋施工坐標系平差時加入測距邊聯(lián)合平差,以提高精度.

表4 全站儀測距邊長與GNSS邊長對比

2 GNSS控制網平差

平差軟件采用武漢大學GNSS中心研制的Poweradj4.0商業(yè)平差軟件.虎門二橋首級網三維無約束平差采用CGCS2000坐標系統(tǒng),主要作用為大橋控制網的ITRF坐標參考框架基準傳遞;主橋施工坐標系二維約束平差采用1980西安坐標系統(tǒng),主要為跨江部分橋面及主塔施工服務.

首級網控制點HB01與昆明(KUNM)、上海(SHAO)及武漢(WUHN)等IGS跟蹤站聯(lián)測,獲取起算點的CGCS2000坐標,采用的三個跟蹤站均勻分布于測區(qū)周邊,具有較好的圖形結構,滿足控制網對起算點的需要.

虎門二橋首級網CGCS2000坐標系歷次三維最小約束平差結果最弱點點位中誤差如表5所示,虎門二橋首級網大橋施工坐標系歷次二維約束平差平差結果最弱點點位中誤差如表6所示.

表6中,各期最弱點點位中誤差為0.59 cm,小于0.80 cm的施工要求;表5中,二維約束平差最弱點點位中誤差為0.42 cm,小于相應的0.80 cm的施工要求.各期最弱基線相對中誤差均小于1/150000,因此,虎門二橋各期網平差符合工程設計中的規(guī)范要求.

表5 首級網CGCS2000坐標系歷次三維最小約束平差結果最弱點點位中誤差統(tǒng)計

表6 首級網大橋施工坐標系歷次二維約束平差結果最弱點點位中誤差統(tǒng)計

3 控制網穩(wěn)定性分析

對八期主橋施工坐標系測量成果統(tǒng)計,各期成果坐標(x方向)較差如圖2所示、y方向較差如圖3所示.

圖2 各期成果坐標較差(x方向)

圖3 各期成果坐標較差(y方向)

2)做統(tǒng)計量:

F檢驗通過后,t檢驗的具體步驟如下:

1)H0:ξd=ξ2-ξ1=0,H1:ξd≠0.

檢驗的原假設H0是ξ2=ξ1,即該點坐標理論值兩期相同,自然無位移存在.如果拒絕原假設,則接受備擇假設H1,認為位移存在.

2)作統(tǒng)計量t,當原假設H0成立時,則

虎門二橋共觀測8期,對第7、8兩期的數(shù)據進行t檢驗.

首先作F檢驗,

選定α=0.05,兩期的自由度分別為98、110，查F分布表得F0.025(98,110)=1.47,F

進行t檢驗時,t的自由度為208,α分別取0.01、0.05、0.1、0.2.檢驗結果如表7所示.

表7 取不同α檢驗結果

由表7可以看出,選擇不同的α進行檢驗時,得到的結果并不相同,但α在一定范圍內變化時,點位穩(wěn)定性的判斷可能會相同,當.α取0.05、0.1、0.2時,得到的結果是相同的.

對虎門二橋的大地高統(tǒng)計如圖4所示.

圖4 各期成果大地高變化

點位穩(wěn)定性分析表明:

平面穩(wěn)定性:HB03、HB07位于橋軸線,在第7期時,HB03點位穩(wěn)定,變化較小,受施工影響,HB07點位變動較大;HB01、HB08、HB09位于垂直橋軸線,HB01、HB09變化較大.

高程穩(wěn)定性:共統(tǒng)計5點,大地高變化較小,點位最大沉降HB08為12.6 cm.

工程建設后期,部分點位受到施工影響,因此,第7期點位變動較大.除第7期的部分點位,在工程后期,均可認為點位穩(wěn)定,因此,可認為點位穩(wěn)定條件較好,絕大多數(shù)點位移較小,保證了工程建設的順利進行.

4 結束語

本文以虎門二橋工程為例,介紹了GNSS定位技術在特大橋梁中的具體應用,通過采用多種技術手段提高控制網精度.對各期精度的統(tǒng)計,表明各期測量均達到相應的技術標準;通過采用t檢驗法進行穩(wěn)定性檢驗,結果表明虎門二橋首級控制網整體較為穩(wěn)定,點位變化較小.該分析結果對后續(xù)監(jiān)測工作和施工具有重要的指導意義.