長距離跨水域高程控制關(guān)鍵技術(shù)研究

廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507

隨著公路設(shè)計水平的提升和建設(shè)項目的需求，項目中出現(xiàn)了較多水域跨度大的特大橋工程。在此類工程測量過程中，需布設(shè)高精度的高程控制網(wǎng)。

文章的研究依托湛江東海島至雷州高速公路項目中通明海特大橋的控制網(wǎng)布設(shè)工程。通明海特大橋全長5830m，通過分析橋位附近的測量條件，對測量技術(shù)與方法進行了創(chuàng)新和改進，最終得到了高精度的高程控制數(shù)據(jù)。

1 項目方案設(shè)計

1.1 橋梁控制網(wǎng)方案優(yōu)化

控制網(wǎng)的方案設(shè)計會影響整個控制網(wǎng)的精度。文章在高程控制測量階段充分考慮大型構(gòu)造物精度要求高的因素，從以下三個方面對布設(shè)及測量方案進行改進，以提高控制網(wǎng)的精度。

（1）結(jié)合項目的特點和現(xiàn)場的地形、地質(zhì)條件以及后期的施工階段需求，對控制網(wǎng)的網(wǎng)形和控制點點位進行設(shè)計，以提高整個控制網(wǎng)的平差解算精度。

（2）針對精度級別要求較高、觀測條件較為苛刻的特點，對傳統(tǒng)的跨水域高程控制測量方法以及測量儀器加以改進，以克服較差的測量觀測條件，從而提高獲取的原始數(shù)據(jù)精度。

（3）結(jié)合工程項目中的實際情況，綜合采用水準測量、跨河三角高程測量、GNSS高程擬合多種測量方法，對得到的數(shù)據(jù)成果進行綜合對比及融合分析，從而獲取最優(yōu)的數(shù)據(jù)模式，以確保高程控制測量成果的高精度和可靠性。

1.2 測量方法改進

由于傳統(tǒng)的高程控制測量方案各有優(yōu)缺點，因此在觀測條件差的跨水域高程控制測量中，需總結(jié)以往工程實際應(yīng)用過程中的經(jīng)驗教訓，根據(jù)項目的具體情況對測量方法進行改進。

（1）光學水準測量技術(shù)方法較為成熟，一般在長距離跨水域水準測量過程中依據(jù)現(xiàn)場情況選用光學測微法、傾針螺旋法等方法；特殊情況下會根據(jù)現(xiàn)場情況采用夜間觀測方法。

（2）GNSS高程擬合方法相對靈活，對于海拔較低、水系較多，似大地水準面較平滑，尤其是高等級高程起算點不足或沒有的地區(qū)，用GNSS跨河水準方法建立統(tǒng)一的跨河高程控制網(wǎng)非常高效適用。其誤差來源主要為GNSS儀器自身測量誤差和似大地水準面的擬合誤差。在項目的操作過程中，采用了相應(yīng)的方法來提高高程控制測量的精度：①在選用GNSS儀器硬件上需配備大地型雙頻接收機，以提高觀測數(shù)據(jù)的精度。②布設(shè)強制觀測墩，可避免儀器高度測量的誤差。③似大地水準面的擬合精度決定了其觀測精度，而似大地水準面的擬合需要布設(shè)外延點，布點方案優(yōu)化設(shè)計會顯著提升其擬合精度。根據(jù)測區(qū)面積、地形起伏大小、所采用的擬合模型及擬合精度等級等因素，綜合選定相應(yīng)的布網(wǎng)方式。一般而言，GNSS水準點應(yīng)均勻分布在整個測區(qū)，故測區(qū)邊緣必須有足夠數(shù)量的公共點，地形起伏較大、高程異常，有明顯變化的局部區(qū)域應(yīng)適當增設(shè)GNSS水準點。④選擇在地形較為平坦的平原、丘陵與河流兩岸地貌形態(tài)基本一致地區(qū)布設(shè)控制點，非跨河點位于跨河點連線的延長線上，且各點間距離大致與跨河距離相等。按照GNSS跨河水準測量的技術(shù)要求（見表1），在兩岸各布設(shè)了2個非跨河控制點。

表1 GNSS跨河水準測量的技術(shù)要求

（3）采用測距三角高程測量進行長距離跨水域高程控制測量，其誤差來源大致可分為外界環(huán)境的影響、儀器誤差的影響、照準和讀數(shù)誤差的影響。在高程控制測量中，針對各種影響因素，對測量方法及相關(guān)儀器進行的優(yōu)化、改進如下：①對全站儀進行改造，并在全站儀把手上設(shè)計定做了一個棱鏡頭連接器，并按過河水準距離專門設(shè)計定做了2個寬60cm、高40cm大小的覘板，在實現(xiàn)跨河水準測量的同時進行對向觀測，以消除地球曲率和大氣折光對觀測高差的影響。②按規(guī)范要求過河水準測量多組數(shù)據(jù)，垂直角每組觀測多測回。所用儀器測角精度為一測回方向觀測中誤差不大于1″。測距等級為Ⅱ級（5＜mD≤10，mD為測距中誤差）。③晴天光線較強，從順光方向看目標較為清晰，而從逆光方向看目標則很模糊，觀測過程中，選擇撐測傘并在鏡頭上配備遮光罩，以解決該問題。

2 控制測量實施

2.1 控制網(wǎng)測設(shè)

通明海特大橋跨越通明海峽，兩岸適宜布設(shè)控制點的位置的直線距離為3.9km。依據(jù)工程實際情況及相關(guān)規(guī)范，對此項目的橋梁獨立高程控制網(wǎng)進行了專題設(shè)計，綜合選用測距三角高程法結(jié)合光學水準測量方法和GNSS高程擬合法進行。

在河兩邊選取GD10、GD11、GL54、GL27四個點組成四邊形，過河水準采用經(jīng)典雙線跨江的方法，并在兩岸水準點間（GD10-GD11、GL54-GL27）用電子水準儀按二等水準精度進行往返測，再和過河水準高差一起進行平差計算。

過河水準采用距三角高程同時對向觀測的方法，選擇氣象條件穩(wěn)定、成像清晰的時段同時對向觀測。過河水準觀測了8組，垂直角每組觀測32測回，指標差、測回互差超限時進行了補測，氣象不穩(wěn)定時則對該組全部進行了重測。每組間變換儀器高和棱鏡高，儀器高和棱鏡高分別在測前測后量測2次，2次較差不大于1mm，觀測邊長時在全站儀進行溫度和氣壓的自動改正，邊長對向觀測4測回以上，每測回邊長較差不大于1mm。觀測完畢后及時對手簿進行檢查，確認觀測成果符合規(guī)定后進行高差計算，取往返測高差中數(shù)作為測段高差。

岸上水準點間二等水準使用電子數(shù)字水準儀配相對應(yīng)的銦鋼水準標尺，采用后—前—前—后順序進行往返測；外業(yè)觀測的各項限差均滿足《國家一、二等水準測量規(guī)范》（GB/T 12897—2006）（以下簡稱《規(guī)范》）要求，見表2。

表2 水準外業(yè)觀測限差值

采用GNSS高程擬合方法進行外業(yè)觀測的過程中，借助LeicaGS15大地型雙頻接收機對跨河點與非跨河點進行測量，GNSS高程控制外業(yè)觀測的相關(guān)指標參數(shù)嚴格按照《規(guī)范》中的高程觀測要求進行（見表3）。觀測時段數(shù)采用4×s，其中，跨河視線長度s取4，則觀測時段數(shù)為16。對跨河點與非跨河點進行測量后，在同岸點之間進行水準測量。使用水準儀測定同岸跨河點與非跨河點的水準高差，依據(jù)觀測數(shù)據(jù)進行擬合平差。

表3 GNSS高程觀測要求

2.2 控制數(shù)據(jù)分析

二等橋梁獨立高程控制網(wǎng)平差計算采用南方公司平差易程序計算，以GD10作為起算點，平差后每公里高差中誤差為0.68mm，小于《規(guī)范》允許值±2.0mm；最弱點高程中誤差為0.86mm，小于《規(guī)范》允許值±10.0mm；每公里高差偶然中誤差為0.32mm，小于《規(guī)范》允許值±1mm；其各項精度指標均滿足《規(guī)范》要求。

為確?？刂凭W(wǎng)高程控制測量數(shù)據(jù)的可靠性，對三角高程觀測數(shù)據(jù)和GNSS擬合高程數(shù)據(jù)進行對比。對比結(jié)果見表4。

表4 高程結(jié)果數(shù)據(jù)對比

3 結(jié)束語

文章依據(jù)項目的實際特點，制訂了相應(yīng)的控制測量方案，采用了多種測量方法，以提高測量結(jié)果的可靠性，并對各測量技術(shù)手段進行了改進，對多種測量成果數(shù)據(jù)進行了對比分析和綜合平差。通過在實際工程項目中的實踐應(yīng)用，提升了測量成果的精度和可靠性，提高了效率并節(jié)省工程造價，可為國內(nèi)跨度大于3.5km的長距離跨海高程控制測量提供一定參考價值。長距離跨水域高程測量作為一種高精度控制測量，今后還需在實際項目中不斷被研究和創(chuàng)新，從而得到精度更高、更為可靠的成果數(shù)據(jù)。