跨海大橋水中構(gòu)筑物的高精度測(cè)量

趙慶安

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州 510507）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)跨水域長(zhǎng)距離大型橋梁投入使用年數(shù)和交通量的增長(zhǎng)，許多大型跨海橋梁需要面臨運(yùn)營(yíng)期間的改擴(kuò)建的勘測(cè)和變形監(jiān)測(cè)。特別是當(dāng)前現(xiàn)有高速公路的通行能力擴(kuò)容的改擴(kuò)建工程正在如火如荼的進(jìn)行，所以超寬水域中橋梁墩柱或者其他構(gòu)筑物的精確測(cè)量顯得尤為重要。

1 工程案例

某高速公路改擴(kuò)建工程的施工圖設(shè)計(jì)的勘測(cè)任務(wù)中包含一座跨江大橋的水中墩柱的測(cè)量，現(xiàn)狀舊橋如圖1所示。

圖1 現(xiàn)狀跨海大橋舊橋

（17×20+15×30+70+4×120+70+3×30+20+2×30+2×20+10×30+26×20+23+2×30+27+30+6×20+3×13）m PC小箱梁、PC連續(xù)剛構(gòu)箱梁、PC連續(xù)箱梁，擬在現(xiàn)狀橋梁南側(cè)新建一座橋，橋梁參數(shù)為：

（130+240+240+130+36+65+36+2×21.5+9×30+26×20+4×30+7×20+3×13）m PC小箱梁、斜拉橋、PC連續(xù)箱梁。由于此跨海大橋所跨水域?qū)儆谝患?jí)航道，所以新建橋梁的主橋墩要求要和舊橋墩對(duì)齊且連線需平行于航線方向，以提高船舶的通行效率，降低船舶撞擊橋墩的風(fēng)險(xiǎn)。故此處墩柱的勘測(cè)要求對(duì)測(cè)量成果的三維精度要求比較高。筆者主要結(jié)合此處勘測(cè)內(nèi)容的實(shí)際情況，展開分析其難點(diǎn)以及要點(diǎn)問(wèn)題，并提出解決問(wèn)題的方法。

2 水中構(gòu)筑物施測(cè)的要點(diǎn)和難點(diǎn)

平面和高程精度要求盡可能高，常用的工程測(cè)量方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，全站儀極坐標(biāo)法施測(cè)時(shí)無(wú)論是有棱鏡或無(wú)棱鏡，優(yōu)勢(shì)在于短距離的高精度測(cè)量，劣勢(shì)在長(zhǎng)距離施測(cè)時(shí)距離的絕對(duì)精度受溫度、氣壓等影響大。GPS-RTK施測(cè)時(shí)優(yōu)勢(shì)在于測(cè)區(qū)范圍內(nèi)坐標(biāo)絕對(duì)精度保持一致，劣勢(shì)在于需要施測(cè)時(shí)實(shí)時(shí)保持導(dǎo)航衛(wèi)星通視情況良好，然而有些結(jié)構(gòu)物的特征點(diǎn)施測(cè)時(shí)不能對(duì)衛(wèi)星通視。

3 提高平面精度的主要措施

3.1 控制測(cè)量方案的制定

首先根據(jù)行業(yè)規(guī)范《公路勘測(cè)規(guī)范》，在選擇路線平面控制測(cè)量坐標(biāo)系時(shí)，應(yīng)使測(cè)區(qū)內(nèi)投影長(zhǎng)度變形值不大于2.5cm/km；大型構(gòu)造物平面控制測(cè)量坐標(biāo)系，其投影長(zhǎng)度變形值不大于1cm/km。所以項(xiàng)目前期開展勘測(cè)任務(wù)時(shí)就要結(jié)合測(cè)區(qū)所在地理位置、平均高程等控制因素去選擇合理的坐標(biāo)系當(dāng)投影長(zhǎng)度變形值滿足要求時(shí)，應(yīng)采用高斯正形投影3°帶平面坐標(biāo)系，當(dāng)投影長(zhǎng)度變形值不能滿足要求時(shí)，可采用投影于抵償投影面上的高斯正形投影3°帶平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)或參考橢球的高斯正形投影任意帶的平面直角坐標(biāo)系，也可以采用假定坐標(biāo)系，當(dāng)采用獨(dú)立坐標(biāo)系、抵償坐標(biāo)系時(shí)，應(yīng)提供與國(guó)家坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

平面控制測(cè)量坐標(biāo)系的選擇要使測(cè)區(qū)的平均高程面的投影變形不能超過(guò)1cm/km。但是有些跨海大橋橋型是斜拉橋或者懸索橋，主塔高度比較高，有些橋的塔頂與塔底高差大于100m，由于塔頂和塔根處距離投影面的高差不一致會(huì)導(dǎo)致塔頂和塔底處在同一投影面上的投影變形不一致，會(huì)影響構(gòu)筑物的測(cè)量精度，應(yīng)該通過(guò)優(yōu)化坐標(biāo)系的選擇去解決這類問(wèn)題，如圖2所示。

圖2 高主塔斜拉橋垂直度的檢測(cè)

本案例項(xiàng)目的跨海大橋上部和下部高差相差30m左右，所以由結(jié)構(gòu)物的頂和底的高差造成的影響不大，在前期開展勘測(cè)任務(wù)時(shí)已經(jīng)考慮此問(wèn)題，跨海大橋在平面坐標(biāo)系中處最大投影變形值0.06872cm/km，優(yōu)于規(guī)范要求。

3.2 施測(cè)方法的選擇

距離控制點(diǎn)較遠(yuǎn)的構(gòu)筑物的測(cè)量，首選GPS-RTK施測(cè)，GPS-RTK精度高，可以將誤差控制在厘米以內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)測(cè)站點(diǎn)在特定坐標(biāo)系中三維定點(diǎn)，具有操作時(shí)間短、使用方便等優(yōu)異性能。將參考站接收機(jī)設(shè)置在參考點(diǎn)，點(diǎn)校正后就可以直接施測(cè)，保證現(xiàn)有坐標(biāo)系下絕對(duì)精度，但是有些水中構(gòu)筑物的下部結(jié)構(gòu)會(huì)被水淹沒(méi)，不能近距離接觸，或者有些構(gòu)筑物可以近距離接觸施測(cè)，但是選用RTK施測(cè)時(shí)不能保證對(duì)衛(wèi)星良好的通視，也就不能選用RTK施測(cè)。

其次選用全站儀極坐標(biāo)法施測(cè)，如果水中構(gòu)筑物可以近距離接觸，最好可以在結(jié)構(gòu)物特征點(diǎn)安裝棱鏡再進(jìn)行特征點(diǎn)的施測(cè)，如果不能近距離接觸，只能選擇免棱鏡施測(cè)，但是免棱鏡模式測(cè)距精度低于有棱鏡模式。全站儀施測(cè)的影響因素很多，需要高精度的儀器、定向和施測(cè)時(shí)的照準(zhǔn)誤差、測(cè)距時(shí)的溫度，氣壓對(duì)測(cè)距的影響、定向邊長(zhǎng)要盡量大于施測(cè)邊長(zhǎng)、架儀器控制點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)精度，單方向觀測(cè)一般都是不能同時(shí)觀測(cè)到全部特征點(diǎn)，需要多方向同時(shí)觀測(cè)，所以不能保證構(gòu)筑物的特征點(diǎn)間的幾何相關(guān)性。所以選擇全站儀施測(cè)時(shí)，盡量不要直接讓儀器進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算，而是導(dǎo)出原始測(cè)量的斜距和角度，記錄施測(cè)時(shí)的氣溫，氣壓等參數(shù)進(jìn)行一系列的改正得到改正后的數(shù)據(jù)，在內(nèi)業(yè)中進(jìn)行前方交會(huì)進(jìn)行特征點(diǎn)的定位。

3.3 結(jié)合構(gòu)筑物的固有幾何因素進(jìn)行改正

首先結(jié)構(gòu)物的幾何因素是已知的前提下，例如水中橋墩在水平面投影是圓形或者橢圓等，水中防撞限高架是矩形等，內(nèi)業(yè)中要適當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性改正，才能達(dá)到理想的結(jié)果，如圖3所示。

圖3 高精度測(cè)量構(gòu)筑物成果

4 提高高程精度的主要措施

水中結(jié)構(gòu)物碎部點(diǎn)的高程施測(cè)首選水準(zhǔn)測(cè)量，但是因?yàn)槭芫嚯x限制達(dá)不到水準(zhǔn)測(cè)量的條件，更多的是選用三角高程施測(cè)。三角高程施測(cè)需要盤左、盤右多測(cè)回觀測(cè)垂直角并變換儀器高進(jìn)行多次施測(cè)，也需要對(duì)斜距進(jìn)行改正，同時(shí)從不同方向進(jìn)行觀測(cè)相互檢核提高測(cè)量精度，所以在進(jìn)行三角高程施測(cè)時(shí)一般不在儀器內(nèi)進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算而是記錄原始數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正得到最終的成果。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著目前越來(lái)越多超寬水域結(jié)構(gòu)的建設(shè)和投入使用，對(duì)于水中結(jié)構(gòu)物的超高精度的測(cè)量的需求越來(lái)越多，各種跨海大橋的變形監(jiān)測(cè)等，所以除了提高我們的測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度和減弱施測(cè)環(huán)境的影響，更多的是利用工程測(cè)量理論技巧去提高施測(cè)成果的測(cè)量精度。

本文通過(guò)工程實(shí)例勘察測(cè)繪時(shí)遇到的實(shí)際問(wèn)題以及應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行分析，其目的在于更好地了解和掌握超寬水域中構(gòu)筑物高精度施測(cè)的相關(guān)要點(diǎn)。為同類工程提供建議，具有借鑒意義，值得推廣。