面向橋路中線銜接的GPS橋梁施工控制測量研究

朱盼　吳浩

摘要：GPS技術(shù)在公路和鐵路建設控制網(wǎng)絡中的應用，對于GPS技術(shù)的發(fā)展和大型橋梁的控制測量都具有重要意義。為了解決GPS測量控制網(wǎng)絡的軸線與路徑控制網(wǎng)絡中心線之間正確合理連接的問題，本文提出了一種GPS橋梁施工控制網(wǎng)絡。該方法將邊緣引入到GPS橋梁施工控制網(wǎng)絡中。長距離約束和方位角約束避免了傳統(tǒng)方法引起的控制網(wǎng)絡精度失真，并更好地確保了路徑的連續(xù)性以及舒適度和平滑度的設計效果。工程實踐表明，通過合理合理的點分布計劃和適當?shù)臄?shù)學模型，約束平差不僅可以使軸與中心線正確正確地連接，而且可以保證其精度。符合施工控制測量要求。

關(guān)鍵詞：約束法平差，橋梁，控制測量，GPS

Research on GPS Bridge Construction Control Survey for Bridge Road Central Line Connection

ZHU Pan1 WU Hao2

（1. CCCC Second Highway Survey and Design Institute Co.， Ltd， Wuhan， Hubei Province， 430056 China; 2.China Railway Bridge Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei Province， 430056 China）

Abstract：The application of GPS technology in highway and railway construction control network is of great significance for the development of GPS technology and the control survey of large bridges. In order to solve the problem of correct and reasonable connection between the axis of GPS survey control network and the center line of path control network， this paper proposes a GPS bridge construction control network. In this method， the edge is introduced into the GPS bridge construction control network. Long distance constraint and azimuth constraint avoid the accuracy distortion of control network caused by traditional methods， and better ensure the continuity of the path and the design effect of comfort and smoothness. The engineering practice shows that the constrained adjustment can not only make the axis and the center line correctly connected， but also ensure its accuracy through reasonable point distribution plan and appropriate mathematical model. Meet the requirements of construction control survey.

Key Words： Constraint method; Bridge; Control survey; GPS

在橋梁施工階段，測量工作的任務是精確放樣橋墩、橋臺的位置和跨越結(jié)構(gòu)的各個部分，并隨時檢查施工質(zhì)量。對于中小橋，由于河窄水淺，橋墩、橋臺間距離可用直接丈量的方法進行放樣，或利用橋址勘測階段的測圖控制網(wǎng)作為施工放樣的依據(jù)^[1]。對于大橋或特大橋，必須建立專門的平面和高程控制網(wǎng)，作為放樣依據(jù)^[2]。

GPS測量設備已滲透到橋梁建設的各個領(lǐng)域，為當今的快速橋梁建設提供高質(zhì)量、高效的測量服務^[3]。高精度GPS技術(shù)不再局限于控制網(wǎng)絡設計的應用，GPS-RTK實時定位技術(shù)和CORS技術(shù)也取得了空前的發(fā)展。 RTK的快速定位、高效、高精度和高可靠性已逐漸成為建筑物準實時定位和放樣測量的重要手段^[4]。在快速建設的概念下，在某些情況下，傳統(tǒng)的測量儀器無法滿足人力、物力、時間和環(huán)境條件有限的現(xiàn)場建設要求，而GPS技術(shù)長距、實時、準備、三維、快速、全天候的功能是根據(jù)該時代的發(fā)展要求量身定制的，在當今的橋梁建設中起著非常重要的作用。

然而，在公路建設研究中，公路路線控制研究的低精度與大型結(jié)構(gòu)（橋梁，隧道）的控制研究的高精度之間的矛盾特別突出。因此，如何在大型結(jié)構(gòu)的GPS測量控制網(wǎng)絡所控制的軸線與路徑控制網(wǎng)絡所控制的路線的中心線之間進行正確合理的連接已成為人們普遍關(guān)注的問題。為了解決該問題，作者提出了一種約束方法，該方法滿足大型結(jié)構(gòu)的軸線的兩端與路線的中心線之間的連接的最小偏差，以在施工控制網(wǎng)絡中進行約束平差。

1 約束法平差的原理與方法

由于GPS施工控制網(wǎng)的投影面與路線施工控制的投影面之間的差異，以及兩次觀測的精度差異，以確保所需的網(wǎng)絡精度GPS橋梁施工控制網(wǎng)絡，GPS施工控制網(wǎng)針對橫向長度約束和方位約束進行調(diào)整。其目的是在GPS控制網(wǎng)和路線構(gòu)建控制網(wǎng)之間實現(xiàn)正確合理的連接^[5]。路線GPS橋梁施工控制網(wǎng)是“連接”到低級路線測量控制網(wǎng)的高精度網(wǎng)。一方面，要確保橋梁“剛性”結(jié)構(gòu)的施工精度;另一方面，這是有效地消除連接點。小偏轉(zhuǎn)角對道路行駛安全隱患的影響。在實際操作中，有兩種常見方法有一定的局限性來解決此問題。一種是將GPS施工控制網(wǎng)視為一個獨立的控制網(wǎng)，以確保橋梁的施工，從而淡化了兩軸之間的連接關(guān)系^[6]。另一個是確保兩個軸之間的連接，并使用橋梁兩端的路線控制點作為GPS控制。建筑物控制網(wǎng)的約束條件導致GPS控制網(wǎng)精度的失真。因此，在GPS施工控制網(wǎng)中引入橫向長度限制和方位角限制可以更好地確保路線的連續(xù)性以及舒適和平滑度的設計效果。

測量中帶有約束條件的Gauss-Markov平差模型為

2 工程實例

2.1 GPS平面施工控制測量

高架橋位于海洋沉積平原地區(qū)，工程條件極其惡劣，地形低矮，軟土層厚度超過60 m，這對控制測量的精度提出了更高的要求施工。在設計GPS施工控制網(wǎng)絡時，控制點位置的選擇要考慮到橋梁施工的特點。一方面，該點的位置不在施工道路上，并且適合GPS觀測要求，另一方面，可以使這些點盡可能彼此相鄰。一般可見性和相鄰線控制點的放樣構(gòu)造原理，長邊方向，GPS控制網(wǎng)絡的構(gòu)造采用“邊連接”方法（圖1）來增加控制網(wǎng)絡的圖形強度。

根據(jù)上述網(wǎng)絡布局計劃，總共在施工現(xiàn)場安裝了21對GPS施工檢查站，并且使用4個WILD雙頻增強Leica 350 GPS接收器以單模式進行觀測?？焖凫o態(tài)相對定位操作。在觀測過程中，可同時觀測的有效衛(wèi)星數(shù)量大于4，截止高度大于15，由衛(wèi)星星座和測站組成的圖形（GDOP）的幾何強度小于5，因此觀測在兩天內(nèi)完成，總共獲得336個基準。在對GPS觀測基線的三維向量進行三維無限制擬合之后，在檢測到總體誤差之后，整個觀測值中就不會出現(xiàn)總體誤差。當控制網(wǎng)絡的先驗誤差與后驗誤差完全相等時，獲得的基線GPS向量的最大殘留誤差為9mm，最弱點的三維坐標誤差為±3.1、±4.3、±3.3 mm。這表明GPS觀測基線是高質(zhì)量的，可用于調(diào)整二維約束。

以橋基的平均高程投影面的長度和橋軸的方位角為約束，目標函數(shù)為橋軸與道路兩端之間的最小連接差。GPS橋梁施工控制網(wǎng)絡是二維約束擬合。調(diào)整后獲得的GPS施工控制網(wǎng)坐標結(jié)果完全可以滿足橋梁施工精度要求。由于道路和橋梁建設所需的測量精度不同，橋梁兩端的路線控制點的坐標與橋梁控制點的坐標之間存在顯著差異。偏差示于表1。?

根據(jù)上述偏差可以看出，橋梁與路線起點之間的線位置差很小，兩者基本相同。連接點的偏轉(zhuǎn)角不會很小，不會影響高速車輛。在橋的另一端，由于線位置和中心線連接之間的偏差較大，因此線的設計將不美觀，并且線連接處的偏轉(zhuǎn)角可能較小，因此必須采取措施將其消除。線位置的偏差可以視為兩組結(jié)果之間的初始數(shù)據(jù)（坐標，方位角）差異的影響。在實際操作中，可以使用以下方法來限制路線控制點和放樣范圍：橋梁施工控制點和從橋梁控制點到橋梁的單向“穿透”放樣，路徑范圍用于找到最佳的連接點以解決線路連接問題。

2.2 GPS高程控制測量

GPS可以非常高精度地獲得點之間的高度差。將其轉(zhuǎn)換為適合工程研究的正常高差（或正高）時，必須考慮異常大地水準面校正。這種轉(zhuǎn)換受到重力測量數(shù)據(jù)和其他因素的限制。目前主要使用GPS水準儀，即同名點的正常高度（或正高）和GPS地面的高度根據(jù)一定的比例獲得彼此的轉(zhuǎn)換率數(shù)學模型。在高架橋GPS施工控制網(wǎng)絡中，通過三級水準連續(xù)測量6個GPS控制點，并均勻分布測量點。根據(jù)考慮了地形校正的表面調(diào)整方法，內(nèi)部調(diào)整誤差為8mm，外部整合精度為7mm，所有要插補的點都在模型的插值控制范圍。將GPS水準法高程與四等水準相較，最大誤差為-36 mm，誤差均值為-2 mm，中誤差為±9 mm，按照GPS施工控制網(wǎng)的必要精度為，可知，GPS水準法的高程精度已達到了四等水準的精度要求，可應用于施工測量。

3 結(jié)語

（1）GPS作為一種高科技的測量方法，比傳統(tǒng)的測量方法建立橋梁施工控制網(wǎng)絡具有更高的精度和一致性;該方法更加方便、靈活和高效。

（2）橋梁GPS施工控制網(wǎng)的限制調(diào)整，可以使橋梁軸線與線路兩端的中心線正確銜接，并確保設計的視覺效果。

（3）采用合理、統(tǒng)一的測點設計方案和適當?shù)臄?shù)學模型，GPS水準法的高程測量精度可以滿足施工控制測量的要求。

參考文獻：

[1]肖根旺，朱順生，王曉智.大型斜拉橋超高塔控制測量技術(shù)設計與實踐[J].測繪科學技術(shù)學報，2018，35（02）：201-205.

[2] 夏海寧，張帆宇揚，袁德寶，王杰，龐世晨.GPS在高鐵控制測量中的精度分析——以西成高鐵為例[J].測繪通報，2018（10）：117-121.

[3]堯小強. GPS技術(shù)在高速鐵路特大橋控制測量中的應用研究[D].華東交通大學，2019.

[4]楊恪. 南京長江大橋施工測量及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)[D].成都理工大學，2019.

[5]吳培洪.基于約束法平差的橋梁施工控制測量技術(shù)研究[J].測繪與空間地理信息，2016，39（04）：204-206.

[6]劉紀平，張用川，徐勝華，錢新林，仇阿根，張福浩.一種顧及道路復雜度的增量路網(wǎng)構(gòu)建方法[J].測繪學報，2019，48（04）：480-488.