桥梁施工测量GPS控制网布设的应用

欧阳溯

(广东省地质局七〇六地质大队,广东惠州516081)

0 引 言

桥梁施工控制网建立的主要目的是为桥梁各部位的施工放样以及桥梁施工完成后的运营监测提供基准,因此,桥梁施工控制网的质量将直接影响到工程的总体质量。为确保工程施工的高质量,必须对施工控制网的布设方案要进行充分认真的研究。随着GPS卫星定位技术的飞速发展,GPS测量由于其作用距离长、测量精度高、作业效率高、不受地形限制等优点,在工程测量中应用越来越广泛。用GPS定位技术建立高精度的桥梁施工控制网,文献[3]的实践表明:在精度上完全可以满足桥梁施工测量的要求,并提高了作业效率。

1 控制网方案设计

1.1 自然条件分析及资料收集

分析桥梁地址区域地形、地质、气象以及地下水位等不利因素的影响,采取相应的措施,确保控制网的质量,为桥梁精确施工提供了一个可靠的技术保证。收集测量资料、桥位区域及周边已有的高等级平面或高程控制网、大比例尺地形图和桥址地形图。

1.2 GPS控制网精度的确定

通常根据桥式及桥长(又称跨越结构)的允许误差或桥墩放样的容许误差来确定施工控制网的必要精度。实践中可根据上述两种方法结合相应规范及具体桥梁特点综合确定,规范可参考《公路全球定位系统(GPS)测量规范》。

1.3 GPS控制网坐标基准的建立与选取

对设计文件给出的控制网进行全面复测与校核,检查其作为基本点的可行性。GPS控制网坐标基准的选取主要是为了解决如下三个方面问题:

1)高斯投影变形问题;

2)与两岸道路衔接与便利施工的问题;

3)投影面的选取问题。

1.4 GPS控制网布设

可建立有国家统一坐标系统及桥轴线坐标系统下的平面控制和统一的高程控制,使整个桥梁工程在统一的控制网指导下,精密地有机地联系在一起。布网时拟分别从两个方面考虑:

1)平面控制 采用一次布网方案,保证了网点精度均匀,对网形设计的方案进行精度估算,根据估算结果再调整网形,反复地实施优化设计。可采用模拟法进行控制网的优化[1]。

2)高程控制 为更好地满足桥梁高程控制的需要,拟采用国家高程控制网与GPS定位技术相结合来解决高程确定的问题。在工程区域内,如何建立确切的高程异常模型,实现GPS大地高向正常高的转换,一直是国际上GPS测绘应用领域的重要研究课题[2]。也是本方案要研究的核心问题。设计方案为:

①根据桥梁的GPS控制网的布设情况,在桥梁的轴线方向加测若干GPS点;

②将这些GPS点与桥梁控制网中的其他控制点联合平差得到这些GPS点的大地高;

③再用常规水准测量的方法测量这些点的正常高。

此外,首级平面和高程控制网的建立为了兼顾大桥勘测、施工、运行的长期过程以及放样的高精度要求,根据需要而方便地复测和进一步的加密。

2 GPS外业测量方法

GPS控制网测量的外业观测方法和实施程序严格按有关标准、技术设计书以及测量实施方案进行。

1)测量仪器均按规范要求进行检定,各项指标符合有关标准的要求。采用Trimble 5700 GPS接收机;如果需要加密,可采用全站仪;

2)GPS观测方式采用静态相对定位模式。提高观测时间和重复设站数,保证采集数据的可靠性和精度。

3 数据处理方法

3.1 基线解算和数据处理

基线解算,采用测量数据处理软件Bernese和Gamit。基线解算质量检核项目包括同步环闭合差、异步环闭合差等。

3.2 GPS平面控制网平差

1)解算出GPS网3维空间坐标结果,并计算出最弱点位中误差,确保坐标正确与精确;

2)GPS控制网平面坐标系统的确立与转换;

3)确定固定2点的GPS网约束平差方案;

4)GPS网计算成果与精度评定。

3.3 两步抗差估计GPS高程拟合

一般的高程拟合方法是,通过最小二乘原理,求解得到各个参数之后,代入拟合模型,求解得到区域内各点的高程异常值,进而得到正常高[3]。由于最小二乘具有均摊误差大的特性,因而一旦由大地高符合正常高求得的某几个或几个高程异常存在粗差,必然会导致所求的区域高程异常拟合模型扭曲[4]。因此,将抗差估计的理论和方法引入高程异常拟合模型参数估计中,以保证似大地水准拟合模型的可靠性是很有意义的。具体步骤如下:

①列误差方程;

②计算最小二乘估计值,获取残差;

③选取两步等价权函数,计算等价权;

④在新权下,迭代平差运算,得到

4 某市某大桥高程拟合实例及分析

某市某大桥施工控制网有10个控制点,如图1所示,高程采用水准观测,采用成熟的平差软件进行计算,获得各点的GPS大地高和正常高。分别采用二次曲面、多面函数和抗差估计方法进行高程拟合。选用均匀分布的BM1、BM2、BM5、BM7、BM10为已知点进行拟合,其已知数据如下表1所示。采用三种不同的方法对其余5个点进行了拟合,其结果如表1所示。

图1 某市某大桥水准网方案

表1 已知水准点数据

采用曲面法、函数法、抗差法进行高程拟合,所得的高程与已知高程相比较,大多数点都符合工程施工的要求。采用二次函数法,多面函数法,两步抗差多面函数法进行高程拟合,所得结果如表2所示。

表2 拟合高程值/m

在加入粗差时,二次法与多面函数法拟合的结果与已知值相差较大,特别是二次函数曲面法,差值最大达到了4个多厘米,多面函数法也达到2 cm多,因而,可以说当数据中存在一定的粗差时,这两种方法所得的结果与实际的差值较大。两步抗差估计高程拟合方法,其结果与没有粗差时变化不大,将含有粗差项的影响降到最小。因此,在没有粗差影响的情况下,二次曲面法、多面函数法都能比较好的拟合出高程,得到精度比较高的结果。当存在粗差时,二次曲面法、多面函数法都没有抗击粗差的能力,受粗差影响,所得结果与实际值相差较大,两步抗差估计拟合法能抵抗粗差的影响,得到比较优良的结果[5]。

5 结 论

综上所述,利用GPS布设桥梁施工控制网,在设备、精度、质量、可操作性、劳动强度、时间效率等方面,比传统建立控制网方法具备综合优势。用GPS定位技术建立高精度的桥梁施工控制网,在精度上完全可以满足桥梁施工测量的要求,并提高了作业效率。两步抗差应用于高程拟合,对于含有多个粗差的处理效果尤为明显,对于含粗差比较大的观测值进行了剔除,对于可疑的观测值进行迭代进一步降权,使其对应的估计值较优。某市某大桥施工控制网等工程实践表明本方案较为经济、实用、方便,建议在施工现场推广应用。

[1] 李剑坤.万县长江大桥GPS平面控制网测量[J].铁路航测,2003(1):37-38.

[2] 黄建学,吴清文.云阳长江公路大桥GPS控制网的设计与实践[J].现代测绘,2003(4):24-25.

[3] 王兴国,石 震.厦门集美大桥首级GPS控制网建立若干技术问题探讨[J].测绘技术装备,2009(2):19-22.

[4] 高诚鹏.应用全球卫星定位(GPS)技术建立桥梁施工控制网[J].福建建筑,2008(2):64-66.

[5] 杨一挺.杭州湾跨海大桥首级GPS控制网的设计与施测[J].测绘通报,2005(10):33-37.