长距离跨海大桥施工控制网测量

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司， 湖北武汉　430050)

平潭海峡公铁两用大桥位于福建省中东部沿海，是合福铁路的延伸及京福通道的重要组成部分，全长约16.348 km。该桥是上岛铁路的关键性控制工程。

与一般跨海大桥施工控制网的设计和实施相比，本项目具有以下特点：桥梁终点为四面环海的平潭岛，桥位途径4个岛屿，交通不便。水准网的整网闭合必须10次跨越海域，且线路总长超过20 km。可选择的控制测量手段少，且区域气象环境恶劣，台风频发，不利于跨海高程传递的实施。借鉴现有大型桥梁施工控制网经验[1]，根据本项目的特点，有针对性对其施工控制网进行设计与实施，并对成果进行分析。

1　施工控制网设计

1.1　平面控制网设计

施工平面控制网设计分为首级网和加密网两级，其中首级网、加密网的精度和技术指标参照GPS B级网和C级网[2]。全网共布设18个GPS平面控制点，即DQ1～DQ18。其中DQ1、DQ3～DQ7、DQ9、DQ11、DQ12、DQ18共10个控制点构成GPS B级网，DQ2、DQ8、DQ10、DQ13～DQ17共8个控制点与部分GPS B级控制点共同构成GPS C级网，施工平面控制网见图1。

平面控制网精度设计：首级网相邻点间基线水平分量中误差≤5 mm，相邻点间基线垂直分量中误差≤10 mm；加密网相邻点间基线水平分量中误差≤10 mm，相邻点间基线垂直分量中误差≤20 mm。

1.2　高程控制网设计

采用平面控制点兼作高程控制网点，并设计10次跨越海域联测，形成5个水准闭合环，构成施工高程控制网(如图2)。

图1　施工平面控制网

施工高程控制网网按国家二等水准测量精度和技术指标施测。其中跨海域部分根据规范[3]要求，按测距三角高程法双线跨海方式实施，每条跨海线路施测作业计划如表1。

表1　跨海水准作业计划

2　外业观测

2.1　平面控制网观测

控制点均埋设至基岩的强制归心观测墩。施工平面控制网中首级网和加密网均采用GPS静态相对测量模式观测，利用10台Trimble R8 GPS接收机，按静态相对测量模式同步观测4个时段。外业观测按表2中技术指标严格执行。

2.2　高程控制网观测

施工高程控制网分陆地水准和跨海水准两部分，共计完成二等水准联测22.8 km，跨河(海)水准测量10处。受当地亚热带海洋性气候的影响，跨海水准测量时水准尺读数精度降低，另一方面水准仪i角误差及大气折光的影响也急剧增大。按文献[4]中规定的三角高程法进行作业，合格率较低。因此，按文献[3]中经过改进后的二等测距三角高程法进行施测。每条跨海线场地布设成平行四边形，四个角点均埋设水准标钉并刻“十”标记，采用2台Leica TS30全站仪及配套铟瓦水准尺同时对向观测，并自动记录，远标尺上均设立1个觇标灯。每条跨海按双线跨海方式，严格按照表1中技术要求实施。

表2　GPS观测主要技术要求

3　解算与分析

3.1　施工平面控制网

(1)基线解算

首级网采用Gamit 10.4解算软件和IGS精密星历进行基线解算[5-6]，加密网采用商用软件TBC解算基线。本项目位于沿海，我国所有的海洋负荷潮改正都是由东向西减少，沿海地区最大[7]。因此，采用gamit解算B级网基线时考虑了海潮对基线结果的影响，设置了相关合理的海潮改正模型，并在解算过程中进行修正，确保了基线解算的质量。文献[8]指出，对于Gamit软件基线解的同步环检核，可以把基线解算精度指标nrms值作为同步环优劣检核的一个指标，一般认为nrms值0.12～0.5是合理的。根据国内外GPS数据处理经验[8-10]，nrms值在0.25左右为最优。B级网基线解算nrms为0.19左右，接近0.25，说明GPS首级网的整体外业观测质量较高，基线解的精度较理想。

(2)二维平差点位中误差

采用CosaGPS对首级网和加密网分别进行平差。平差后点位精度见表3，其中首级网最弱点(DQ4)的点位中误差为±1.8 mm，平均点位中误差为±1.6 mm，最弱边DQ4—DQ6边长相对中误差为1/124.1万；加密网最弱点(DQ8)的点位中误差为±1.8 mm，最弱边DQ13—DQ14边长相对中误差为1/41万。平面控制网精度满足相关规范和设计的要求。

表3　GPS点位中误差统计　mm

3.2　施工高程控制网

(1)环闭合差统计

陆地水准和跨海水准外业观测各项指标满足规范和上述设计要求，表4为高程控制网环闭合差精度统计。

表4　高程控制网环闭合差精度统计　mm

(2)高程精度统计

由表4可知，高程外业观测数据精度满足要求，采用CODAPS平差软件对全桥高程控制网进行整体严密平差，已知控制点DQ1的高程作起算数据。平差后，每公里水准测量的偶然中误差为±0.90 mm，最弱点(DQ18)的高程中误差为±2.90 mm。表5为高程控制网精度统计，高程控制网精度满足相关规范和设计的要求。

表5　高程控制网精度统计　mm

4　结束语

平面控制网采用分级布网的设计方案施测，其中首级控制网按基准站建设要求进行设计和观测，可满足长距离跨海桥梁施工期间建立GNSS连续运行参考站系统的实际需求，还可求定施工区域精确的GPS高程拟合参数，供施工放样使用。

高程控制网跨越多个岛屿，跨海测量线路多，跨海高程测量难度较大，通过水准路线的优化设计和合理组织，采用经改进的全站仪三角高程跨海水准测量方法，有效地解决了复杂气候条件下长距离跨海高程测量的技术难题。

本文采用的测量方法适用于类似的长距离跨海大桥施工控制网测量。

[1]吴迪军，张建军，李书银.复杂特大型桥梁施工控制网的建立与复测[J].工程勘察，2007(3):45-47

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 18314—2009全球定位系统(GPS)测量规范[S].北京:中国标准出版社，2009

[3]中华人民共和国铁道部.TB 10101—2009，J961—2009铁路工程测量规范[S].北京:中国铁道出版社，2009

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 12897—2006国家一二等水准测量规范[S].北京:中国标准出版社，2006

[5]武瑞宏.GAMIT软件的安装与使用[J].铁道勘察，2008(6):44-46

[6]匡团结，王兵海.GAMIT软件在高速铁路高精度GPS网基线解算中的应用[J].铁道勘察，2008(6):31-32

[7]周旭华，吴斌，李军.高精度大地测量中的海潮位移改正[J].测绘学报，2001，30(4):327-330

[8]郭际明，周命瑞，吴迪军,等.高精度GPS大型桥梁工程控制网数据处理与质量评估方法研究[J].测绘通报，2012(2):18-22

[9]熊伟，吴迪军.GAMIT在高精度桥梁平面控制网中的应用[J].地理空间信息，2012，10(2):79-81

[10]李剑坤，吴迪军.火箭橇滑轨基准线高精度GPS测量数据处理[J].工程勘察，2012(2):81-83