GPS在济南某路桥工程监测中的应用

孙亚廷（中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东 济南 250100）

GPS在济南某路桥工程监测中的应用

孙亚廷
（中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东 济南 250100）

【摘 要】GPS(全球卫星定位系统)现已广泛地应用于导航、定位等系统中，尤其在控制测量中起了划时代的作用。由于GPS在静态相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等特点，使其逐渐代替了常规的三角、三边、边角等测量方法。新建路桥投入运营后，采用GPS对其变形情况进行监测，为运营管理单位及监理提供有效的监测数据。本文对GPS在济南某路桥工程监测中的基准设计、数据采集以及数据处理等方面进行了探索实践，提出利用GPS技术进行工程监测的新思路。

【关键词】GPS；GPS静态定位；监测；数据处理

1　路桥基本情况

1.1 路桥概述

该路桥位于某规划道路上，跨越一东西走向的河道，规划路宽度为50m，断面组成为7.5m慢行一体+15m车行道+5m绿化带(BRT预留)+15m车行道+7.5m慢行一体。工程位置为一座现状桥梁，宽24m，长50m，桥梁结构形式为钢架拱桥，主跨径为30m，监测实施时该桥将全部拆除。桥位处河道，断面形式为复式河槽，主河槽宽60m，南侧副河槽宽20m，北岸为南水北调输水暗涵侧墙。桥梁结构型式为上承式钢管砼桁架拱桥，主拱跨径布置为单跨60m，梁长70m。该桥为正桥，桥宽为51m，结构分两幅，每幅25.5m，两幅桥之间设纵缝2cm。桥面机、非混行车道40m，人行道宽度5.5m。

1.2 路桥结构

1.2.1 桥梁总体设计

该路桥长70m，为净跨径60m上承式钢管砼拱桥，矢跨比为1/8，拱轴线采用圆弧拱轴线。

设计车速：50km/h；汽车荷载标准：公路-Ⅰ级；设计基准期：100年；设计安全等级：二级；环境类别：按Ⅰ类环境进行混凝土结构的耐久性设计；人行道荷载设计标准：3.5kPa的均布荷载；地震烈度：Ⅵ度；桥宽：单幅桥桥宽25.5m，两幅桥之间纵缝宽度2cm，机、非混行车道宽40m，人行道宽5.5m。桥面机、非混行车道横坡1.5%，人行道横坡1.5%；桥梁纵坡：桥面高点位于桥跨中心线，两侧纵坡均为2.193%，竖曲线半径R=1 000m。防洪标准：百年一遇洪水位25.17m，河底规划标高18.62m，水景常水位雨季20.0m，旱季22.0m。桥下净空：考虑游船通行，河道水深不低于1m，单向通航孔净宽18m，侧高不小于4.1m。根据桥梁规范要求，梁底标高高出百年一遇防洪水位0.5m；支座垫石顶面高出0.25m。

1.2.2 上部设计结构

上部结构为上承式钢管砼拱桥，主拱直径为100cm钢管，壁厚为16mm和20mm两种，砼为C50微膨胀砼，单幅桥设置4根钢管拱肋，拱肋之间设置直径70cm钢管横向联系；桥面系为钢箱叠合梁，其中钢箱高度为40cm，砼为C40砼厚度为25cm，钢混结合面设置剪力键；主拱与桥面系之间采用空间钢管斜杆支撑，斜杆直径为70cm。

1.2.3 下部设计结构

桥台采用钢筋砼箱式桥台，桥台基础采用扩大基础，基底持力层为强风化辉长岩，拱脚水平推力以基底摩擦力平衡，台后土压力作为安全储备，基础宽度为14m，横向与桥梁同宽，半幅桥为25.5m。

1.2.4 材料的选用

(1) 混凝土材料。

混凝土原材料的选用与混凝土的水灰比等主要配比参数满足相关规范及设计要求，使混凝土具有良好的抗侵入性、体积稳定性和抗裂性。

本工程混凝土实际强度等级为：钢管砼拱圈C50，钢箱叠合梁C40，桥台、基础等采用C30，均满足耐久性设计要求，施工材料配合比设计也满足以上规范要求。

(2) 钢材。

采用R235、HRB335级钢筋，其技术标准符合GB13013-1991《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》、GB1499-1998《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》要求。

2　静态GPS定位原理

卫星定位的基本原理：应用空间的人造卫星作为参照点，确定一个物体的空间位置。其实质就是空间距离后方交会(见图1)。静态GPS相对定位的参考点一般选择地面上的固定点，相对定位就是利用多台GPS接收机，分别安放在不同的观测点上，并同步观测相同的GPS卫星，以确定观测点在协议地球坐标系中的相对位置及基线向量。

图1　GPS定位原理示意图

GPS定位系统的组成：空间部分、地面部分、用户部分。空间部分是指GPS卫星，主要提供系统自主导航卫星定位服务所必须的无线电导航定位信号。地面部分主要有：卫星监测站、主控站和信息注入站，其主要功能是卫星控制和任务控制，卫星控制是指使用遥测遥控链路上传监控对卫星星座进行管理；任务控制是指全面对轨道确认和时钟同步等导航任务进行控制和管理，也包括完备性信息的确定和发布过程进行监控。用户部分指有一系列的GPS信息接收机终端构成用于接收GPS卫星发射的无线电信号，获取必要的定位信息和观测信息，并经数据处理软件处理以完成各种定位和授时服务。

3　GPS监测的实施

3.1 GPS监测网布设

该路桥GPS监测网于2013年7月26日布设，全网共包括4个GPS点，大桥上共布设2监测个点，其分别是：大桥中部西边点名为DQWE, 大桥中部东边点名为DQEA；大桥南布设一点，点名为DQSO；大桥西河道北岸上布设一点，点名为DQCK。观测基线6条，三边同步环为4个，基线平均边长为93.5m。GPS网形见图2。

3.2 GPS观测

观测时间为2013年7月30日6时至20时，历时14h；观测采用5台南方灵锐82双频GPS接收机(标称精度为5mm+1ppm)连续观测，卫星高度角＞15°，有效卫星数＞5颗，数据采样间隔为15s，几何图形强度PDOP≤6。严格对中整平仪器，对中精度＜1mm。观测前后使用专用GPS量高尺及普通钢尺各量取仪器高两次至1mm，各标尺两次量测较差均＜3mm时分别取中数，最后两尺测量较差＜3mm时取中数作为该站最终站高。观测中定时查看测站信息，采集历元数、数据记录信号灯状态等信息，以确保设备工作状态正常，出现问题及时处理。

3.3 GPS数据处理

本GPS监测网基线预处理、数据质量检核、GPS网平差均采用随机平差软件，在计算机上进行。数据处理按照每小时为一个观测时段，将连续观测数据划分为14个单元，GPS监测网按照二等GPS平差计算，高程为拟合高程。

3.3.1 基线处理

基线解算在WGS84坐标系下以同步观测时段为单位，采用广播星历按单基线双差固定解进行解算。通过删除质量不好的卫星数据、选择不同误差改正模型等方法进行人工干预解算基线。

3.3.2 数据质量检核与平差

主要检核数据为基线与同步环，基线相对精度统计结果见表1。

图2　GPS监测网图

表1　三边同步环验算及平差后基线相对精度统计

(1) 相邻点间基线长度精度用下式表示。式中：σ——标准差(基线向量的弦长中误差，mm)；

a ——固定误差，取10mm；

b ——比例误差系数，取1；

d ——相邻点间距离(km)。

(2) 同一时段观测值的数据剔出率，其值＜10%。

(3) 同步环闭合差为:

3.3.3 坐标成果

约束平差，假定DQCK监测点为已知点，坐标为：X =4 062 000，Y =495 000，H =29.000。平差计算结果见表2。

表2　坐标平差成果

3.4 精度统计与分析

3.4.1 位置变化统计

各观测时段的观测点平面及高程与第一时段对应点的平面及高程较差统计，见表3、表4。

3.4.2 平面坐标随时间变化分布统计

4个GPS监测点以桥西河道北岸DQCK为基准点，DQEA、DQWE、DQSO3个监测点各观测时段的位置相对其第一个时段的变化量用折线图表示，见图3。

表3　各监测点平面位置相对其第一时段变化量(mm)

表4　各监测点高程相对其第一时段变化量(mm)

3.4.3 高程随时间变化分布统计

4个GPS监测点以桥西河道北岸DQCK为基准点，DQEA、DQWE、DQSO3个监测点各观测时段的高程相对其第一个时段高程值的变化量用折线图表示，见图4。

3.4.4 车流量统计

在GPS观测过程中，制定专人进行各时段车辆统计，桥上的车流量详见表5。

图3　监测点平面位置变化分布

图4　监测点高程变化分布

4　结语

利用GPS手段对工程变形(形变)进行实时动态监测，这一监测方式，可以解决同一变形体，由于受阳光、风力、外界因素干扰(如大桥上行驶的车辆对大桥的影响)等，在某一时刻，它们之间最或然的相对关系(相对位移及扰度等)及它们相对于参考基准点的绝对位移。分析它们各项因子对变形体影响的显著性，为工程及设计，运营管理单位提供最可靠、最直观的数据分析资料。

表5　车流量调查表(辆)

【参考文献】

[1]刘经南.GPS网的布设与数据处理[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社,1995.

[2]徐绍铨.GPS测量原理及应用[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社,2000.

【收稿日期】2014-10-31

【文章编号】1007-9386(2015)04-0056-04

【文献标识码】A

【中图分类号】U448.14;P228.4