安九铁路九江长江特大桥测量控制网方案研究

陈 峰

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430050)

随着我国高速铁路网的不断完善，跨越长江的桥梁越来越多。受长江航道及防汛等诸多因素的影响，要求新建的长江大桥桥跨更长，塔柱更高，其施工放样精度要求也越来越高(对于无砟轨道高铁桥梁，其主塔墩中心点的点位限差为5 mm)。因此，需要建立高精度的测量控制网，以满足施工需要。李剑坤对长距离跨海大桥施工控制网测量进行了研究[1]，介绍建立跨海大桥施工独立坐标系的方法:两端的线路需联测桥梁控制点，以桥梁控制点为基准，调整线路的部分测量误差，使线路与桥梁顺利衔接。安九铁路九江长江大桥精测网先于桥梁施工控制网建立，需要桥梁顺接于两端线路，而线路起算控制点等级为CPI，无法满足桥梁施工放样的精度要求。因此，需依附于线路精测网建立桥梁施工独立坐标系，使其既能满足施工要求，又能保证桥梁与线路的顺利衔接。

新建安庆至九江铁路是长三角城际铁路网的重要组成部分，该线衔接商合杭客专、合安铁路、昌九城际、昌吉赣客专，形成一条南北向的快速客运通路；同时又与宁安城际铁路、武九客专连通，形成沿长江东西向的快速客运通路。安九铁路九江长江特大桥是九江至安庆铁路的重要控制工程，位于长江下游河段。桥位南侧位于江西省九江县，北侧位于湖北省黄梅县，桥位中间是自然冲击形成的独立岛—鳊鱼洲。九江长江特大桥南汊主通航孔主桥采用8跨连续双塔混合箱梁斜拉桥，跨度布置为(2×50+224+672+174+3×50)m，全长1320 m，北汊副通航孔主桥采用4跨连续独塔预应力混凝土箱梁斜拉桥，跨度布置为(49+2×140+49)m，引桥主要为跨径32 m的简支混凝土箱梁。以安九铁路九江长江特大桥为例，研究大跨度跨江桥梁控制网测量方案。

1 建立控制网的目的和任务

建立大跨度跨江大桥施工控制网的目的是为大桥施工图设计提供相应的基础测绘资料，同时作为工程施工放样、竣工验收及运营期间变形测量的控制基准。控制网测量包括平面和高程施工控制网测量。

2 测量精度、基准、起算点与标识标志埋设要求

2.1 测量精度要求

根据工程项目的建设需要和规范要求，选择合适的仪器设备进行外业施测。安九铁路长江特大桥平面施工控制网采用GPS测量的方法[2]，按《高速铁路工程测量规范》(以下统称规范)一等GPS静态测量精度施测；高程施工控制网按规范中二等水准测量精度施测，跨江段高差传递按二等跨河水准测量精度施测。

2.2 测量基准

(1)坐标系统

线路精密平面控制网(精测网)的精度为二等GPS控制网，其精度不能满足安九铁路九江长江大桥的施工需要。因此，为满足工程建设的特殊性需求，以“一点一方向，自由网平差”方法，建立依附于原线路精测网的桥梁施工独立坐标系。具体做法为:以桥位附近稳定的某一个控制点的平面坐标作为起算坐标，该点至附近另外一个点的坐标方位作为起算方位，尺度归算至桥轴线平均子午线经度，投影变形归化至桥梁平均轨底高程平面，椭球参数与中央子午线与线路精测网相同。

(2)高程系统

安九铁路长江特大桥采用1985国家高程基准。

2.3 起算点选择

平面起算坐标采用线路精测网中的两个稳定平面点(一点一方向)，高程控制网利用某一个稳定的高程控制点作为起算。应优先选择基岩点作为高程起算点，另外选择2～3个二等水准点作为检核点，形成水准闭合环。

2.4 标石标志埋设

安九铁路长江特大桥平面控制点均选择强制归心观测墩(见图1)，其实用性和耐久性方面优于其他选择，能够更好地为后续桥梁施工测量服务[3]。

图1 强制归心观测墩

3 平面控制网测量方案实施

结合测区实际情况，充分利用鳊鱼洲的特殊位置，参照文献[4]，利用准则矩阵设计出最优的控制网网形。安九铁路九江长江特大桥施工控制网共布设18个平面控制点，同时联测了3个线路基础平面控制点。其中，黄梅岸(湖北)布设了8个控制点，点号为DQ1～DQ8，鳊鱼洲(独立岛)上埋设了2个控制点，点号为DQ9、DQ10，九江岸(江西)共埋设8个控制点，点号为DQ11～DQ18。所选控制点分布均匀，通视条件良好，且全部为强制归心观测墩[5]。

3.1 精度设计

安九铁路九江长江特大桥平面控制网按规范中一等GPS精度施测，其主要指标为:基线方位中误差不大于0.9″；最弱边边长相对中误差不大于1/250 000，边长小于500 m的边其边长中误差不大于±5 mm[6]。

3.2 外业观测

采用GPS静态相对测量模式对平面控制网进行观测，根据相应规范，制定GPS外业观测的主要技术要求。注意事项如下:

①GPS外业数据采集时应严格按照调度计划表进行。

②在作业过程中，应随时观察外接蓄电池的实时情况，以免发生电池电量耗尽而自动关机的情况，影响外业观测的一致性和连续性。

③在测量过程中，应严格遵守操作规程，随时检查仪器的对中与整平，确保外业观测质量。

④在外业观测、换站、上下船的过程中，应注意人员和仪器设备的安全。

3.3 数据处理

采用Trimble GPS数据处理商业软件TBC 3.70进行基线向量解算，解算合格后，进行重复基线、异步环的长度或坐标闭合差的验算，以避免基线存在粗差[7]。限差全部满足规范要求后，使用COSAGPS6.0商用平差软件进行平面控制网平差:在WGS-84坐标系统下进行三维无约束平差；三维坐标分量等各项指标满足要求后，再按“一点一方向”进行二维约束平差。即以线路CPI控制点CPI127作为起算坐标，以CPI127至CPI129的坐标方位作为已知方位，尺度归算至测区桥轴线平均子午线经度115°51′42″，投影面正常高程为桥梁平均高程(52 m)，求解各控制点在桥梁施工坐标系中的坐标[8]。

3.4 精度分析

平差后，需分析最弱点的点位中误差，最弱边的边长相对中误差、基线方位中误差；另外，还要分析代表桥轴线跨越长江段最弱边的边长相对中误差、基线方位中误差、边长中误差[9]。平差后的结果:最弱点的点位中误差为±2.3 mm，最弱边相对中误差为1/321 000，基线方位中误差为0.66″，边长中误差为±0.9 mm；代表桥轴线跨越长江段最弱边的边长相对中误差为1/1 063 000，基线方位中误差为0.13″，边长中误差为±1.3 mm，各项精度指标均优于规范要求，平差后各平面控制点的坐标精度见表1。

表1 平面控制点点位中误差统计

3.5 边长校核

为了验证GPS控制网的可靠性，使用Leica TCA2003全站仪，对2条边进行边长校核，每条边均往返观测4个测回，并进行仪器加乘常数改正、气象改正、倾斜改正和投影改正，其与GPS网平差边长的比较见表2。

表2 全站仪和GPS测量边长对比

从表2可看出，GPS网平差边长与Leica TCA2003全站仪实测边长吻合较好，证明了所建桥梁施工独立坐标系的可靠与精确。

3.6 与原线路坐标系的关系

桥梁施工坐标系是在线路坐标系的基础上建立的，椭球参数与线路坐标系相同，仅存在尺度和投影面的偏差，其最大坐标差为19 mm，小于20 mm的规范限差要求。

4 高程控制网测量方案实施

4.1 精度设计

安九铁路九江长江大桥高程控制网按二等水准测量精度进行测量，要求每公里水准测量的偶然中误差≤1 mm[6]。

4.2 外业观测

(1)陆地水准联测

采用1台Trimble Dini数字水准仪及配套铟瓦条码尺进行观测，每个测段往、返测量取平均值，所有测段组成水准闭合环，测站观测顺序为:往返测奇数测站为“后前前后”模式，偶数测站为“前后后前”模式；水准测量视线长度和高度及观测限差均满足规范要求[6]。

在外业观测期间，按照规范要求进行标尺圆气泡检校及水准仪i角的检测。二等水准测量中往返测高差较差、附合或环闭合差限差为(为水准测量的环线或路线长度)。

对高差比较大的陆地区域，采用文献[10]介绍的改进中间法三角高程测量方法进行施测，以提高外业工作效率。

(2)跨江水准测量

为保证安九铁路九江长江特大桥两岸高程的正确传递，参照文献[11]关于跨江三角高程的网形优化设计方案，制定了该桥梁工程项目的跨江水准测量方案。全桥共布设了4条跨江线路，其中南汊、北汊各布设2条(如图2)，通过与陆地水准联测形成闭合环。南汊跨江水准视线长约1.03 km，北汊跨江水准视线长约0.58 km，每条跨江线均布设成四边形，使用2台Leica TCA2003全站仪及配套铟瓦水准尺和观测标灯，按测距三角高程法进行同时对向观测。内业数据处理参照文献[12]，并计算出该区域的大气折光系数，对往返高差进行折光改正，以提高三角高程测量的精度。

图2 跨河水准测量网形布设方案示意

①距离测量

对每条跨江线的2条跨江边，使用两台Leica TCA2003全站仪同时进行对向观测(外业观测记录斜距)，经过各项改正后，换算成平距或者直接使用GPS基线解算及网平差后的水平距离[13]。

②垂直角测量

在外业测量过程中，借鉴文献[14]中减少系统误差的经验，尽可能地减少全站仪系统误差对三角高程跨河水准测量的影响，各测回垂直角观测的限差按表3规定执行。

表3 垂直角观测的限差

跨河线垂直角观测借鉴文献[15]的经验，具体要求如下。

同一标志线4次照准读数之差不得大于3″；

最少观测时段数:南汊6个，北汊4个；

每条跨江线路有效双测回数:南汊8个，北汊6个；

半测回中的组数:北汊6组，南汊4组；

过江视线高度≥4.5 m。

③限差规定

各测回间高差互差限差[6]为

式中:MΔ——每km水准测量偶然中误差限值/mm；

N——单测回的测回数；

S——跨河视线长度/km。

同一时段的每条边组成的高差环闭合差不大于式

(2)计算的限值[6]

式中:MW——每km水准测量的全中误差限值/mm；S——跨河视线长度/km。

在有效观测成果中，先剔除每个双测回中环闭合差超限的时段，再进行每个双测回高差互差值的比较。

④限差执行情况

南汊跨河水准测量1号线、2号线跨江距离为1.04 km，测回间高差互差限差为±14.1 mm，同一时段各条边高差计算的环闭合差限差为±12.2 mm；北汊跨河水准测量3号线、4号线跨江距离为0.58 km，测回间高差互差限差为±8.6 mm，同一时段各条边高差计算的环闭合差限差为±9.12 mm。南汊跨河水准测量选取满足规范要求的8个双测回测段高差，北汊跨河水准测量选取满足规范要求的6个双测回测段高差，各双测回间互差及环闭合差见表4，均能满足规范要求。

表4 跨河水准测量成果限差统计 mm____

表5 高程控制网闭合环成果统计

(3)高程控制网闭合环

高程控制网共组成4个闭合环:黄梅岸1个，跨江段2个，九江岸1个，各闭合环闭合差及限差见表5。

4.3 数据处理

采用商业软件对观测高差进行整体平差，观测值的权按水准高差的路线长度来确定，跨江水准测量的权结合测量精度综合评定，以其中一个稳定的基础平面控制点高程作为起算点。每km偶然中误差MΔ按式(3)计算[6]

代入已知数值后，MΔ=±0.50 mm。

平差后，每km平面测量中误差为0.5 mm，小于规范1.0 mm的限差，高程测量中误差为±0.64 mm，最弱点的高程精度为±1.4 mm，均满足规范的要求。

5 结论与建议

对安九铁路九江长江特大桥施工控制网的数据分析结果表明，所建立的大桥控制基准准确可靠，测量方法可行，成果精度高，满足大桥施工的要求。按“一点一方向”法建立的桥梁施工坐标系，其精度较线路精密控制网更高。另一方面，该方法也存在一定的弊端，即易将起算控制点的误差累积到其中一侧接线处，需要施工单位相互联测接线处的共有控制点，并实地放样桥梁中心线和线路中心线，以保证桥轴线正确衔接。