GPS与CAD技术在特大型桥梁测量中的运用研究

王 飒，徐 珂，邓 乐

(1.河南省第二公路工程有限公司，河南 郑州 450015；2.河南财经政法大学，河南 郑州 450047)

0 引 言

随着社会的进步和经济的快速发展，人们对交通出行品质提出了更高的要求。打造多式联运枢纽型交通强省，成为各省积极探索交通治堵的新举措。河南省与山东省经过多年的公路建设，两省东西向交通路网框架已基本搭建完成，但是南北向交通主干道还非常缺乏，特别是两省之间一条黄河阻断公路交通，群众出行不便，成为了区域经济合作的阻碍因素之一。

为此，针对黄河阻断高速公路通行的问题，两省根据全国高速公路网规划，决定新建设一座特大黄河大桥。但是，由于黄河河水水流湍急，为游荡型河流，河床地质复杂，施工难度大。为了提高黄河特大桥工程测量效率,在保证所有GPS测量项目的数据均满足高速公路桥梁勘查要求的前提下，运用GPS进行平面测量控制，建立了测区独立坐标系，使用无人机航拍进行地形图测绘，再使用相应程序编辑成CAD下的DWG格式电子地形图[1]。通过计算黄河桥跨以通航净空控制的梁底标高的控制数据，为特大型桥梁工程施工提供技术支持。

1 工程概况

项目起于濮阳至湖北阳新高速公路濮阳段一期工程终点，桥头顺接一期工程，向南跨越黄河，路线终点(K42+042.788)位于山东省菏泽市牡丹区李村镇东高寨东南，对接濮阳至湖北阳新高速公路山东段。路线全长8.127 km，其中河南省境内4.864 km，山东省境内3.263 km。沿线主要控制点：路线起点，黄河北岸大堤，主河槽，黄河南岸大堤，沿线乡镇、濮阳县和菏泽市规划区。该工程为独立黄河特大桥，河南段长4.864 km，山东段长3.263 km。其中路桥段8.127 km，设计速度80 km/h，采用双向六车道一级公路标准设计；黄河特大桥工程为项目二期，始于一期工程终点，向南跨越北大堤，跨越省界，于菏泽市东高寨东跨越黄河南大堤，止于黄河大桥南桥头，到达项目终点。

该工程项目将与区内已建成运营的濮范高速、菏宝高速共同构成区域高速公路网主骨架，既可完善地方道路网络系统，又可实现(山东)鲁、(河南)豫两省高速公路网络体系的融合，进一步优化路网结构，提高道路的运输效益，为豫北以及鲁西地区居民的快捷出行提供陆路通道。

2 GPS在特大型桥梁工程控制测量中的优势

2.1 GPS任务依据

特大型桥梁工程具有桥体巨大、结构复杂的特点，相比于一般桥梁工程设计和施工难度更大。因此，加强对特大型桥梁控制测量，收集信息工作尤为重要。GPS三维定位、快速、全天候测量的优点，为跨河高程测量实现精密控制提供技术支撑[2]，GPS适用于特大型桥梁控制测量和高速公路地形图的测绘[3]。GPS与CAD相结合，生成精准度极高的DWG格式电子地形图，广泛应用于大地测量、工程测量等方面。

2.2 GPS与CAD技术控制测量优势

随着设计施工一体化在交通行业应用程度逐步提高，BIM设计将成为主流，AI技术、无人机应用及高精度遥感测量逐步融合到勘探和测量行业，再通过BIM+AI技术来解决测量疑难问题和测绘痛点。测绘GPS与CAD大数据技术的运用，需要在BIM新设计工具中融入最新的机器学习技术，实现AI辅助建立桥梁模型。

公路桥梁工程实践证明，GPS与CAD在特大型桥梁工程控制测量中优势明显，主要体现在以下几个方面：一是可以联系桥梁两端点位，从而减少地面控制点；二是选点方便，人员工作量大大减少，同时避免爬高作业，大大提升了安全性；三是控制结构简单、观测量小；四是可以连续作业，测量和绘图速度比较快，综合效益高。GPS在特大型桥梁工程控制测量中具有广阔发展前景，所以，要加强GPS与CAD及AI技术的研究，为公路桥工程控制测量提供可靠的保障。

2.3 控制网布设

采用GPS技术对桥梁和桥面测量时，需要在GPS高级网中加密控制点，布网尽量采用正三角网，既能保证布网的精度高，又能保证密度分布较均匀。鉴于黄河底部地形复杂，也可以使用一些短边三角形，来保证网的密度和精度。GPS技术要与CAD及AI技术相结合，才能发挥出更大作用。由于特大型桥梁工程跨度比较大，所以在设计控制网时要以《公路全球定位系统(GPS)测量规范》中的B级网精度指标作为参考标准，进行外业数据采集时，要根据控制网布设的要求进行GPS选择，路桥工程测量一般采用高精度双颊的GPS接收机，三角网布设，这样能有效发现测量结果的误差，使得网中基线向量精度分布均匀。同时，控制网布设选择应根据项目地地质控制情况进行三角网布设、环形网布设和星型网布设选择。

2.4 选点及观测

由于特大型桥梁两岸跨度较大，在设置桥位控制点时要综合考虑选点，满足布网的要求，同时为施工放样做好准备。为了保证测量结果的准确性，根据GPS技术的观测要求进行选点时，要确保测量站接收卫星信号稳定，注意对信号干扰较强的大功率无线发射源适当弱化或者使之频率偏移，GPS测量远离大功率无线电发射台、雷达站、发射塔等强电磁信号，避免对高精度测量带来不利影响，因为对桥梁结构来说，高速公路桥梁建设中的测量准确是其质量的可靠保障[4]。选点和观测要选择较为开阔的区域布置控制点，当布置点和地面角度小于15°时，要扫除周围的障碍物，其原因是控制点会因为障碍物产生强反射面，同时要注意的是应该远离湖泊、河流等。当做好上述工作后，要适当提升卫星观测高度，对于提升观测水平有一定的帮助。点位选择要进行综合考虑，保证具有安全性、长期性，为后期工作及施工建设做好准备。同时要结合施工桥位CAD编辑设计工作平面图及施工平面图来布置，在GPS与CAD+AI技术检测数据的支持下，准确估算施工区域，这样可以避免测量工作对施工区域产生的影响[5]。需要注意的是，可以适当增加一些观测基线，从而实现充分测量，不断提升整网测绘的可靠性。

3 GPS-CAD技术在特大型桥梁测绘中的应用

3.1 基于GPS-CAD技术的测量控制

GPS基线向量一定程度上代表了不同监测站之间的位置关系，是测站和测站之间的坐标增量[6]。在使用GPS技术时要配合其他技术，一个模型无法满足跨阶段的、多专业的、多样化的需求，以免造成单一GPS信息表达的困难与复杂化。所以，运用新技术对特大型桥梁工程开展工程勘察和地质勘察时，测量要使用AI+BIM三维正向设计，结合GPS-CAD技术测量，实现AI辅助的桥梁测站点选址。完成控制点选择及标识埋石工作后，为了提升标识埋石稳定性，需要对标识埋石进行观察，经过一段时间确认河水中的标识埋石变得稳固后再进行观测。为了发挥出GPS的最大作用，确保测量的全面性、准确性，要在GPS点之间使用基线构成的非同步的闭合环，保证测量工作的顺利开展，减少不利因素影响。

3.2 桥梁梁底标高控制计算

在桥梁梁底标高控制设计中，根据路线布设综合考虑沿线地形、水文、环保等多方面因素，科学推算出桥梁梁底控制标高：按通航要求HL(梁底标高)≮Ht(十年一遇洪水设计水位)+h(通航净高)；按防洪要求HL(梁底标高)≮Hp(校核洪水设计水位)+hb(浪高、壅水高和安全高度)+Δh0(桥下净空)；跨越堤防处HL(梁底标高)≮Hd(设计水平年堤顶标高)+hj(交通净空4.5 m)。因此黄河特大桥梁底控制标高计算出来后的数据如下，通航孔跨以通航净空控制，梁底标高不得低于71.93 m；而滩地范围以设计水位控制，梁底标高不得低于66.93 m；黄河左岸、右岸大堤控制标高，梁底标高不低于72.25 m。桥梁工程中新技术GPS的应用具有较高综合效益，除了保证控制测量质量外，还体现在施工效率、质量、安全等方面，具有较高应用价值。

3.3 GPS点位的观测值

黄河特大型桥梁跨越省界，构建起省际南北交通大通道，对缓解地区交通紧张状态，同时构建地区高速交通骨架，促进沿线资源开发和旅游事业的发展具有重要作用。阳新高速濮阳段北接濮范高速，向南跨越黄河，止于山东省菏泽市牡丹区李村镇东高寨东南，路线全长约42.748 5 km。其中河南省内路线长39.485 5 km(包含阳新一期高速公路、阳新二期黄河特大桥)，山东省境内路线全长3.263 km。其中放线测量、横断面测量、桥梁、占地、防排调查和路线地质调查等工作繁重，迫切需要GPS结合CAD技术来解决定位路径难题[7]。特大型桥梁附近跨越黄河的相关道路主要有G106东明黄河公路大桥，国道G240范县黄河公路大桥和S304白堽黄河公路大桥，G106东明黄河公路大桥位于本桥位上游15 km处，S304白堽黄河公路大桥位于本桥位下游17 km处，外业踏勘按照《公路勘测规范》、《公路工程地质勘察规范》和《公路工程水文勘测设计规范》等要求，并严格执行ISO9001：2000 质量标准体系进行平面控制点的布设、埋点和四等GPS控制点测量工作，对这些点位进行四等水准测量，完成了中线放线测量、横断面测量、桥梁、占地、防排调查和路线地质调查等工作，精确确定了路线起终点、中间控制点等。

(1)平面指标

路线全长8.127 km，共设两个弯道，平曲线占路线全长43.52%，最大偏角αz=61°27′34″，最小偏角αy=52°26′08″，最小平曲线半径R=2 300 m，最大平曲线半径R=4 000 m，直线段长4 590.349 m。

(2)纵断面指标

纵断面共设置7个变坡点，平均0.861个/km，最大纵坡2.5%/1处(1 057.066 m)，最大坡长2 494.067 m/0.45%，最小坡长690 m/1处，最小凸曲线20 000 m，最小凹曲线12 000 m，曲线段占整个路线长度的42.432%。

其中，平面坐标系统采用1980西安坐标系，中央子午线为115°17′，3度带；高程系统采用1985年国家高程基准。水位控制的梁底标高不得低于66.93 m，梁底标高不得低于72.25 m。GPS基线的向量数据为准确衔接城市主干道黄河路以及省道304等干线公路提供了技术保证，达到合理的选择线位，合理控制用地数量，减少征地范围的目的。测绘主要工作内容为路线、路面、桥梁、交通工程及其他工程的初步勘察设计。黄河特大桥项目的路线布设采用高速公路技术标准设计，设计速度120 km/h，采用双向六车道标准设计，路基宽34.5 m，与工可报告批复完全一致。

4 结 语

综上所述，GPS结合CAD技术在特大型桥梁工程控制测量中的应用，具有非常重要的现实意义。控制测量主要作用是收集工程相关信息，GPS技术可充分发挥其在复杂地形测量中的作用，为黄河特大桥桥位、路线、路面、桥梁的勘察设计提供参考依据，保证了特大型桥梁梁底控制的准确性，沿线高速公路整网衔接的可靠性，桥梁施工的科学合理性，提升了桥梁工程的勘察设计质量。