長距離跨海水準測量方法與實施
2017-06-05
一、工程概況
CB04合同段里程為K22+083～K29+237，標段長7154m，橋址處于港珠澳大橋主體工程橋梁工程的中部位置。
橋梁工程前期完成的 K23 埋置式承臺及K19、K27、K33試樁平臺，將其改造為用于橋梁工程施工的測量平臺；CB04標段內(nèi)，存在K23及K27兩個測量平臺，現(xiàn)已在每個平臺上建立好全站儀觀測墩及臨時參考站觀測墩，這四個觀測墩都作為本標段首級加密點，并與港珠澳大橋首級控制點進行聯(lián)測，同時也是對港珠澳大橋首級控制網(wǎng)及加密網(wǎng)進行復(fù)測。
二、跨海水準測量技術(shù)要求
首級加密網(wǎng)高程復(fù)測的目的和用途是為了驗證港珠澳大橋首級控制網(wǎng)及加密網(wǎng)高程測量成果的可靠性與測量精度，確保測量成果在精度、質(zhì)量等方面滿足大橋工程建設(shè)的基本要求。通過對復(fù)測成果與原測成果的比較分析，全面評估首級控制點的穩(wěn)定性。同時，為之后的施工測量做好充分的準備。
1、場地布設(shè)
由于海上測量平臺之間距離長，高程測量受大氣折光、溫度變化等環(huán)境影響較大，傳統(tǒng)測量方法受限制。本項目高程控制網(wǎng)網(wǎng)形以大地四邊形的形式開展，按線路里程推進，最后按里程順序把所有的大地四邊形聯(lián)成一個整體，作為本項目高程控制的主網(wǎng)形。整體網(wǎng)形設(shè)計示意圖如下圖所示：
跨海高程傳遞測量場地利用K23及K27測量平臺作為線路的跨海點，在平臺上利用建成的全站儀強制對中觀測墩及埋設(shè)的水準釘，布設(shè)近似平行四邊形圖形（如下圖）。短邊標志距離視平臺空間進行調(diào)整，并考慮布設(shè)的跨海點應(yīng)與相鄰測量平臺間互相通視。同岸觀測點布設(shè)原則為，使兩條跨海邊AC、BD兩條跨海邊邊長互差小于等于2m。
2、跨海邊長測量
在K23及K27跨海點之間的長邊距離采用 GPS 靜態(tài)測量方法的方法進行測定。GPS 靜態(tài)測量按國家C級精度，進行兩個時段（每個時段4小時）的施測。
注：①數(shù)據(jù)處理采用TBC軟件計算，并將距離歸算到測量平臺平均高程面上。
?、诙踢吘嚯x可采用全站儀測距或鋼尺進行測量，并用水準儀進行短邊之間的跨海點間高差測量。
3、垂直角觀測
按照國家二等水準的技術(shù)要求，每條跨海觀測邊觀測的最少時段數(shù)按4S估算，最少單測回數(shù)按16S估算。K23～K27段的測回數(shù)及時段分配數(shù)量如下：
跨海距離：4km
時段數(shù)：16
單測回數(shù)：64
半測回中的組數(shù)：8-10
每組觀測次數(shù)：盤左盤右各40-150次
注：半測回的組數(shù)及每組數(shù)當(dāng)中的觀測次數(shù)視測平臺的晃動情況參照相關(guān)規(guī)范要求進行確定。
三、跨海水準測量的實施
1、實施的操作要點
1）用于跨海高程傳遞測量的全部儀器和工具必須在每天出測前進行一次檢校，特別是TS30下述儀器誤差應(yīng)進行電子方式的檢查與校準。
2）觀測開始前 30 min，應(yīng)先將儀器置于露天，使儀器與外界氣溫趨于一致。
3）跨海水準觀測宜在平潮時段、風(fēng)力微和的夜間進行，減小風(fēng)浪對平臺晃動的影響，觀測前應(yīng)先收集近期的潮汐表，選擇平潮時刻前后約 1h 的時段編制觀測時刻表；另外觀測時的濕度不宜太大，避免大氣折射變化對垂直角觀測值的影響。
4）每天作業(yè)前或作業(yè)后，可先固定全站儀記錄100 個連續(xù)的垂直角數(shù)據(jù)，供分析垂直角變化情況使用。
5）標燈采用基座安裝在強制對中標志或三腳架上，并經(jīng)常注意使圓水準器的氣泡居中。
6）儀器調(diào)岸時，標燈亦應(yīng)隨同調(diào)岸。
7）兩臺儀器對向觀測時，應(yīng)使用對講機進行通訊，使兩岸同一測回的觀測，做到同時開始與結(jié)束。
8）外業(yè)垂直角數(shù)據(jù)記錄采用儀器記錄模式，手工記錄觀測點號、儀器號及標燈高度等。
9）每天晚上觀測的外業(yè)垂直角數(shù)據(jù)應(yīng)于第二天白天及時整理，保存儀器觀測的原始記錄文件，并采用 EXCEL 編輯為固定格式的表格。
10）外業(yè)工作在晚上進行，視線不好，特別要注意安全問題。
2、實施的儀器設(shè)備
?、?、用于實施跨海邊長測量的儀器，是2臺天寶R7 GPS與兩臺天寶R8 GPS。靜態(tài)測量精度：水平：3mm+0.5ppm；垂直：5mm+1ppm。
?、凇⒂糜趯嵤╅L距離跨海水準測量的儀器，是2臺瑞士Leica公司的TS30高精度全站儀，其標稱精度為測角精度：0.5"；測距精度：0.6mm + 1ppm。
?、?、用于實施同岸高差測量的儀器，是1臺標稱精度為±0.3mm/km的天寶公司的DINI電子水準儀及其原廠配套的銦瓦條碼水準尺和重量為5kg的標準尺墊。
④、其他所需儀器設(shè)備還包括標燈2個，溫度計2個，氣壓計2個，夜間照明設(shè)施2套。
3、實施的外業(yè)觀測
①、觀測程序
采用2 臺 TS30 全站儀及配套標燈進行同步對向觀測，具體步驟如下：
a）在 A、D 點設(shè)站，用鋼尺測定儀器及標燈的高度；而后同步觀測對岸遠標志，測定 αAC、αDB；即兩臺儀器共完成第一個單測回，如下圖1。
b）將標燈和儀器的位置互換，即儀器換至 B、C 點，標燈換至 A、D 點，用鋼尺測定儀器及標燈的高度；而后同步觀測對岸遠標志，測定αBD、αCA；即兩臺儀器共完成第二個單測回，如下圖2。 c）至此第一個儀器位置的觀測結(jié)束，兩臺儀器共完成2個單測回。
d）循環(huán)完成32個單測回后，人員、儀器及標燈相互調(diào)岸，進行剩余32個單測回的觀測。
?、?、觀測方法
a）儀器及標燈的高度量測：強制歸心觀測墩上量測儀器及標燈至觀測墩頂?shù)拇垢?；三腳架上則量測儀器及標燈至水準釘?shù)男备撸贇w算為垂高；
b）觀測遠標志：每臺儀器在盤左位置用望遠鏡中絲精確照準遠標燈形成的紅點中間部分，讀取40～150次數(shù)據(jù)（視平臺晃動情況確定）；縱轉(zhuǎn)望遠鏡，在盤右位置按盤左的方法同樣進行照準和讀數(shù)。以上觀測為每臺儀器一組垂直角數(shù)據(jù)，按8～10組的要求完成半測回的垂直角觀測。
4、限差設(shè)計
①、單測回間跨海高差互差限差為：
式中：M ――每千米水準測量偶然中誤差限值，單位為毫米（mm）；
N――單測回的測回數(shù)；
S――跨河視線長度，單位為千米。
?、?、環(huán)閉合差限差為：
式中：MW――每千米水準測量全中誤差限值，單位為毫米（mm）；
S――跨河視線長度，單位為千米（km）。
每公里往返測高差中數(shù)的全中誤差：≤±6.0mm
5、實施的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理
①、對本次的跨海邊長GPS靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)，利用天寶TBC軟件進行解算，并將距離歸算到測量平臺平均高程面8米。在WGS-84坐標系中進行三維無約束平差，并對平差結(jié)果進行分析，觀察觀測值中是否存在異常觀測值和點位誤差的大小及其均勻性。無異常情況后，以港珠澳大橋測控中心建立的3個比較穩(wěn)定的GPS網(wǎng)點作為本次約束平差的起算點，進行GPS網(wǎng)的二維約束平差。GPS網(wǎng)約束平差后的主要精度指標完全達到了預(yù)先設(shè)計的國家C級精度要求。
②、跨海水準測量，每半個測回進行了10組（每組觀測100個數(shù)據(jù)）的垂直角觀測，分別計算10組各自100個觀測值的垂直角，然后計算10組垂直角的平均值作為半個測回觀測的垂直角。兩個半測回的垂直角的平均值作為單測回的垂直角。再根據(jù)跨海邊長、儀器高及標燈高計算每個單測回的高差，兩個單測回往返高差取平均值作為1個獨立閉合環(huán)的跨海邊的高差。單測回間跨海高差互差限差為：
=64.3mm
根據(jù)每個獨立環(huán)的跨海邊高差及同岸高差計算每個獨立閉合環(huán)的閉合差。獨立閉合環(huán)的閉合差限差為：
=24.1mm
通過對42個跨海獨立閉合環(huán)環(huán)閉合差限差為進行比較和分析，剔除超限的10個環(huán)，其余32個環(huán)的閉合差均在限差范圍內(nèi)；有效單測回高差互差最大為SJM06～SJM10邊的56.6mm，符合限差為 要求，滿足該段跨海高程復(fù)測設(shè)計書中32個獨立閉合環(huán)的要求。
對32個合格環(huán)進行計算后，其總閉合差為：1.72mm，計算的每千米高差中數(shù)中誤差0.60mm，達到了國家二等水準的要求。
四、結(jié)語
由上述精度可知，港珠澳大橋采用TS30全站儀進行跨海水準測量，在復(fù)雜的海上環(huán)境下達到了二等水準測量的精度，滿足設(shè)計及后期施工測量的要求。
結(jié)合本項目工作實踐，對于解決長距離跨海高程傳遞，保證二等水準測量精度，具有實際操作的指導(dǎo)作用。
參考文獻：
[1] 交通部第一公路工程總公司.橋涵[M].北京：人民交通出版社，2000.
[2]工程測量規(guī)范（GB50026-2007）
[3]國家一、二等水準測量規(guī)范（GBT12897-2006）
[4]公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范（JTG/T F50-2011）
