GPS橋梁控制測量技術(shù)案例分析
摘要：結(jié)合實際工程，筆者較為詳細的介紹了GPS技術(shù)在橋梁控制測量中的應用。驗證了GPS測量精度高、數(shù)據(jù)可靠、定位速度快、能動態(tài)監(jiān)測等多方面的優(yōu)越性。
關鍵詞：GPS技術(shù)、橋梁工程、工程測量
1工程概況
某跨江大橋工程:總長8206米，其中主橋采用100+100+300+1088+300+100+100=2088米的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。斜拉橋主孔跨度1088米，;斜拉索的長度580米;群樁基礎平面尺寸113.75米×48.1米。專用航道橋采用140+268+l40=548米的T型剛構(gòu)梁橋；南北引橋采用30、50、75米預應力混凝土連續(xù)梁橋。
2基準選取
2.1坐標系與起算數(shù)據(jù)的確定
該大橋位于東經(jīng)120º59’，北緯31º47’。若按國家統(tǒng)一坐標系采用3º投影中央子午線為120º,根據(jù)計算橋軸線每公里的高斯投影變形為54mm，這對精密橋梁控制網(wǎng)而言是絕對不允許的，為此采用任意帶投影獨立坐標系，中央子午線取120º59’，計算偏離中央子午線1km的邊每公里的高斯投影變形為0.15mm，可以忽略不計。
考慮與道路的銜接以及橋梁建設中的高精度要求。采用掛靠在國家統(tǒng)一坐標系下的獨立坐標系統(tǒng)，中央子午線取120º59’。為了引入坐標系統(tǒng)，聯(lián)測I第八村、II時思鎮(zhèn)、I聯(lián)合村三點國家一、二等三角點，這樣確定橋梁控制網(wǎng)的國家統(tǒng)一坐標系以及120º59’的獨立坐標系坐標。由于采用三點約束平差，橋梁各控制點的精度受起算點的精度影響，不能滿足橋梁控制網(wǎng)的需要。這時可采用控制網(wǎng)中的一點與一方向進行重新平差，得到獨立坐標系的坐標。
2.2投影面的選取
為了滿足該大橋不同施工面的使用，投影面選擇“0米正常高面”、“8米正常高面”、“76米正常高面”幾個投影面。“0米正常高面”可以實現(xiàn)與道路的連接。“8米正常高面”為控制點平均墩面高程，也是使用最多最頻繁的一個施工面，主要解決基礎施工放樣問題。“76米正常高面”為主橋橋面高程，主要應用于鋼箱制作和橋面施工放樣。
3平面控制網(wǎng)的精度確定
根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》對橋長的規(guī)定，橋長允許偏差和橋長中誤差分別為100mm與50rnrn。該項誤差是橋梁構(gòu)件的制造誤差、施工誤差和測量誤差。將三項誤差視為相互獨立，依據(jù)等影響原則可得測量中誤差為士28.9mm，實際上前兩項誤差較后者要大，因此一般取20mm,控制點的精度為8mm。
4平面控制網(wǎng)的布設
該大橋橋位區(qū)覆蓋層厚度在290~340米之間，以粘土、亞粘土、粉沙、粗沙和礫石為主。地層處下沉趨勢，江南不均勻下沉顯著，據(jù)國家測繪局掌握的資料，蘇州地區(qū)存在著每年厘米級的不均勻性地表下沉，對平面和高程控制點穩(wěn)定性不利。這對大橋的平面控制測量和高程控制測量的精度提出了更高的要求。GPS控制網(wǎng)的布設是為滿足該大橋的勘測設計、施工放樣和大橋的變形監(jiān)測的需要，遵循“整體控制、局部加密”的原則。并且在控制點位置的選擇上考慮了橋梁施工的特點，一方面將點的位置于施工便道以外并適于GPS觀測要求的位置，另一方面盡可能保持相鄰點間相互通視以及臨近線位控制點設站、長邊定向的施工放樣原則，該大橋的GPS平面控制網(wǎng)由18個點組成，網(wǎng)形為以橋軸線為公共邊的兩個大地四邊形，兩邊各擴展一個大地四邊形，這增加了網(wǎng)的圖形強度。同時在橋軸線的延長線兩端1~2公里及周圍選點，其中北岸橋軸線延長線布設兩個大地四邊形，南岸橋軸線延長線布設四個大地四邊形，各平面控制點保證有兩個以上的通視方向。控制網(wǎng)范圍東西長約2km，南北寬約10km，橋軸線相對中誤差不低于1/70萬；平面控制網(wǎng)各相鄰點點位中誤差不大于8mm。
5GPS平面控制測量
5.1選點造標
根據(jù)設計的網(wǎng)形與GPS選點的原則共布設18個點。為了方便使用以及通視的需要建造強制對中觀測墩。共建造觀測墩22座，其中8米高觀測墩4座、6米高觀測墩3座、3米高觀測墩H座、2米高觀測墩4座;20米深埋水準點4座、50米、6.85米深埋水準點各一座。依據(jù)長江兩岸地質(zhì)特點，在基礎處理中分別采用了不同的加固處理方法。
5.2外業(yè)施測
根據(jù)上述布網(wǎng)方案以及精度指標要求，制定了嚴密的施測方案與施測計劃。實際觀測使用了8臺GPS雙頻接收機，其中5臺ASHTECHZ-xrteme型、3臺ASHTECHZXII型接收機，其標稱精度位5mm+lppm，均使用相同扼徑圈天線(可達到3mm+0.5ppm)進行觀測。觀測時，觀測參數(shù)設置如下:(1)同步觀測有效衛(wèi)星數(shù)大于等于9顆，(2)截至高度角大于15º，(3)由衛(wèi)星星座和測站組成的圖形幾何強度小于等于6，(4)采樣間隔時間15秒，(5)衛(wèi)星象限分布(2520)%，(6)連續(xù)觀測24小時，整個觀測進行了13天，共完成該大橋首級平面控制網(wǎng)觀測點18個及聯(lián)測國家坐標點3點，形成5個同步環(huán)。同步環(huán)和同步環(huán)之間采取邊連接。
觀測中儀器設備工作正常。每天的觀測數(shù)據(jù)都及時下載，查驗數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量，結(jié)果全部合格。
5.3基線解算
為了提高GPS基線解算的精度，聯(lián)測武漢跟蹤站(WUHN)和北京房山跟蹤站(BJFS)。并采用GAMIT軟件、精密星歷、TIRF97框架，解算ST02的坐標，然后固定ST02，共解算基線84條。
5.4外業(yè)數(shù)據(jù)檢核
對同步環(huán)、異步環(huán)和重復基線進行檢核�；厩闆r如下:
可見外業(yè)成果均滿足限差要求，說明外業(yè)觀測成果質(zhì)量可靠。
(4)激光測距邊長檢核:采用高精度測距儀分別施測網(wǎng)中三條邊長(橋軸線邊、中長邊、短邊)，并與GPS觀測邊長比較，最大差值為2.3毫米。表明GPS測量的精度結(jié)果很好，也說明測距邊與GPS邊尺度是基本兼容的。三條激光測距邊和相應的GPS觀測邊比較結(jié)果如下表4。
5.5內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理
首先在WGS84坐標系進行三維無約束平差，經(jīng)檢查基線向量的改正數(shù)(V△x、V△y、V△z)均小于三倍標準差。說明外業(yè)觀測質(zhì)量優(yōu)良。然后進行一點一方向的二維約束平差，基線向量的改正數(shù)與剔除粗差的無約束平差結(jié)果的同名基線相應改正數(shù)的較差(dV△x、dV△y)均小于二倍標準差。平差計算的工藝流程:外業(yè)GPS數(shù)據(jù)檢核核→GPS基線邊的投影改化化→POWERADJ網(wǎng)平差→結(jié)果輸出。
5.6精度統(tǒng)計分析
5.6.1GPS控制網(wǎng)地心坐標
選取WUHNGPS跟蹤站為固定點，用GAMTI基線解算的結(jié)果進行坐標傳遞，WUHNGPS跟蹤站空間地心坐標值為TIRF97(2003歷元)框架下的地心坐標;
X=-2267749.3365m
Y=5009154.2898m
Z=3221290.6629m
平差后最弱點位中誤差為ST13點:士0.64cm。
5.6.2橋位控制網(wǎng)“54北京坐標系”
中央子午線120度，I001、I002、I003為起算點，投影面為高斯橢球面，觀測數(shù)據(jù)為32條GPS獨立基線邊，為三點約束平差方法。
起算坐標:
I001:X=3502692.9000mY=609199.6600m
I002:X=3532461.1700mY=608630.4600m
I003:X=3539125.0700mY=589648.1700m
最弱點:ST20，Mx=1.78cmMy=1.97cmMp=2.66cm
最弱邊:ST16-ST20，相對精度:1/48072
可以滿足道路施工的需要。
5.6.3橋位控制網(wǎng)獨立坐標系
8米正常高投影面成果，中央子午線120度59分，STOZ為起算點、ST02至ST11的方位角固定，高程異常為62.2m，觀測數(shù)據(jù)為28條GPS獨立基線數(shù)據(jù)，并按GPS觀測量至投影面的距離進行投影改化：
ST02坐標：X=3515101.775Y=500405.440m
ST02至ST11的方位角:4º34’22’’
最弱點:ST20，Mx=0.17mcMy0.20cmMp=0.26cm
最弱邊:ST16-ST20，相對精度:1/438290
結(jié)果表明其滿足8mm的精度需要。
參考文獻：
[1]熊小莉.GPS在橋梁控制測量中的應用[J].北京:鐵道學報，2005.8
[2]岑敏儀,付新國.大橋施工測量與GPS技術(shù)的應用[J].北京:鐵道學報，2006.7
