港珠澳大桥控制网状态监测成果的比对分析

港珠澳大桥控制网状态监测成果的比对分析

1港珠澳大桥分级控制网稳定性测试项目香港珠澳大桥横跨珠江口年轻的海上水域，连接香港、珠海和澳门。大桥工程全长约50公里，其中海中桥坍塌工程总全长约35.6公里。大桥施工时间为六年。为了统一粤、港、澳两岸三地的坐标和高程基准,满足大桥工程建设的需要,2008年9月至2009年2月间建立了港珠澳大桥首级控制网,并先后于2009年6月、2010年3月和2011年3月完成了该网的三次复测。第三次复测是主体工程正式开工前的一次全面复测,其复测成果直接用于主体工程勘察设计及岛隧工程施工。为了检验首级控制网的测量精度,评定控制点的稳定性,必须对四期测量成果进行比较分析。本文以第三次复测成果为基础进行四期测量成果的比较分析,研究和探讨跨海桥梁首级控制网复测成果的比较分析方法,制定控制点稳定性评定标准,为后续各期复测及其他类似工程提供参考和借鉴。2工程坐标系基准的建立首级平面控制网建网及第一次、第二次复测的网型、外业观测及数据处理方法相同,第三次复测与港珠澳大桥GNSS连续运行参考站系统(简称HZMB-CORS)的3个参考站并网观测,同时联测香港、澳门的7个GNSS参考站,具有首级控制网复测、参考站联测及工程坐标基准建立等多重功能和任务。全网由14个GPS点和3个HZMB-CORS站组成,网中跨海长边超过30km,同岸相邻控制点间的边长在2km-10km之间。第三次复测采用了新的工程坐标系,并对GPS平面控制网数据处理方案进行了优化和调整,具体计算思路是:选用本工程周边的4个IGS站:北京房山(BJFS)、武汉(WUHN)、上海(SHAO)、昆明(KUNM)的ITRF2005坐标作为起算数据,传递到HZMB-CORS参考站上,作为工程坐标系的三维坐标框架基准;再通过工程坐标系的二维起算条件(一点一方向),解算出3个参考站的二维工程坐标,进而建立起二维工程坐标基准。2.1工程坐标系的起算方位角为便于对工程坐标系下各期成果进行比较分析,先进行工程坐标系起算条件的稳定性分析。以香港及澳门的7个连续运行参考站的第三次复测工程坐标起算,对前面三期成果重新进行平差计算,得到工程坐标起算条件中的起算点坐标及起始方向的坐标方位角。工程坐标系的起算条件与前面三期计算结果比较见表1。表中,M、N、R依次表示第三次复测的坐标起算条件与建网、第一次复测、第二次复测计算结果的较差(下同)。由表1可知,工程坐标系起算条件在各期测量中变化很小,起算坐标最大差值仅为5.4mm,起算方位角的最大差值仅为0.07″,可作为各期GPS网平差的坐标起算条件。2.2y坐标误差按工程坐标系起算条件对四期观测成果进行平差,计算各控制点的工程坐标较差,并绘制较差分布图。x、y坐标较差分布图分见图1和图2。由图1、图2可知:1)第三次复测与建网比较:x坐标较差除Q3(-6.5mm)以外,其余均在±5mm以内;y坐标较差最大值为14.9mm(Q6),其次为9.6mm(Q4),其余均在±5mm以内。2)第三次复测与第一次复测比较:x坐标较差,±5mm以内5点,±5mm-10mm共6点,±5mm-15mm共3点,最大为-14.3mm(Q15);y坐标较差除Q7、Q16以外,其余较差均在±5mm以内,最大为5.4mm(Q16)。3)第三次复测与第二次复测比较:x坐标较差,±5mm-10mm共4点,其余均在±5mm以内,最大较差为-7.9mm(Q3);y坐标较差全部在±5mm以内,最大值仅为3.7mm(Q1)。从总体上看,桥梁工程坐标较差基本上都在±10mm以内,最大较差亦未超过±15mm,可见:首级控制网各期测量成果精度高,控制点稳定性良好。3次复测计算点稳定性首级高程控制网由珠海—中山—香港的一等水准路线及大桥区域内两岸三地的二等水准闭合环构成。其中,一、二等水准测量路线总长分别约为248.3km和89.8km,跨河(海)水准测量12处。四期测量方法及技术要求基本相同。由于首级高程控制网的起算点(GSH)大致位于一等水准路线中部,桥位两岸(珠海澳门、香港)的工程水准点到该起算点的水准路线长度均在100km以上,不便于各期复测成果的比较分析。通过对前面三期成果的比较分析,确认高程起算点(GSH)及桥位处香港、珠海境内的两个工程基岩点(DYS、GBJYD)稳定可靠,因此,第三次复测采用新的计算思路:一等水准路线以GSH的已知高程及DYS、GBJYD的建网高程起算,构成附合水准路线进行平差计算;香港及珠海、澳门境内的二等水准闭合环分别以DYS、GBJYD的建网高程起算。通常在跨江跨河的桥梁施工控制网复测中,由于跨河长度多在3km以内,控制网规模小,因此只需进行各期高程成果的比较即可评定水准点的稳定性。但在本项目中,因两岸水准点之间的直线距离超过30km,高程起算点与两岸工程区域内水准点之间的距离超过100km,因此,必须同时进行观测高差及水准点高程的对比分析。3.1限制差值比较一等水准路线总长约248km,由66个一等水准点形成65个测段,将各测段第三次观测高差依次与建网、第一次复测及第二次复测高差比较并计算出较差,再与按公式3R√3R(R为测段长度,km)计算的“限差”比较,以评估水准点的稳定性。比较结果表明,各期观测高差较差超限的测段共14段,主要集中在QY01-S036(中山-虎门大桥)区段中,超出限差值较大的测段是:QY01-S020,S020-S023,S023-S024,S025-S027,S030-S031,S034-S035和S035-S036,涉及QY01、S020、S022、S023、S024、S025、S027、S030、S031、S034、S035和S036共11个水准点,说明这些水准点可能全部或部分发生垂直位移,具体情况还需结合高程比较进行综合判断。香港区域、珠海澳门境内二等水准各期观测高差比较结果见表2、表3,较差的“限差”按公式6R√6R(R为测段长度,km)计算。由表可见:香港境内16个测段二等水准观测高差之较差全部合限,珠海澳门境内二等水准观测高差之较差超限的测段是:Q12X-S007、S007-Q13X、S004-S003、S003-S002、S011-Q7X,可能发生垂直位移的水准点是:S007、S003、S011和Q7X。3.2比较高距离的高度1沉降桩的稳定性通过一等水准路线上水准点第三次复测高程与前三期高程比较分析,结合高差比较分析结果进行综合判断,可得出产生沉降的点是:S020、S022、S023、S024、S025、S028、S029、S030、S031、S033、S034、S035,其他一等水准点稳定性良好,且S020、S022、S028、S033在第二次复测以后已经趋于稳定。2香港境内部分浮水点高程变化珠海澳门区域二等水准点第三次复测高程与前三期高程比较结果见图3。可以看出,S007、S003的水准高程较差超过±15mm,存在较明显的沉降;Q7、Q9两个GPS点的高程变化略大于±10mm,但考虑其高程通过长距离跨海高程传递和三角高程测量方法得到,可以认为Q7、Q9无明显垂直位移;其余各点的高程较差基本上在±5mm以内,点位稳定性良好。香港境内二等水准点第三次复测高程与前三期高程较差图见图4。从建网到第三次复测期间水准点高程变化值均在±10mm以内,且绝大部分较差值小于±5mm,说明香港测区二等高程控制点无明显垂直位移,控制点稳定性良好。4平面控制点稳定性限差港珠澳大桥建设工期长达6年,首级控制网每年复测一次,此后至少还有5次复测。为了后续各期复测时评定首级控制点的稳定性,通过测量误差理论分析,并结合四期测量成果的对比分析结果,制定首级控制点各期成果比较的限差标准。1)工程坐标的限差标准:首级平面控制点两期工程坐标较差的限差为±15mm。按此限差标准,首级平面控制点四期成果的较差均不超限,说明控制点稳定性良好。2)测段/路线观测高差较差的限差标准:一、二等水准测量各测段/路线两期观测高差较差的限差分别按3R√3R和6R√6R估算(R为测段/路线长度,mm)。3)水准点高程较差的限差标准:当采用第三次复测高程控制网平差计算思路时,工程区域(工程中线两侧约10km范围内)内二等水准点各期高程较差的限差可大致按±10mm执行,一等水准点高程较差可根据水准点离起算点的路线长度R按式3R√3R估算限差。控制点稳定性应参照上述限差标准结合实际点位情况进行综合评定,水准点的稳定性更须考虑观测高差及高程变化情况等因素进行综合判断,必要时还可对多期测量成果进行统计检验分析。5控制网稳定性分析时点面相差1)四期测量成果的比较分析结果表明:港珠澳大桥首级控制网测量精度高,工程区域内的首级平面控制点及二等水准点的稳定性良好,能满足工程施工应用的需要。用于传递跨海高程的一等水准路线上的少数水准点发生了沉降,但对工程施工没有影响。2)在对特大型跨海桥梁首级控制网进行控制点稳定性分析时,仅仅进行坐标及高程的比较是不够的,尚需对控制网边长、观测高差等相对量进行比较。各期高程比较分析前,应尽可能消除因已知水准点远离测区而对高程产生的系统性影响,或以工程区域内稳定的水准点起算对两岸水准网进行独立平差。通过多期测量成果比较、统计检验,并