杭州湾跨海大桥测量控制技术（一）.doc

杭州湾跨海大桥测量控制技术（一）杭州湾跨海大桥测量控制技术(一)三航局本部倪建夏【摘要】本文是对杭州湾大桥在施工建设期测量控制工作的概要总结,介绍了大桥施工建设期主要测量控制关键技术的解决方法及为保证测量控制工作质量所采取的管理措施.【关键词】杭州湾跨海大桥测量控制技术1概述杭州湾跨海大桥北起嘉兴海盐,南至宁波慈溪,全长36l.大桥设计中轴线约位于东经121.1.,属40号标准投影带边缘.施工建设期.面对的首要测量控制技术课题包括控制网的布设,独立施工坐标系的确立,海中GPS高程拟合模型确定,参考站系统的建设,海上水准贯通测量等.大桥全桥主体:明里分l1个施工作业标段,除制,架梁项目外,各标段分布于全桥的各里程段.基本自成一体,独立施工.大桥施工海域附近无任何自然岛屿,测量控制工作面临技术和管理上的严峻考验.参建单位测量人员在大桥指挥部的统一部署和指导下.攻克了一系列测量控制关键技术难题,并在实践中逐渐形成和完善了测量控制管理体系,保证了测量控制工作的质量和效率.2测量控制关键技术大桥施工建设期需要解决的测量控制关键技术主要有:(1)布设首级施工控制网,以控制大桥整体位置,保证各标段相互衔接的正确性;(2)建立独立的施工坐标系统,减少投影变形,提高测量精度;(3)确定海中GPS高程拟合模型.使GPS高程在大桥施工期,尤其是在大桥基础的施工中得到有效应朋;(4)建立统一的全天候参考站运营系统,实现GPSRTK远海测量定位作业,克服传统测量工作中对视距条件的限制,提高工作效率:(5)实现海上水准贯通测量,为实施海上水准高程测量确定基准依据.2.1施工控制网根据分级布网,逐级控制的原则.结合杭州湾大桥施工面广,作业点多的特点.大桥施工控制网分四个级别布测,即首级控制网,首级加密网及一,二级加密网.其中.首级控制网为大桥施工区域内的最高等级控制网,其他控制网依次在上级网内逐级布设加密.2.1.1首级控制网首级控制网的建立是杭州湾大桥施工建设初期的一项重要基础性工作,是控制大桥整体位置及后续所有其他测量工作得以实施的基准依据.杭州湾大桥首级控制网包括平面控制网和高程控制网两部分,由23个点组成,分布于桥位区南北两岸,其中南岸l1个点,北岸l2个点,全网东西宽约24km,南北长约48km,覆盖了杭州湾大桥施工区的广大区域.平面控制采用GPS静态按B级精度的要求施测,网中有3个点与国家控制网联测.有2个点与IGS站联测,经数据处理分别给出了高精度的北京54坐标,WGS一84坐标和2个独立的施工坐标系坐标.其中一个称之为54工程65m高程坐标系坐标.是目前杭州湾大桥工程施工中实际使用的独立施工坐标系.高程控制采用一,二等水准测量施测.一一1一等水准由南岸高程基准点起测,经杭州市区一等水准点,到达北岸高程基准点.南北岸其他控制点高程分别用二等水准附合到一等水基准点上.2.1.2首级加密网首级加密网分陆上和水上两部分分别加密.(1)陆上首级加密网为满足南北两岸及近岸滩涂区施工控制的需要,以两岸首级网点为起算点,分别在南北两岸布测了两个陆上GPS首级加密网.其中,南岸11个点,北岸6个点,平均边长800m,按公路全球定位系统(GPS)测量规范一级精度施测.经评定,陆上首级加密网中,最弱相邻点点位中误差小于10mm.(2)海上首级加密网为满足海上施工控制的需要,在海中每隔1.8kin左右的l9个桥墩(优先施工墩)及B,D两个试桩平台上,布测了21个点的海上首级加密网.海中加密网按公路全球定位系统(GPS)测量规范一级精度施测,并在两岸至少与两个首级控制网点联测,其网形布置成以海中桥墩承台连线为公共边的重叠多层三角形.以此加强海中加密网点与两岸首级网的图形联系强度.经评定,海上首级加密网中,最弱相邻点点位中误差小于10mm.2.1.3一,二级加密网施工单位根据施工需要,必要时,在首级网及首级加密网的基础上进行一,二级加密.一,二级加密网的建立可使用GPS或常规方法.但其最弱相邻点位中误差要求小于10mm.2.2独立施工坐标系统2.2.1独立施工坐标系统的建立杭州湾大桥依北京54坐标系进行设计,大桥主轴线基本为南北向,中心位置约为东经121.1.,位于中央子午线为120.标准3度投影带东侧边缘地带,南北方向全长为36km.大桥承台底部位置基本在高程基准面一2一(1985国家高程基准)零点位置,高程基准面距参考椭球表面距离(即高程异常值)约为65m.理论分析和实验数据表明,杭州湾大桥桥位区在做高斯投影时,平均边长的投影变形约为130m._m/km(远远超过规范25mm/km的限制要求),角度投影变化达8”.若不作任何的投影变形调整,将使设计的大桥在总长度上发生4.5m左右伸缩变形,并在整体上产生8的旋转.显然,这一变形是大桥施工建设所不允许的.解决投影变形问题的方法有两个:一是对投影变形值进行改化,这需要对每次测量成果进行改正,方法复杂且工作量十分庞大;二是根据桥位所处的地理位置,重新建立适当的工程坐标系统,缩短施工区域离中央子午线的距离,同时减少施工高程面与参考椭球表面的高度,以大幅减少投影变形.这是杭州湾大桥目前使用的方法,即建立独立的施工坐标系统.杭州湾大桥建立独立施工坐标系统的主要步骤:一是蘑新定义投影带,即建立以中央子午线为121.1o的任意三度带,使桥位区位置移至新投影带的中央子午线中央附近;二是在保持参考椭球定位,定向和扁率不变的情况下,增加参考椭球的长半径65m,使桥位区的参考椭球表面与高程基准面尽可能接近,以减少高程异常.采用上述方法建立新的独立施工坐标系称为54工程65m高程坐标系(简称65m坐标系).实验数据表明,采用54工程65m高程坐标系可以在很大程度上减少桥位区的高斯投影变形.其中,长度变形可以控制在25mm/km之内,满足规范要求,角度变形小于0.3,可以忽略不计.2.2.2大桥在独立坐标系中的定位为使大桥结构的设训形状和尺寸,各墩柱里程等在施工中保持j没计一致,操作中按如下方法固定了大桥在独立坐标系中的位置:(1)按设计的北京54坐标,在实地放样出桥梁起,终点的位置.港工技术与管理2008年第4期(2)再实测火桥起,终点在独立坐标系下的坐标.(3)固定终点,反算终点至起点在独立坐标系中的方位角,并保持不变.(4)在保持人桥曲线参数不变的情况下.计算大桥曲线各要素控制点在独立坐标系中的坐标,进州推算各桥墩中心在独立坐标系的坐标.按上述方法确定的大桥在独立坐标系中的位置.保持了人桥没计的形状,大小和方向的不变.但由于长度变形的累积,将引起大桥起点沿原设计方向伸长4.091m.在与大桥以外的其他附属工程衔接时应注意这一点.2.2.3设计至独立坐标系的转换依照大桥在独立坐标系中的定位方式,在现场施工放样fj0,需事先进行必要的坐标转换,即将设计冬1没计的建(构)筑物的特征点(或放样定位点)在54坐标系中的坐标值转换至独立施也标系中的坐标.转换公式由大桥起,终点两种坐标的差值,经平移,旋转而得.其形式为:f/cos8一sin8/sin8cos8/I/54需要说明的,上述转换公式仅适用于设计图所示坐标独立施工坐标系的转换.并进行现场的放样一作,而不能用作控制点间的坐标转换.为这个坐标是根据大桥在独立坐标系中的定位方式导出的.并不是两种坐标系之问的真lE意义上的转换关系.2.3GI)S拟俞高程大桥建设前期,尤其是海上沉桩施工.由于现场无水准控制点,使用基于大地水准面的水准测量方法显然足不现实的,而只能使用基于参考椭球表面为起算面的GPS高程测量.参考椭球表面是一个规则的几何面,大地水准面则是一个相对不规则的且难以用数学方式表示的重力平衡mf.通常两者之间既不平行,更不重合,也无法建立相互间的数学关系.因此,为使GPS高程变得实用,且精度较高.需要通过试验找到一个与大地水准面形状吻合得较好的拟合曲面(通常用二元二次多项式表示).由于拟合曲面是一个数学面,因此就可与参考椭球表面建立相互问的数学关系,这样,就可根据GPS坐标得到一个与水准高比较接近的拟合高程.用于海上沉桩,优先墩施工等大桥工程前期项目施工.拟合曲面的获得,一般采用多项式曲面拟合法.在此基础上.可进一步采用过渡曲面拟合法,按此种方法求得的海中高程异常值,相对于多项式曲面拟合法而言,波动要小得多.杭州湾大桥采用的就是过渡曲面拟合法.理论及后续跨海水准贯通测量的成果表明,在杭州湾大桥使用GPS拟合高程取代水准高程其误差优于2cm,在一定条件下达到三等水准的精度标准.完全满足海上沉桩及优先墩承台施工的高程控制精度要求.需要注意的是,在进行GPS高程,特别是GPSRTK高程测量时,有一个数据稳定性的问题,需在测量时采取措施,加以监控.2.4GPS参考站系统在大桥施工初期,基本无法采用常规测量手段实施海上施TN量放样工作,只能采用GPSRTK技术来完成大量的海上定位工作,如桩基,承台等项目的施工.为此,需建立安全,可靠,全天候连续运行的GPS参考站系统.2.4.1GPS参考站系统的建立杭州湾大桥GPS参考站系统由业主统一建造,系统由置个基站组成,分别布设在南,北两岸和海中试桩B平台上.其中南,北两岸参考站点分别设于GPS首级控制网中HTS06和HTS13两点,试桩B平台为首级加密网点.由上述3个参考站点组成的参考站系统覆盖了整个大桥的施工范围.此外,在参考站的选址上也考虑到参考站作用距离的因素,确保大桥施工区域中的任何位置至少与系统中的一个参考站点的距离小于10km.(下转第26页)一3一技术措施合理,中继环布置合适,施工过程精心动态控制,顶管偏差及各项验收参数均符合设计规范要求,详见表4.顶管施工过程中,江堤最大沉降为48mm,表4顶管允许偏差(DBJ08-220-96)与实际偏差对照一览表允许偏差O【n1n)检验频率取排水顶管偏差(mm)项目检验方法工lO0m工>100m范围点数取水管排水管中线位移50100每段1经纬仪测量4210管道底高程D+4O-50+80100每段1水准仪测量+4O-10相邻关节错口16每节1钢尺最38内腰箍不渗漏每节1外观检查不渗漏不渗漏橡胶止水圈不脱出每节1外观检杏不脱出不脱出工作坑后座墙长度与高度偏差6%每座2钢尺摄符合符合属于正常可控的范围,顶管施工完成后,及时进行了注浆加固.70m排水砼顶管施工用时lOd.639m取水顶管用时84d,顶管施工顺利完成.(上接第3页)GPS参考站系统是全天候运行的,并可以下载任何时段的双频GPS观测数据.因此,施工单位配备的GPS仪器(流动站)可以在任何时候.依GPSRTK模式进行现场的施工放样工作,并获得平面上优于5cm,高程上优于10cm的放样精度.施工单位也可以结合参考站的观测数据,进行GPS的静态测量.方便地建立施工标段内的一,二级控制网.或进行某些结构物的精密定位.统一的参考站系统,避免了由于各施工单位自设参考站而可能引起的测量系统上的误差.保证了各施工标段间的顺畅衔接.2.5GPSRTK的应用大桥施工过程中,GPSRTK技术大量应用于基础施工项目和辅助或临时工程施工项目中.包括大桥主体工程中的打入桩定位,钻孔灌注桩定位,承台钢套箱的粗定位等,以及栈桥及施工平台的桩基定位,临时码头桩基定位,水下断面测量等辅助或临时工程项目.2.6跨海水准贯通测量一26一跨海水准贯通测量是指:用三角高程测量的方法将大桥南,北两岸的水准高程控制点经由海上优先施工的跨距约为1.8km左右的承台(简称优先墩)直接实现水准意义上的高程附合贯通.在杭州湾大桥实施海上水准贯通的意义有两个:一是可以对首级施工控制网中由南岸经由杭州至北岸的一等水准测量成果