大跨度连续刚构桥悬臂施工控制测量网的设计与应用

大跨度连续刚构桥悬臂施工控制测量网的设计与应用

1制测量网的应用南京长江四桥位于南京周边长江以南。这是南京通往四川和越南高速公路的一部分。南京长江四桥首级控制测量网作为整个大桥工程及接线工程在设计、施工和营运期间监测等阶段的控制基准,是大桥初步设计阶段的一项重要工作内容,其成果的精度和准确性对整个大桥建设具有十分重要的作用。作为较大规模的特大型桥梁控制网之一,南京长江四桥首级控制网具有如下特点:1.1多级控制网点由于特大型桥梁控制网的建设和建成后的运行维护等长期过程中均需要不断使用首级控制网点,因此首级控制网点的标志应当稳定,其成果应可靠。一般应选择在地质稳定的地方建造可直接架设各种仪器进行观测并相互通视的观测墩,采用强制对中标志以减少测量过程中的对中误差、仪器高量取粗差等误差。1.2平面、高程相对精度由于特大型桥梁控制网跨越河、谷、海等障碍的距离大多较长(如南京长江四桥跨越长江江面约2.2km,青岛海湾大桥跨越海面距离约22.2km),而大桥两岸的地面控制点由于受地形、树林和建筑等通视条件的限制,其点间距离一般较短(本控制网最近的点间距离为280m),因此要求控制点之间必须具备达到较高的平面、高程相对精度,以满足大桥高精度的施工放样等后续控制测量的需要。为此,大桥首级控制网设计要求平面最弱点精度优于±6.0mm,相对精度优于1/120000;高程达到二等水准测量精度要求,每千米水准测量偶然中误差M△不超过1.0mm,每千米水准测量的全中误差MW不得超过2.0mm。1.3桥位东南角的近桥位控制网大桥首级控制网首先要满足桥梁施工放样的需要,为此需要建立大桥施工坐标系(独立坐标系),其尺度基准与施工放样的平均高程面一致,起算点为靠近桥位中轴线的某一控制点,起算方向大致与桥位的走向一致;其次,大桥控制网要与跟它邻接的接线控制网相联系,成为整个工程施工控制网的一部分,为此大桥控制网点还应具备工程施工独立坐标系成果,并且与1954北京坐标系或1980西安坐标系相关联;此外,为满足今后采用VRS(GPS虚拟参考站)等先进测量技术的需要,大桥首级控制网点还应联测GPS跟踪站或其它高精度GPS控制点,以获得高精度的WGS-84坐标系成果。1.4直接水准测量联测的测量方法特大型桥梁的建设是为了解决跨越河、谷、海等障碍的交通问题,因此多数情况下大桥控制网的两端控制点高程不能通过直接水准测量进行联测。南京长江四桥跨越长江,桥位附近江面最窄处超过2km,距离10多千米的长江二桥交通十分繁忙并且为悬索桥,不能通过该桥利用直接水准测量联测两岸控制点,为此需要采用跨河水准测量或其他方法进行高程传递,使大桥两端的地面控制点高程基准一致,并达到二等水准测量精度要求。1.5控制网成果外部检测,校为了确保控制点成果的可靠性,除了按照规范和设计要求对控制网的过程及最终成果进行各项限差控制外,还应采用其他方法对控制网成果进行外部检测,以确保成果的正确性和可靠性。基于以上因素的考虑,我们在总结近年来完成的特大型桥梁首级控制网布测经验的基础上,采用了一些当前较为成熟和先进的技术方案对南京长江四桥控制网进行了设计上的优化,提高了作业效率,并确保了控制网的可靠性指标。2双高高等水准测量基准站及大桥高程控制测量大桥首级控制网布测桥位控制点12点(如图1),其中长江北岸7点,南岸5点,点位条件能满足GPS观测及常规测量、施工放样和未来变形监测的需要。每对GPS点之间满足通视要求,控制点点距最短为280m(NF08–NF09),最长为2283m(NF07–NF10)。控制点标石均为带强制对中标盘的观测墩(如图2所示),墩体下部平台上还加埋一个水准点标志,这样每个观测墩具有上、下两个高程标志(上标志为强制对中标盘面)。同时,考虑到今后采用VRS测量方式的基准站需要,对部分控制点进行了加高和加固处理。此外,为了便于对控制点的高程变化情况进行监测,在长江两岸分别埋设两座基岩水准点,这样在今后可直接利用同一岸的两个基础稳定的水准点作为同岸高程基准控制点,而不必进行繁琐的跨河水准测量。平面测量主要采用高精度GPS相对定位方法完成。GPS观测按照《公路全球定位系统(GPS)测量规范》JTJ/T066-98中一级GPS控制网(B级)布测要求,采用8台AshtechZXtreme双频大地型GPS接收机,以同步环重复边和图形连接的方式完成控制网的施测。控制网联测江苏省C级GPS网点3点(同时具备1954北京坐标系、1980西安坐标系以及WGS-84坐标系成果),网中每点至少有3条独立基线与之相连。整个控制网分别布测7边形、5边形和8边形同步环各1个,每个同步环观测2个时段,最短观测时间长度为4小时,最长为12小时。控制网重复设站率为3.3,各项指标满足规范及设计要求。大桥高程控制测量采用二等水准测量完成。大桥南、北岸分别有国家一等水准点和国家二等水准点,两岸高程控制点分别与本岸已知水准点构成水准环线,同时在桥轴线的上、下游还分别进行了两处二等跨河水准测量。为此,整个大桥首级高程控制网由南、北岸水准环线和跨河水准环线共三个部分组成。3第一部分网络性能的精度3.1基于gps基线解算的精度分析平面控制网GPS观测数据在现场采用随机商用软件进行处理,数据质量经检核无误后采用美国麻省理工学院(MIT)和Scripps研究所(SIO)共同研制的GAMIT(UNIXVer10.2版本)软件进行后期的精处理。与常用的厂商随机软件相比,软件在长时间观测数据的高精度GPS基线处理方面具有明显的优势,基线处理结果通常优于厂商随机软件处理的精度。大桥首级控制网周边有北京(BJFS)、上海(SHAO)及武汉(WUHN)等GPS跟踪站,其距离不到900km,三个跟踪站均匀分布于测区周边,为控制网的WGS84空间坐标计算提供了有利条件。针对本控制网存在的不同观测时段长度的情况,顾及时段长度对基线解结果的影响,选取不同的点位组合及解算模型进行基线解算。对观测12小时的时段,相关同步测站与北京(BJFS)、武汉(WUHN)、上海(SHAO)三个周边跟踪站一起求解;而对于其余观测4小时的各时段则仅利用控制网内部的同步测站进行解算(不联合跟踪站求解)。通过对6个时段的GPS基线进行检核,从中选择了独立基线参与平差计算。成果精度及相关情况如表1。从表1中可以看到,由于起算点的原因,同一GPS网在不同坐标系下平差结果的点位中误差、相对误差等指标存在差异,大桥施工坐标系由于不受起算点误差影响,因而具有较高的精度指标。3.2外业观测限差水准观测使用DNA03数字水准仪一台,配用3m线条式因瓦尺进行观测,观测记录采用兰德掌上电脑配专用记录程序,程序能自动控制各项观测限差及《规范》要求的观测时间。外业观测结果,每千米水准测量偶然中误差M△=±0.52mm,小于规范要求的±1.00mm的限差。大桥高程控制网进行了两处跨河水准测量,采用《国家一、二等水准测量规范》规定的测距三角高程法,采用LeicaTC2003全站仪及配套棱镜、气象仪器等配套设备完成外业观测。全站仪自带的记录程序能自动控制各项观测限差,并进行边长的气象改正计算。二等水准网平差计算前,对水准高差进行预处理:包括尺长改正计算、重力异常改正、正常水准面不平行改正等。高程控制网平差结果,每公里水准测量全中误差MW=±0.63mm,小于限差±2.00mm。高程控制网各路线的闭合差见表2。4控制网精度检测作为特大型精密工程测量项目,大桥首级控制网的可靠性指标的重要性是不言而喻的。除了按照规范要求进行控制网的内部限差控制外,还需要利用其他测量手段对控制网的精度进行外部检核。为此,对于平面控制网采用高精度测距边对部分GPS基线边进行了检测;同时,采用目前较为先进的GPS跨河水准测量方法对跨河高程成果进行了检测。4.1gps和气象仪器测试测距精度的情况对比测距边观测采用LeicaTC2003全站仪(测距精度:1+1ppm.S,测角精度:0.5″)及配套棱镜、气象仪器等配套设备,按照《工程测量规范》规定的二等(最高等级)测距精度要求进行。经过各项改正计算的测距边长与GPS边长(通过三维无约束平差结果反算得到)对比情况如表3。边长比对结果证明,GPS边长与测距边之间具有较高的符合精度。4.2gps跨河水准测量方法目前特大型桥梁控制网大桥两岸高程传递的主要方法有测距三角高程法和经纬仪倾角法等,这两种方法都存在受跨河场地、通视条件等因素限制、作业效率不高等特点,特别是很多时候为了满足跨河观测视线距离水面的高度要求而不得不搭建较高的观测墩,这样较为费时和费力。而且随着高精度光学经纬仪的停产,常规跨河水准测量方法更加受到限制。GPS跨河水准测量方法是近年来解决困难地区跨越障碍高程传递的一种全新技术手段,该方法综合利用高精度GPS相对定位测量、精密水准测量方法以及区域大地水准面变化的相关特性,根据河流两岸控制点之间GPS大地高差和水准测量高差对跨河控制点之间的正常高高差进行拟合。这种方法已经列入新近颁发的《国家一、二等水准测量规范》(GB/T12897-2006),并将会作为今后主要跨河水准测量手段。南京四桥控制网的点位布设和GPS、水准观测精度为GPS跨河水准计算提供了条件,利用已有的观测数据对跨河控制点之间的高差进行拟合计算,结果如表4。从表4中看到,三条跨河路线采用常规跨河水准测量得到