gps在跨海大桥施工中的应用

gps在跨海大桥施工中的应用

杭州湾海桥是世界上最长的海桥，海上距离为32公里。大桥自2003年年底开工,至今已3年有余,现在大桥的各部分完成情况都基本超过预期目标。本文通过总结GPS静态测量在杭州湾跨海大桥建设中的应用,探讨GPS静态测量在远海工程平面和高程控制等方面的应用模式。1gps静态跟踪技术1.1gps跟踪技术的性能GPS是具有全球性、全能性、全天候性优势的导1.2相对定位观测所谓静态测量定位指的是,在进行GPS定位时,认为在整个观测过程中,接收机天线的位置相对于地球保持不变;而在数据处理时,则将接收机的位置作为一个不随时间变化的量。而相对定位则指的是在进行GPS定位时,多台接收机进行同步观测,采集同步观测数据;在数据处理时,则利用这些同步观测数据,计算出同步观测站之间的相对位置(坐标差/基线向量)。其具体观测模式为多台接收机在不同测站进行静止同步观测,时间从几分钟到数小时或更长时间不等。观测结束后,将数据在计算机中进行处理。数据处理过程一般包括基线处理、网平差、坐标转换和高程转换,最终求出高精度的网点坐标。2大桥高程测量和控制2.1建立gps施工平面监控网络根据工程进度的需要,大桥GPS施工平面控制网分四级布测,即首级网、首级加密网(分岸上加密网和海中加密网)、一级网和二级网。2.1.1施工坐标系的确定首级网按GPSB级精度施测,有三个点与国家控制网联测,有二个点与GPS站(国际GPS地球动力学服务永久监测站)联测,经数据处理分别得出了高精度的1954年北京坐标系坐标、WGS-84坐标系坐标和一个独立施工坐标系坐标,称之为54工程65m高程坐标系(简称65m工程坐标系)。为了增强桥位区附近首级网点的相对精度,选择6个点包括参考站在内组成参考站控制网,其中南岸3个点,北岸3个点,用相对静态定位模式严格按国家规范B级网施测纲要观测,由此获得了大量高质量的原始观数据,为GPS数据处理打下了良好基础。为控制投影变形,杭州湾跨海大桥采用独立的施工坐标系,称为54工程65m高程坐标系。参考站控制网平面坐标最弱点点位精度为3mm,最弱边边长相对中误差10-6,完全满足杭州湾跨海大桥的施工平面控制需要。后续的加密网点以参考站控制网为起始数据。2.1.2地面交通加量测为满足两岸和近岸滩涂区施工平面控制的需要,以两岸参考站控制网点为起算坐标,按《公路全球定位系统(GPS)测量规范》一级精度要求布测了岸上首级加密网。为了满足大桥海中部分测量控制的需要,在海中每隔1.8km左右建造一个优先墩,在优先墩布测加密控制点,组成海中首级加密网。海中首级加密网按《公路全球定位系统(GPS)测量规范》GPS控制网一级精度施测,每点至少与两个参考站控制点联测。其网形布置成以海中桥墩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参考站控制网的图形联系强度。2.1.3级、二级网测方法当首级加密网的密度不能满足施工放样需要时,应布测一、二级网。一级网应以最近的首级加密网点为起算点,二级网可以用最近首级网和一级网点为起算点。一、二级网可以用常规方法施测,也可以用GPS方法施测。但是,由于首级加密点密度很高,施工单位在布测一级网后已基本无需布测二级网,甚至只需按一级网的要求建立数个控制点即可。2.2独立施工坐标系的构建2.2.1克拉索夫斯基合系为便于施工放样的顺利进行,要求由控制点坐标直接反算的边长与实地量得的边长,在长度上应该相等。所以控制网的建立必须选择合适的投影面和投影带,以解决投影长度变形问题。我国目前广泛采用的大地测量坐标系是1954年北京坐标系,这个坐标系的基准面是克拉索夫斯基椭球体面,其定位及椭球的大小与我国大地水准符合得都不好。它的平面坐标是3°带高斯平面直角坐标,当测区离中央子午线的距离过远时,其投影长度变形显著。测区离开高斯投影中央子午线越远,高度越大,投影长度变形越大。根据《公路勘测规范》变形不宜超过25mm/km,否则要改变投影面和投影带,建立独立的施工坐标系。根据公式计算,当测区平均高程在100m以下,且ym值不大于40km时,其投影变形值小于25mm/km。而杭州湾大桥的施工区域,这种变形达-130mm/km左右,远远超出规范要求,所以必须建立独立的施工坐标系。2.2.2系统验证及测线选择独立施工坐标系的目的有两个,一是尽可能减少投影变形,尤其是投影长度变形,二是不要因为坐标转换而损失控制网的GPS观测精度。为此,坐标系的选择宜遵从以下4条:1)应采用工程椭球作为大桥独立施工坐标系的参考椭球。2)工程椭球的定位、定向、扁率宜与WGS-84椭球一致。3)采用高斯投影,高斯投影的中央子午线应通过测区中心的经线。4)工程椭球的长半径a可按下式计算:按照以上条件建立的大桥施工坐标系称为54工程65m高程坐标系(简称65m工程坐标系),其定位、定向、扁率与WGS-84椭球一致,a=6378245。3大桥高度测量和控制3.1s城镇高高程控制杭州湾跨海大桥用两种高程系统——大地高和正常高,大地高由GPS观测获得,称为GPS大地高;正常高由水准测量获得,称为水准高。用GPS大地高通过拟合的方法获得称为GPS高程。在工程开工初期,由于海上没有任何建筑物可凭借,只能用GPS拟合高程作为海中桥墩的高程控制。为保证测量精度,实际作业中采取以下高程传递方案:在海中每隔1.8km左右优先安排桥墩基础的施工(称为优先墩),优先墩高程用GPS拟合高程;优先墩竣工后,用三角高程进行跨海高程贯通测量,然后用贯通测量的结果修正优先墩高程,并作为其他承台及桥梁上部结构的高程控制点。3.2拟合精度的影响因素由大地高和正常高的关系知=,利用误差传播定律,得:上式中,me是GPS高程中误差,mH是GPS大地高中误差,m是高程异常值的中误差。的拟合精度主要受下列因素综合影响:公共点水准高程测量精度,公共点分布均匀性,拟合采用的数学模型,测区的地形等。地形起伏大,相对变化大,相对拟合趋势曲面的摆动也就大,即便考虑了地形影响的改正也难以得到高精度的值。地势平坦测区内,的变化也有一定的规律性,相对于拟合趋势曲面的摆动小,就有可能拟合出高精度的值。杭州湾跨海大桥测区地形平坦,这为在海中拟合出高精度的值提供了有利的条件。3.3海中、海中等水准测高程的测量GPS高程的误差相对来说是均匀的。而水准高程的误差是由起算点开始一站一站累积的,和距离起算点的远近有很强的相关性。因此,在远离海岸的海中GPS高程传递比水准高程更为优越,而短距离的高程传递水准测量比GPS高程优越。在海中施工高程控制中,可以让这两种优势互补。为此,在海中一定距离布测GPS高程点作为高程控制点,在GPS高程点周围用常规高程测量方法测定高程,以满足海中桥墩台面施工高程控制的需要。在杭州湾跨海大桥海中加密网的高程采用复合高程贯通测量的方法进行,即部分优先墩的高程采用七参数法、多项式曲面拟合法、过渡曲面拟合法三种方法的平均值,部分优先墩高程采用跨海三角高程传递,然后按附合水准路线进行平差计算,并用三等水准测量的要求进行评定,相关数据如表1、表2。上述数据表明,三种拟合方法的成果很接近,三角高程和拟合高程之差也在三等水准测量的规范要求之内。另外,通过复合高程贯通测量、附合高程导线平差计算,闭合差为0.009m,而按三等水准测量的要求闭合差限差