吳迪軍，熊 偉，姚 靜

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430050)

港珠澳大橋主體工程測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)淺析

吳迪軍，熊 偉，姚 靜

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430050)

介紹港珠澳大橋主體工程開工前，由測(cè)量控制中心負(fù)責(zé)完成的三大測(cè)控關(guān)鍵技術(shù)，包括港珠澳大橋主體工程高精度測(cè)量基準(zhǔn)的建立與維護(hù)技術(shù)、GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)和測(cè)繪信息管理系統(tǒng)。

港珠澳大橋;首級(jí)控制網(wǎng);CORS;測(cè)繪信息管理系統(tǒng)

港珠澳大橋海中橋隧工程起自香港大嶼山石散石灣，經(jīng)香港水域，穿(跨)越珠江口，止于珠海/澳門口岸人工島，總長(zhǎng)約35.6 km。其中，粵港澳三地共同建設(shè)的主體工程長(zhǎng)約29.6 km，由東、西人工島、約6.7 km長(zhǎng)的海底隧道及總長(zhǎng)約22.9 km的橋梁組成。該橋具有跨海距離長(zhǎng)(超過30 km)、工程規(guī)模大、建設(shè)條件復(fù)雜、結(jié)構(gòu)型式多樣、技術(shù)難度大、施工周期長(zhǎng)、地理位置特殊及政治意義重大等突出特點(diǎn)。同時(shí)，其海底隧道采用沉管法施工，管節(jié)沉放及水下對(duì)接的難度大、精度要求高。因此，相對(duì)于杭州灣大橋［1］、東海大橋［2］等其他已建成的跨海大橋而言，港珠澳大橋主體工程建設(shè)期間的測(cè)量工作更加復(fù)雜、技術(shù)難度更大。本文重點(diǎn)介紹主體工程開工前，由港珠澳大橋主體工程測(cè)量控制中心負(fù)責(zé)完成的三大測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)，即港珠澳大橋主體工程高精度測(cè)量基準(zhǔn)的建立與維護(hù)技術(shù)、港珠澳大橋GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)和測(cè)繪信息管理系統(tǒng)。

一、港珠澳大橋高精度測(cè)量基準(zhǔn)的建立與維護(hù)

港珠澳大橋主體工程測(cè)量基準(zhǔn)由首級(jí)控制網(wǎng)和在此基礎(chǔ)上逐級(jí)加密建成的首級(jí)加密網(wǎng)及一、二級(jí)施工加密網(wǎng)組成。其中，首級(jí)控制網(wǎng)是港珠澳大橋的基礎(chǔ)控制網(wǎng)，自2008年建網(wǎng)至今，目前已經(jīng)完成了三期復(fù)測(cè)。工程建設(shè)期間，測(cè)控中心將對(duì)首級(jí)控制網(wǎng)進(jìn)行一年一次的復(fù)測(cè)，對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)進(jìn)行持續(xù)的維護(hù)和管理，確保其穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性以滿足工程施工的需要。首級(jí)平面控制網(wǎng)示意圖如圖1所示;首級(jí)高程控制網(wǎng)示意圖如圖2所示。

圖1 港珠澳大橋首級(jí)平面控制網(wǎng)示意圖

圖2 港珠澳大橋首級(jí)高程控制網(wǎng)示意圖

首級(jí)控制網(wǎng)集成了GNSS衛(wèi)星定位、精密水準(zhǔn)測(cè)量、高精度跨江三角高程測(cè)量、現(xiàn)代重力場(chǎng)、精化大地水準(zhǔn)面與工程坐標(biāo)系等測(cè)繪及相關(guān)學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)和方法，是長(zhǎng)距離跨海橋隧工程高精度控制網(wǎng)的典型范例。主要的關(guān)鍵技術(shù)成果如下。

1)首級(jí)GPS平面控制網(wǎng)由14個(gè)首級(jí)GPS控制點(diǎn)和3個(gè)GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站構(gòu)成，并按國(guó)家B級(jí)GPS網(wǎng)精度施測(cè)，以科學(xué)先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法，獲得了高精度的坐標(biāo)成果，統(tǒng)一了港、珠、澳三地的坐標(biāo)基準(zhǔn)。

2)首級(jí)高程控制網(wǎng)由59個(gè)一等水準(zhǔn)點(diǎn)和52個(gè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成。其中，一等水準(zhǔn)路線總長(zhǎng)約260 km;二等水準(zhǔn)路線總長(zhǎng)約100 km。實(shí)施了多處跨江(海)高程傳遞測(cè)量，獲得了高精度的高程成果，統(tǒng)一了港、珠、澳三地的高程基準(zhǔn)。

3)設(shè)計(jì)和建立了滿足主體工程建設(shè)要求的港珠澳大橋工程坐標(biāo)系，研究和確立了工程坐標(biāo)系與WGS-84坐標(biāo)系、1954北京坐標(biāo)系、1983珠海坐標(biāo)系、香港1980方格網(wǎng)及澳門坐標(biāo)系之間精確的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。

4)依據(jù)最新的地球重力場(chǎng)理論和方法，建立了高精度的港珠澳大橋地區(qū)的局部重力似大地水準(zhǔn)面，與GPS水準(zhǔn)聯(lián)合求解后，獲得了高精度的似大地水準(zhǔn)面成果。

二、港珠澳大橋GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)

港珠澳大橋 GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(HZMB-CORS)由3個(gè)參考站、1個(gè)監(jiān)測(cè)站和1個(gè)數(shù)據(jù)中心構(gòu)成，參考站分布圖如圖3所示。該系統(tǒng)包括參考站網(wǎng)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、用戶服務(wù)子系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)共5個(gè)子系統(tǒng)。參考站的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)首先通過專線通信網(wǎng)匯集到數(shù)據(jù)中心，在中心服務(wù)器上使用GPSNet軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一解算和原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)向流動(dòng)站用戶GNSS接收機(jī)發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)，提供厘米級(jí)的實(shí)時(shí)定位服務(wù)。同時(shí)，在珠海野貍島和香港虎山兩個(gè)參考站上架設(shè)無線電臺(tái)，發(fā)送傳統(tǒng)的差分信號(hào)，作為網(wǎng)絡(luò)RTK的一種輔助方式，為流動(dòng)站用戶提供常規(guī)RTK定位服務(wù)。該系統(tǒng)于2009年開工建設(shè)，2010年11月12日通過驗(yàn)收并投入運(yùn)行。目前，該系統(tǒng)已用于主體工程勘察、島隧工程施工及海中試樁工程施工中，系統(tǒng)運(yùn)行正常，定位精度可靠。

港珠澳大橋 GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(HZMB-CORS)是我國(guó)首個(gè)獨(dú)立的基于VRS的工程CORS，也是首個(gè)用于工程施工的跨境CORS。相對(duì)于國(guó)內(nèi)其他CORS系統(tǒng)而言［3-4］，該系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)成果如下。

1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，使用了先進(jìn)的儀器設(shè)備和參考站網(wǎng)系統(tǒng)軟件，其性能穩(wěn)定、可靠。網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度：平面優(yōu)于±2 cm，高程優(yōu)于±3 cm。系統(tǒng)的總體技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

2)采用高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法，并應(yīng)用精化大地水準(zhǔn)面模型，有效地提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位的高程精度。

3)建立了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站，研發(fā)了專門的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)精度和可靠性的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警等自動(dòng)化功能，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性能良好。

5)建立了基于HZMB-CORS參考站的工程坐標(biāo)基準(zhǔn)，確定了WGS-84坐標(biāo)系到1954北京坐標(biāo)系、橋梁工程坐標(biāo)系和隧道工程坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)定位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

圖3 HZMB-CORS系統(tǒng)參考站分布示意圖

三、港珠澳大橋測(cè)繪信息管理系統(tǒng)

近十余年來，一些工程建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行了測(cè)繪信息(管理)系統(tǒng)建設(shè)的嘗試，如杭州灣大橋、江蘇潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋工程建設(shè)中建立了測(cè)繪信息系統(tǒng)［5-6］。然而，這些系統(tǒng)多為單機(jī)版的(非網(wǎng)絡(luò)版)，且系統(tǒng)功能僅限于測(cè)繪數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢管理等最基本功能，缺少測(cè)量業(yè)務(wù)管理等功能。目前，國(guó)內(nèi)尚無具備測(cè)量管理功能的完整意義上的工程施工測(cè)繪信息管理系統(tǒng)。

港珠澳大橋主體工程建設(shè)期間不僅產(chǎn)生的測(cè)繪資料(信息)形式多樣、內(nèi)容豐富、信息量較大，而且參建單位多，施工測(cè)量協(xié)調(diào)管理難度大。為了提高施工測(cè)量管理的效率和質(zhì)量，測(cè)控中心負(fù)責(zé)建立了一個(gè)具備測(cè)繪信息管理、測(cè)量業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)、測(cè)量計(jì)算及統(tǒng)計(jì)分析功能的工程測(cè)繪信息管理系統(tǒng)——港珠澳大橋測(cè)繪信息管理系統(tǒng)(HZMB-SMIS)。

如圖4所示，HZMB-SMIS由五大功能模塊組成：信息管理模塊能夠安全、有序、集中地保存施工測(cè)量資料，使復(fù)雜、龐大的測(cè)量數(shù)據(jù)不丟失、不被閑置，實(shí)現(xiàn)測(cè)繪資料的信息化管理;查詢統(tǒng)計(jì)模塊用于對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)的及時(shí)分析和高效處理，輔以各類統(tǒng)計(jì)圖形、報(bào)表的可視化輸出，滿足工程使用的需要;電子公務(wù)模塊是對(duì)測(cè)量信息的傳遞、報(bào)送、抽查、審批等現(xiàn)實(shí)工作流程的信息化模擬，也是實(shí)現(xiàn)無紙化辦公的重要途徑;運(yùn)算分析模塊針對(duì)測(cè)量放樣、竣工檢測(cè)和變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，按照一定模型進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，以輔助管理者決策;系統(tǒng)管理模塊是系統(tǒng)角色權(quán)限指配、數(shù)據(jù)備份恢復(fù)、日志查詢等系統(tǒng)管理工作的工具，保證了系統(tǒng)的正常和安全運(yùn)行。

圖4 HZMB-SMIS的總體功能結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：基于工作流引擎的流程控制技術(shù)、基于 MVC(model view controller)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式和基于活動(dòng)目錄的用戶身份認(rèn)證系統(tǒng)。工作流引擎是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)繪信息管理的核心組成部分，它能根據(jù)系統(tǒng)的角色、分工和業(yè)務(wù)規(guī)則等決定測(cè)繪信息的傳遞路由，以及決定報(bào)驗(yàn)、抽檢、審批等業(yè)務(wù)的互操作解決方案。HZMB-SMIS的工作流引擎主要實(shí)現(xiàn)施工、監(jiān)理、測(cè)控中心管理等過程定義工具及工作流客戶調(diào)用功能，由解析加載模塊、流程執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)持久化模塊、安全模塊、事務(wù)管理模塊等組成。基于MVC模式具有功能耦合分離的特點(diǎn)，該系統(tǒng)在B/S體系結(jié)構(gòu)中引入了新的思想——MVC設(shè)計(jì)模式，以實(shí)現(xiàn)前端頁(yè)面顯示與后臺(tái)數(shù)據(jù)的分離。通過這種模式，可以開發(fā)出具有伸縮性、便于擴(kuò)展、便于整個(gè)流程維護(hù)的平臺(tái)?；顒?dòng)目錄(active directory)是一種分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)資源有關(guān)的信息，便于查詢和管理。活動(dòng)目錄中的每一個(gè)用戶對(duì)象都有一個(gè)訪問控制表(ACL)，在其中有資源列表及訪問權(quán)限。通過活動(dòng)目錄，本系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)資源的使用權(quán)限和網(wǎng)絡(luò)的安全性通過登錄身份驗(yàn)證以及目錄對(duì)象的訪問控制集成在一起，經(jīng)過授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)用戶可以訪問網(wǎng)絡(luò)指定位置的資源。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了港珠澳大橋主體工程正式開工前測(cè)控中心完成的三大測(cè)控關(guān)鍵技術(shù)，在工程建設(shè)全過程中還涉及諸多測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)難題，如沉管隧道沉放定位及水下對(duì)接測(cè)量，東、西人工島高程貫通測(cè)量及海中結(jié)構(gòu)物沉降監(jiān)測(cè)等，測(cè)控中心將配合施工單位開展相關(guān)課題研究，解決施工測(cè)量中的技術(shù)難題。

［1］ 潘國(guó)榮，劉紹堂，車建仁，等.橋梁工程測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展方向——以杭州灣跨海大橋?yàn)槔跩］.橋梁建設(shè)，2009(1)：33-36.

［2］ 朱鶴，葉云.GPS與重力測(cè)量在東海大橋高程控制測(cè)量中的應(yīng)用［J］.鐵道勘察，2005，31(3)：19-21.

［3］ 過靜珺，王麗，張鵬.國(guó)內(nèi)外連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)新進(jìn)展和應(yīng)用展望［J］.全球定位系統(tǒng)，2008(1)：1-10，35.

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［5］ 岳建平，劉軍.大型橋梁施工測(cè)量信息管理系統(tǒng)研制［J］.測(cè)繪通報(bào)，2004(8)：44-46.

［6］ 葛世超.大型橋梁施工測(cè)量信息管理系統(tǒng)中信息可視化的實(shí)現(xiàn)［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，18(4)：26-28.

Key Surveying Techniques of the Main Project Engineering of HongKong-Zhuhai-Macao Bridge

WU Dijun，XIONG Wei，YAO Jing

0494-0911(2012)09-0058-03

TU198.6

B

2011-09-14

吳迪軍(1964—)，男，湖南漣源人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事GPS應(yīng)用研究和工程測(cè)量技術(shù)管理工作。