孫亞廷（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100）

GPS在濟(jì)南某路橋工程監(jiān)測中的應(yīng)用

孫亞廷
（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100）

【摘 要】GPS(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于導(dǎo)航、定位等系統(tǒng)中，尤其在控制測量中起了劃時(shí)代的作用。由于GPS在靜態(tài)相對定位中的高精度、高效益、全天候、不需通視等特點(diǎn)，使其逐漸代替了常規(guī)的三角、三邊、邊角等測量方法。新建路橋投入運(yùn)營后，采用GPS對其變形情況進(jìn)行監(jiān)測，為運(yùn)營管理單位及監(jiān)理提供有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文對GPS在濟(jì)南某路橋工程監(jiān)測中的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行了探索實(shí)踐，提出利用GPS技術(shù)進(jìn)行工程監(jiān)測的新思路。

【關(guān)鍵詞】GPS；GPS靜態(tài)定位；監(jiān)測；數(shù)據(jù)處理

1　路橋基本情況

1.1 路橋概述

該路橋位于某規(guī)劃道路上，跨越一東西走向的河道，規(guī)劃路寬度為50m，斷面組成為7.5m慢行一體+15m車行道+5m綠化帶(BRT預(yù)留)+15m車行道+7.5m慢行一體。工程位置為一座現(xiàn)狀橋梁，寬24m，長50m，橋梁結(jié)構(gòu)形式為鋼架拱橋，主跨徑為30m，監(jiān)測實(shí)施時(shí)該橋?qū)⑷坎鸪?。橋位處河道，斷面形式為?fù)式河槽，主河槽寬60m，南側(cè)副河槽寬20m，北岸為南水北調(diào)輸水暗涵側(cè)墻。橋梁結(jié)構(gòu)型式為上承式鋼管砼桁架拱橋，主拱跨徑布置為單跨60m，梁長70m。該橋?yàn)檎龢颍瑯驅(qū)挒?1m，結(jié)構(gòu)分兩幅，每幅25.5m，兩幅橋之間設(shè)縱縫2cm。橋面機(jī)、非混行車道40m，人行道寬度5.5m。

1.2 路橋結(jié)構(gòu)

1.2.1 橋梁總體設(shè)計(jì)

該路橋長70m，為凈跨徑60m上承式鋼管砼拱橋，矢跨比為1/8，拱軸線采用圓弧拱軸線。

設(shè)計(jì)車速：50km/h；汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路-Ⅰ級(jí)；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年；設(shè)計(jì)安全等級(jí)：二級(jí)；環(huán)境類別：按Ⅰ類環(huán)境進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)；人行道荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：3.5kPa的均布荷載；地震烈度：Ⅵ度；橋?qū)挘簡畏鶚驑驅(qū)?5.5m，兩幅橋之間縱縫寬度2cm，機(jī)、非混行車道寬40m，人行道寬5.5m。橋面機(jī)、非混行車道橫坡1.5%，人行道橫坡1.5%；橋梁縱坡：橋面高點(diǎn)位于橋跨中心線，兩側(cè)縱坡均為2.193%，豎曲線半徑R=1 000m。防洪標(biāo)準(zhǔn)：百年一遇洪水位25.17m，河底規(guī)劃標(biāo)高18.62m，水景常水位雨季20.0m，旱季22.0m。橋下凈空：考慮游船通行，河道水深不低于1m，單向通航孔凈寬18m，側(cè)高不小于4.1m。根據(jù)橋梁規(guī)范要求，梁底標(biāo)高高出百年一遇防洪水位0.5m；支座墊石頂面高出0.25m。

1.2.2 上部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)為上承式鋼管砼拱橋，主拱直徑為100cm鋼管，壁厚為16mm和20mm兩種，砼為C50微膨脹砼，單幅橋設(shè)置4根鋼管拱肋，拱肋之間設(shè)置直徑70cm鋼管橫向聯(lián)系；橋面系為鋼箱疊合梁，其中鋼箱高度為40cm，砼為C40砼厚度為25cm，鋼混結(jié)合面設(shè)置剪力鍵；主拱與橋面系之間采用空間鋼管斜桿支撐，斜桿直徑為70cm。

1.2.3 下部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

橋臺(tái)采用鋼筋砼箱式橋臺(tái)，橋臺(tái)基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，基底持力層為強(qiáng)風(fēng)化輝長巖，拱腳水平推力以基底摩擦力平衡，臺(tái)后土壓力作為安全儲(chǔ)備，基礎(chǔ)寬度為14m，橫向與橋梁同寬，半幅橋?yàn)?5.5m。

1.2.4 材料的選用

(1) 混凝土材料。

混凝土原材料的選用與混凝土的水灰比等主要配比參數(shù)滿足相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，使混凝土具有良好的抗侵入性、體積穩(wěn)定性和抗裂性。

本工程混凝土實(shí)際強(qiáng)度等級(jí)為：鋼管砼拱圈C50，鋼箱疊合梁C40，橋臺(tái)、基礎(chǔ)等采用C30，均滿足耐久性設(shè)計(jì)要求，施工材料配合比設(shè)計(jì)也滿足以上規(guī)范要求。

(2) 鋼材。

采用R235、HRB335級(jí)鋼筋，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)符合GB13013-1991《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》、GB1499-1998《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》要求。

2　靜態(tài)GPS定位原理

衛(wèi)星定位的基本原理：應(yīng)用空間的人造衛(wèi)星作為參照點(diǎn)，確定一個(gè)物體的空間位置。其實(shí)質(zhì)就是空間距離后方交會(huì)(見圖1)。靜態(tài)GPS相對定位的參考點(diǎn)一般選擇地面上的固定點(diǎn)，相對定位就是利用多臺(tái)GPS接收機(jī)，分別安放在不同的觀測點(diǎn)上，并同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定觀測點(diǎn)在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對位置及基線向量。

圖1　GPS定位原理示意圖

GPS定位系統(tǒng)的組成：空間部分、地面部分、用戶部分?？臻g部分是指GPS衛(wèi)星，主要提供系統(tǒng)自主導(dǎo)航衛(wèi)星定位服務(wù)所必須的無線電導(dǎo)航定位信號(hào)。地面部分主要有：衛(wèi)星監(jiān)測站、主控站和信息注入站，其主要功能是衛(wèi)星控制和任務(wù)控制，衛(wèi)星控制是指使用遙測遙控鏈路上傳監(jiān)控對衛(wèi)星星座進(jìn)行管理；任務(wù)控制是指全面對軌道確認(rèn)和時(shí)鐘同步等導(dǎo)航任務(wù)進(jìn)行控制和管理，也包括完備性信息的確定和發(fā)布過程進(jìn)行監(jiān)控。用戶部分指有一系列的GPS信息接收機(jī)終端構(gòu)成用于接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)，獲取必要的定位信息和觀測信息，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理以完成各種定位和授時(shí)服務(wù)。

3　GPS監(jiān)測的實(shí)施

3.1 GPS監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)

該路橋GPS監(jiān)測網(wǎng)于2013年7月26日布設(shè)，全網(wǎng)共包括4個(gè)GPS點(diǎn)，大橋上共布設(shè)2監(jiān)測個(gè)點(diǎn)，其分別是：大橋中部西邊點(diǎn)名為DQWE, 大橋中部東邊點(diǎn)名為DQEA；大橋南布設(shè)一點(diǎn)，點(diǎn)名為DQSO；大橋西河道北岸上布設(shè)一點(diǎn)，點(diǎn)名為DQCK。觀測基線6條，三邊同步環(huán)為4個(gè)，基線平均邊長為93.5m。GPS網(wǎng)形見圖2。

3.2 GPS觀測

觀測時(shí)間為2013年7月30日6時(shí)至20時(shí)，歷時(shí)14h；觀測采用5臺(tái)南方靈銳82雙頻GPS接收機(jī)(標(biāo)稱精度為5mm+1ppm)連續(xù)觀測，衛(wèi)星高度角＞15°，有效衛(wèi)星數(shù)＞5顆，數(shù)據(jù)采樣間隔為15s，幾何圖形強(qiáng)度PDOP≤6。嚴(yán)格對中整平儀器，對中精度＜1mm。觀測前后使用專用GPS量高尺及普通鋼尺各量取儀器高兩次至1mm，各標(biāo)尺兩次量測較差均＜3mm時(shí)分別取中數(shù)，最后兩尺測量較差＜3mm時(shí)取中數(shù)作為該站最終站高。觀測中定時(shí)查看測站信息，采集歷元數(shù)、數(shù)據(jù)記錄信號(hào)燈狀態(tài)等信息，以確保設(shè)備工作狀態(tài)正常，出現(xiàn)問題及時(shí)處理。

3.3 GPS數(shù)據(jù)處理

本GPS監(jiān)測網(wǎng)基線預(yù)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核、GPS網(wǎng)平差均采用隨機(jī)平差軟件，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。數(shù)據(jù)處理按照每小時(shí)為一個(gè)觀測時(shí)段，將連續(xù)觀測數(shù)據(jù)劃分為14個(gè)單元，GPS監(jiān)測網(wǎng)按照二等GPS平差計(jì)算，高程為擬合高程。

3.3.1 基線處理

基線解算在WGS84坐標(biāo)系下以同步觀測時(shí)段為單位，采用廣播星歷按單基線雙差固定解進(jìn)行解算。通過刪除質(zhì)量不好的衛(wèi)星數(shù)據(jù)、選擇不同誤差改正模型等方法進(jìn)行人工干預(yù)解算基線。

3.3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核與平差

主要檢核數(shù)據(jù)為基線與同步環(huán)，基線相對精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

圖2　GPS監(jiān)測網(wǎng)圖

表1　三邊同步環(huán)驗(yàn)算及平差后基線相對精度統(tǒng)計(jì)

(1) 相鄰點(diǎn)間基線長度精度用下式表示。式中：σ——標(biāo)準(zhǔn)差(基線向量的弦長中誤差，mm)；

a ——固定誤差，取10mm；

b ——比例誤差系數(shù)，取1；

d ——相鄰點(diǎn)間距離(km)。

(2) 同一時(shí)段觀測值的數(shù)據(jù)剔出率，其值＜10%。

(3) 同步環(huán)閉合差為:

3.3.3 坐標(biāo)成果

約束平差，假定DQCK監(jiān)測點(diǎn)為已知點(diǎn)，坐標(biāo)為：X =4 062 000，Y =495 000，H =29.000。平差計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　坐標(biāo)平差成果

3.4 精度統(tǒng)計(jì)與分析

3.4.1 位置變化統(tǒng)計(jì)

各觀測時(shí)段的觀測點(diǎn)平面及高程與第一時(shí)段對應(yīng)點(diǎn)的平面及高程較差統(tǒng)計(jì)，見表3、表4。

3.4.2 平面坐標(biāo)隨時(shí)間變化分布統(tǒng)計(jì)

4個(gè)GPS監(jiān)測點(diǎn)以橋西河道北岸DQCK為基準(zhǔn)點(diǎn)，DQEA、DQWE、DQSO3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)各觀測時(shí)段的位置相對其第一個(gè)時(shí)段的變化量用折線圖表示，見圖3。

表3　各監(jiān)測點(diǎn)平面位置相對其第一時(shí)段變化量(mm)

表4　各監(jiān)測點(diǎn)高程相對其第一時(shí)段變化量(mm)

3.4.3 高程隨時(shí)間變化分布統(tǒng)計(jì)

4個(gè)GPS監(jiān)測點(diǎn)以橋西河道北岸DQCK為基準(zhǔn)點(diǎn)，DQEA、DQWE、DQSO3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)各觀測時(shí)段的高程相對其第一個(gè)時(shí)段高程值的變化量用折線圖表示，見圖4。

3.4.4 車流量統(tǒng)計(jì)

在GPS觀測過程中，制定專人進(jìn)行各時(shí)段車輛統(tǒng)計(jì)，橋上的車流量詳見表5。

圖3　監(jiān)測點(diǎn)平面位置變化分布

圖4　監(jiān)測點(diǎn)高程變化分布

4　結(jié)語

利用GPS手段對工程變形(形變)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，這一監(jiān)測方式，可以解決同一變形體，由于受陽光、風(fēng)力、外界因素干擾(如大橋上行駛的車輛對大橋的影響)等，在某一時(shí)刻，它們之間最或然的相對關(guān)系(相對位移及擾度等)及它們相對于參考基準(zhǔn)點(diǎn)的絕對位移。分析它們各項(xiàng)因子對變形體影響的顯著性，為工程及設(shè)計(jì)，運(yùn)營管理單位提供最可靠、最直觀的數(shù)據(jù)分析資料。

表5　車流量調(diào)查表(輛)

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉經(jīng)南.GPS網(wǎng)的布設(shè)與數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢測繪科技大學(xué)出版社,1995.

[2]徐紹銓.GPS測量原理及應(yīng)用[M].武漢:武漢測繪科技大學(xué)出版社,2000.

【收稿日期】2014-10-31

【文章編號(hào)】1007-9386(2015)04-0056-04

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【中圖分類號(hào)】U448.14;P228.4