吳迪軍

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

在公路橋梁橋面鋪裝或鐵路橋梁鋪軌施工階段以及橋梁運(yùn)營維護(hù)階段，需要在橋上進(jìn)行精密水準(zhǔn)測量。另外，有些工程也需通過公路、鐵路橋梁進(jìn)行水準(zhǔn)測量，實(shí)現(xiàn)江河兩岸高程基準(zhǔn)的連測貫通。例如，在港珠澳大橋主體橋梁貫通后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證跨海高程傳遞的精度，也為了大橋運(yùn)營維護(hù)管理的需要，在20余km的主體橋梁橋面上埋設(shè)了若干水準(zhǔn)點(diǎn)，按二等水準(zhǔn)測量精度進(jìn)行高程連測。受橋上車輛行駛、海洋潮汐波浪和風(fēng)力等各種外力因素的影響，橋梁始終處于或大或小的晃動之中，橋面上無法正常置平水準(zhǔn)儀及觀測讀數(shù)。因此，研究橋上水準(zhǔn)測量方法具有現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[1]介紹了使用光學(xué)水準(zhǔn)儀在鐵路橋上進(jìn)行精密水準(zhǔn)測量的試驗(yàn)。文獻(xiàn)[2]則指出:在晃動的公路大橋上，電子水準(zhǔn)儀無法進(jìn)行測量。一些測量技術(shù)人員也認(rèn)為，數(shù)字水準(zhǔn)儀的測量方式為自動觀測和自動記錄存儲讀數(shù)，無法在通行車輛的橋面上進(jìn)行正常測量，他們更習(xí)慣由熟練的測量員使用光學(xué)水準(zhǔn)儀進(jìn)行較低等級的橋上水準(zhǔn)測量。然而，從儀器構(gòu)造、測量原理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，數(shù)字水準(zhǔn)儀觀測讀數(shù)快、精度高，易于通過軟件實(shí)現(xiàn)觀測限差的現(xiàn)場檢算，便于克服和解決橋梁振動造成的讀數(shù)不穩(wěn)定問題，有利于提高觀測成果的精度[3-5]。楊新志對公路橋梁振動、光照等特殊影響條件下的水準(zhǔn)測量問題進(jìn)行了粗略探討[6]，提出了若干建議和措施，但沒有進(jìn)行系統(tǒng)而全面的研究和試驗(yàn)。

以港珠澳大橋海中橋梁橋面水準(zhǔn)測量項(xiàng)目為背景，重點(diǎn)研究基于數(shù)字水準(zhǔn)儀的橋上精密水準(zhǔn)測量方法，提出橋上精密水準(zhǔn)測量的解決方案，包括水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)、儀器測站和標(biāo)尺點(diǎn)選定、觀測方案及數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，并通過工程應(yīng)用實(shí)踐驗(yàn)證該方法的可行性和有效性。

1 數(shù)字水準(zhǔn)儀的測量誤差分析

數(shù)字水準(zhǔn)儀，又稱為電子水準(zhǔn)儀，是一種集光學(xué)、機(jī)械、電子、數(shù)字圖像處理和計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)于一體的高科技測繪儀器，具有測量精度高、速度快、操作簡便、人工干預(yù)少、勞動強(qiáng)度低、自動化程度高和內(nèi)外業(yè)一體化等顯著優(yōu)點(diǎn)[7]。自1990年面世以來，數(shù)字水準(zhǔn)儀已在測繪生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。目前，已基本上取代了傳統(tǒng)的光學(xué)水準(zhǔn)儀，成為各等級水準(zhǔn)測量的主要儀器。

數(shù)字水準(zhǔn)儀是在自動安平水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，儀器內(nèi)部安裝了CCD光學(xué)傳感器和數(shù)字圖像識別處理系統(tǒng)，依據(jù)圖像識別原理，將編碼尺的圖像信息與已存貯在儀器中的基準(zhǔn)信息進(jìn)行比較，從而獲得被測標(biāo)尺的讀數(shù)信息。按照文獻(xiàn)[8]的分析，使用數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行水準(zhǔn)測量的主要誤差來源可分為三類:與主機(jī)有關(guān)的誤差、與條碼尺有關(guān)的誤差及與條碼尺光電讀數(shù)有關(guān)的誤差。其中，大氣折光和i角誤差是影響電子水準(zhǔn)儀讀數(shù)精度的主要誤差[9]?？傮w而言，數(shù)字水準(zhǔn)儀的測量誤差比光學(xué)水準(zhǔn)儀更多、更復(fù)雜，實(shí)際工作中必須采取有效措施消除或削弱各種誤差對測量成果的不利影響。以下主要對數(shù)字水準(zhǔn)儀的光電誤差進(jìn)行分析，并提出消除或削弱誤差的技術(shù)措施。

1.1 i角誤差及其檢定

i角是指水準(zhǔn)儀視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)管水準(zhǔn)軸的夾角在豎直面上的投影。數(shù)字水準(zhǔn)儀的i角分為光學(xué)i角和電子i角，電子i角對數(shù)字水準(zhǔn)測量結(jié)果具有重要影響。外業(yè)測量中儀器振動、環(huán)境溫度、望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦和磁場都會引起i角的改變。因此，外業(yè)測量前，應(yīng)按儀器說明書的要求測定和設(shè)置電子i角，并在測量期間對殘余電子i角進(jìn)行定期檢定，殘余i角值應(yīng)在相應(yīng)等級規(guī)定的限差以內(nèi)。每天觀測作業(yè)前，應(yīng)提前將儀器取出，待儀器溫度與外界環(huán)境溫度相同時(shí)再進(jìn)行測量，以最大限度地消除溫度變化對i角的影響[10-12]。

1.2 補(bǔ)償器的剩余誤差

為消除補(bǔ)償器的剩余誤差，不管什么等級的水準(zhǔn)測量，均應(yīng)采用如下的測站觀測順序:奇數(shù)站觀測順序?yàn)椤昂?前-前-后”，偶數(shù)站為“前-后-后-前”。

1.3 條碼尺尺面不清晰

應(yīng)保持條碼尺清潔無劃痕。條碼尺上的污漬、雨滴和劃痕都會使數(shù)字水準(zhǔn)儀圖像傳感器接收到不正確的圖像，并可能產(chǎn)生較大的讀數(shù)偏差。

1.4 望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦不足或調(diào)焦過度

應(yīng)對準(zhǔn)條碼尺準(zhǔn)確調(diào)焦，以便圖像傳感器接收到清晰的編碼圖像。調(diào)焦不足或調(diào)焦過度都會引起測量時(shí)間延長，還有可能產(chǎn)生較大的系統(tǒng)偏差[13]。

1.5 條碼尺被遮擋

應(yīng)避免條碼尺被遮擋。條碼尺部分被遮擋可能會產(chǎn)生較大的讀數(shù)偏差。

1.6 使用條碼尺頂部或底部讀數(shù)的誤差

當(dāng)數(shù)字水準(zhǔn)儀照準(zhǔn)條碼尺頂部和底部時(shí)，圖像傳感器僅能收到條碼尺的部分圖像。相較于圖像傳感器的參考點(diǎn)，條碼尺的圖像信號是非對稱的。這種非對稱的圖像信號不利于消除圖像傳感器及望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)中的多項(xiàng)誤差，其結(jié)果會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)系統(tǒng)誤差甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤讀數(shù)。因此，應(yīng)避免使用條碼尺底部和頂部觀測讀數(shù)。

1.7 條碼尺亮度及其均勻性

條碼尺應(yīng)有足夠的亮度。在夜晚或光線較暗的地方使用數(shù)字水準(zhǔn)儀時(shí)，要對標(biāo)尺進(jìn)行均勻照明，單方向照明會導(dǎo)致測量結(jié)果中出現(xiàn)較大的系統(tǒng)誤差[8]。陳小歌等的研究表明，在黑暗條件下，有燈光輔助照明時(shí)數(shù)字水準(zhǔn)儀精度與白天測量精度基本一致。在黑暗條件下使用類似自然光的LED光源照明進(jìn)行數(shù)字水準(zhǔn)測量，可以達(dá)到二等水準(zhǔn)測量的精度要求[14]。岳建平等的研究表明:光照的均勻度對測量工作有一定的影響，當(dāng)標(biāo)尺的光照極不均勻時(shí)，儀器會中止測量[13]。

2 基于數(shù)字水準(zhǔn)儀的橋上精密水準(zhǔn)測量方法

2.1 水準(zhǔn)路線布設(shè)

(1)橋面水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在橋墩固定支座上方的梁端處，不宜設(shè)置在活動支座上，禁止設(shè)置在橋墩以外的橋梁上方。

(2)橋上水準(zhǔn)測量應(yīng)由往返觀測路線形成環(huán)環(huán)相扣的閉合環(huán)網(wǎng)。

(3)宜固定儀器測站點(diǎn)和立尺點(diǎn)位置并做臨時(shí)標(biāo)志，盡可能在橋墩正上方的梁端或路面上安置儀器，水準(zhǔn)尺可設(shè)置在橋墩正上方橋面上或者兩個(gè)橋墩的跨中處。

(4)考慮到橋梁振動和夜晚觀測時(shí)光照較弱等因素，應(yīng)適當(dāng)降低水準(zhǔn)測量的視線長度(儀器測站點(diǎn)與立尺點(diǎn)之間的距離)，以獲得最佳觀測效果。

2.2 數(shù)字水準(zhǔn)儀檢校

盡可能選擇精度等級較高的數(shù)字水準(zhǔn)儀，并按規(guī)范和儀器說明書的要求進(jìn)行計(jì)量檢定和常規(guī)檢校，重點(diǎn)檢查儀器i角誤差和補(bǔ)償誤差。

2.3 外業(yè)觀測

(1)適宜的觀測條件為:氣溫適中、氣流較為穩(wěn)定、無風(fēng)或微風(fēng)(一般不應(yīng)大于4級)、平潮期、無車通行的夜間或凌晨。

(2)應(yīng)選用具有外業(yè)觀測記錄存儲、計(jì)算和限差驗(yàn)算功能的觀測軟件，自動完成測站計(jì)算和限差驗(yàn)算并對超限測站觀測值進(jìn)行重新觀測。

(3)應(yīng)挑選操作熟練的觀測員進(jìn)行外業(yè)觀測，縮短觀測時(shí)間，有利于提高測量精度。

(4)夜晚觀測時(shí)，應(yīng)使用LED燈對條碼尺進(jìn)行照明并保證亮度均勻。

(5)應(yīng)保持前后標(biāo)尺視距相等，避免過度調(diào)焦或者調(diào)焦不足。

(6)一個(gè)測站的觀測順序:奇數(shù)站為“后-前-前-后”，偶數(shù)站為“前-后-后-前”。

2.4 限差驗(yàn)算

使用觀測軟件進(jìn)行外業(yè)觀測記錄和計(jì)算，并自動進(jìn)行測站觀測限差的驗(yàn)算，當(dāng)某項(xiàng)誤差超限或整個(gè)測站超限時(shí)儀器會報(bào)警，提示重新觀測。這種自動觀測和自動進(jìn)行限差驗(yàn)算的方法可以削弱或消除橋面晃動對觀測結(jié)果的不利影響，

3 實(shí)例分析

圖1為港珠澳大橋主體橋梁合龍貫通后的二等水準(zhǔn)測量路線圖。主體橋梁東連島隧工程的西人工島，西接珠澳口岸人工島，橋梁總長22.8 km，設(shè)3座通航孔，梁體結(jié)構(gòu)分為鋼箱梁和混凝土梁兩種結(jié)構(gòu)形式。橋梁貫通之前，通過海中測量平臺及已建橋墩，采用全站儀三角高程法進(jìn)行跨海高程傳遞，實(shí)現(xiàn)了全橋跨海高程的貫通[15]。主體橋梁合龍貫通后，使用數(shù)字水準(zhǔn)儀在橋面上進(jìn)行水準(zhǔn)測量，以實(shí)現(xiàn)大橋兩岸三地之間跨海高程的直接貫通，一方面可以檢驗(yàn)橋梁貫通前跨海高程傳遞測量成果的精度及其可靠性，另一方面，也可以為大橋運(yùn)營維護(hù)階段的橋面水準(zhǔn)測量積累成功的經(jīng)驗(yàn)。

圖1 港珠澳大橋主體橋梁橋上二等水準(zhǔn)測量路線

如圖1所示，在主體橋梁橋面上埋設(shè)41個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，自東至西依次為:QM01，QM02，…，QM40，QM41，相鄰水準(zhǔn)點(diǎn)的間距為500～700m。東端(QM01)與島隧工程的西人工島測量平臺控制點(diǎn)BM04連測；西端(QM41)與珠澳口岸人工島水準(zhǔn)點(diǎn)BQ02連測，然后通過2 km長的施工便橋連測至珠海陸域水準(zhǔn)點(diǎn)BM01、BM02，構(gòu)成BM01～BM05之間的附合水準(zhǔn)路線。此外，為了進(jìn)一步檢核橋面水準(zhǔn)測量的精度，自BM02，通過跨海水準(zhǔn)測量連測海中測量平臺控制點(diǎn)BM03，并閉合到橋面水準(zhǔn)點(diǎn)QM34，形成一個(gè)水準(zhǔn)閉合環(huán)。

使用DINI03數(shù)字水準(zhǔn)儀(標(biāo)稱精度:0.3 mm/km)，按國家二等水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求對主體橋梁及施工便橋進(jìn)行橋面水準(zhǔn)觀測，使用水準(zhǔn)儀自帶軟件進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)記錄、存儲和限差驗(yàn)算，對超限的測站立即進(jìn)行補(bǔ)測，直至測站成果符合規(guī)定限差要求時(shí)為止。主體橋梁橋面水準(zhǔn)往返觀測并構(gòu)成多個(gè)水準(zhǔn)閉合環(huán)，連續(xù)4～7個(gè)橋面水準(zhǔn)點(diǎn)(或沿橋面方向2～3 km長度)連測形成一個(gè)水準(zhǔn)閉合環(huán)，相鄰兩個(gè)閉合環(huán)之間重合2個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)(即重合一條水準(zhǔn)測段邊)?？紤]到海浪、風(fēng)力、橋面鋪裝施工、行車及氣溫等因素的影響，為提高外業(yè)測量成果的精度及合格率，橋面水準(zhǔn)測量全部選擇在夜間進(jìn)行。測量過程中發(fā)現(xiàn)，儀器到標(biāo)尺的視距長度會影響觀測讀數(shù)的反應(yīng)速度、精度及可靠性，一般而言，視距宜控制在40 m以內(nèi)，最大視距不應(yīng)超過50 m。海洋潮汐波浪及風(fēng)力也是影響測量精度和測量效率的重要因素，應(yīng)在風(fēng)力不大于4級、海浪沖擊造成的橋梁晃動較小的情況下進(jìn)行水準(zhǔn)觀測，車輛通過時(shí)應(yīng)停止觀測。

經(jīng)計(jì)算，附合水準(zhǔn)路線BM01-BQ01-BQ02-QM41-QM01-BM04的高差閉合差為2.1 mm，小于二等水準(zhǔn)閉合差的限差4 R=4× 28.2=21.5 mm，水準(zhǔn)閉合環(huán)BM01-BM02-BM03-QM34-QM41-BQ02-BQ01-BM01的高差閉合差為4.00 mm，小于二等限差13.58 mm(環(huán)線長度11.53 km)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證橋面水準(zhǔn)測量的精度及其可靠性，在橋面上選擇4處300～500 m的段落，按文獻(xiàn)[10]的方法進(jìn)行觀測。跨河水準(zhǔn)測量高差與橋面數(shù)字水準(zhǔn)測量高差的對比結(jié)果見表1，表1中“限差”按二等水準(zhǔn)測量檢測限差公式計(jì)算。

表1 數(shù)字水準(zhǔn)測量高差與跨海水準(zhǔn)測量高差比較

計(jì)算結(jié)果表明:數(shù)字水準(zhǔn)儀橋上測量成果可以達(dá)到國家二等水準(zhǔn)測量的精度要求。

4 結(jié)論

使用高精度的數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行橋上水準(zhǔn)測量，可達(dá)到國家二等水準(zhǔn)測量的精度。測量中應(yīng)注意如下事項(xiàng):

(1)橋面水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在橋墩正上方的橋梁或橋面上，水準(zhǔn)點(diǎn)間距為500～700 m，連續(xù)4～7個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)(路線長度2～3 km)組成水準(zhǔn)閉合環(huán)，相鄰兩個(gè)環(huán)之間有2個(gè)重疊水準(zhǔn)點(diǎn)。

(2)儀器宜安置在橋墩正上方的橋梁或橋面上，標(biāo)尺可安置在橋梁跨中或橋墩上方橋面上。

(3)水準(zhǔn)觀測應(yīng)在風(fēng)力不大于4級、橋梁晃動較小的夜間進(jìn)行，有車輛通過時(shí)停止觀測。夜間觀測時(shí)應(yīng)使用LED燈對標(biāo)尺進(jìn)行均勻照明。

(4)正式觀測前，應(yīng)按規(guī)范和儀器使用說明書的要求對儀器進(jìn)行檢校，正確存儲相關(guān)參數(shù)值。

(5)每個(gè)測站的視距長度不宜大于40 m，最大視距長度不應(yīng)大于50 m。

(6)與數(shù)字水準(zhǔn)儀配套的觀測軟件應(yīng)能自動進(jìn)行測站觀測限差的驗(yàn)算。