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        GNSS精密控制網(wǎng)在特大型橋梁施工監(jiān)測中的應(yīng)用
        ——以虎門二橋?yàn)槔?/h1>
        2019-11-12 02:10:34王曉明曾旭平馬鑫程楊紅辛明真王發(fā)省陽凡林
        全球定位系統(tǒng) 2019年5期
        關(guān)鍵詞:虎門點(diǎn)位基線

        王曉明,曾旭平,馬鑫程,楊紅,辛明真,王發(fā)省,陽凡林, 4

        (1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590;2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100088;3.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢),湖北 武漢 430070;4.海島(礁)測繪技術(shù)自然資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266590)

        0 引 言

        全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)定位技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于大型橋梁的施工控制測量,特別是平面控制網(wǎng)的測設(shè)中.廣東虎門二橋工程位于廣東省珠江三角洲地區(qū),工程起于廣州市番禺區(qū),訖于東莞市.其中過江通道由坭洲水道橋(主跨1200 m懸索橋)、大沙水道橋(主跨1688 m懸索橋)和引橋組成,過江通道全長7.680 km,建設(shè)規(guī)模宏大,技術(shù)復(fù)雜,總投資111.8億元,已于2019年4月建成通車,成為世界上跨徑最大的鋼箱梁懸索橋.

        特大型橋梁的首級控制網(wǎng)與其它一般工程控制網(wǎng)相比:控制網(wǎng)精度等級高;工程建設(shè)周期長,需要根據(jù)實(shí)際情況定期復(fù)測;控制網(wǎng)網(wǎng)形較差,往往呈狹長分布;控制點(diǎn)受現(xiàn)場施工影響較大.

        虎門二橋施工控制網(wǎng)分為首級網(wǎng)和接線網(wǎng).整個(gè)工程控制網(wǎng)除滿足布網(wǎng)要求外,同時(shí)為加密施工控制網(wǎng)等提供測量基準(zhǔn).大橋控制網(wǎng)主要為大橋施工的放樣和營運(yùn)期的變形監(jiān)測服務(wù),建網(wǎng)過程中充分考慮了控制網(wǎng)精度需要,同時(shí)考慮了測區(qū)內(nèi)不均勻沉降對控制點(diǎn)穩(wěn)定性的影響,以及測區(qū)的氣象、水文、地質(zhì)條件對確定建網(wǎng)時(shí)間和測量作業(yè)時(shí)間的影響.虎門二橋每年進(jìn)行定期的復(fù)測,分析點(diǎn)位的穩(wěn)定性,保證工程的順利施工.

        本文以虎門二橋工程為例,以8期測量成果為基礎(chǔ),介紹了基線解算、控制網(wǎng)平差的相關(guān)措施.對各期的測量成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),采用t檢驗(yàn)法對首級控制網(wǎng)復(fù)測成果比較分析,評定首級控制網(wǎng)點(diǎn)的穩(wěn)定性,為后續(xù)各期復(fù)測及其他類似工程提供參考和借鑒.

        1 GNSS控制測量與基線解算

        首級控制網(wǎng)由12個(gè)首級網(wǎng)點(diǎn)、GNSS站點(diǎn)組成.如圖1所示,首級平面控制網(wǎng)按公路二等GNSS網(wǎng)實(shí)施[1],具體觀測技術(shù)指標(biāo)如表1所示.GNSS控制網(wǎng)采用邊連式和網(wǎng)連式進(jìn)行連接,可以保證圖形強(qiáng)度,重復(fù)設(shè)站率大于等于4,每個(gè)時(shí)段觀測時(shí)間不少于4 h.

        圖1 虎門二橋首級平面控制網(wǎng)布網(wǎng)示意圖

        表1 虎門二橋首級控制網(wǎng)觀測技術(shù)指標(biāo)

        為滿足高精度跨海大橋控制網(wǎng)建立的需要,虎門二橋首級網(wǎng)基線解算采用GAMIT 10.40軟件進(jìn)行.不同的基線解算軟件,由于其采用的模型及數(shù)據(jù)處理方式等因素的不同,可能造成基線解算結(jié)果的系統(tǒng)性差異,因此,不同期的觀測網(wǎng)都采用同一基線解算軟件(同一版本)進(jìn)行處理[2].

        星歷衛(wèi)星軌道的精度是影響GNSS基線解算精度的重要因素之一,因此提高衛(wèi)星軌道的精度是保證GNSS相對定位精度的關(guān)鍵因素之一.該控制網(wǎng)的處理,采用國際GNSS服務(wù)(IGS)精密星歷,其軌道精度達(dá)到0.05 m.如控制網(wǎng)中的邊長為100 km,星歷對基線在最不利的情況下影響不超過0.2 mm[3].

        本控制網(wǎng)中基線均不超過100 km,因此采用BASELINE模式處理即可[4],不包含軌道或地球定向參數(shù),可固定IGS軌道.

        GAMIT軟件在數(shù)據(jù)處理時(shí),L文件包含所用測站的概略坐標(biāo)文件,概略坐標(biāo)的精度不能過低,否則會解算失敗[5],因此,GAMIT軟件需要多次解算,并將概略坐標(biāo)替換為精度更高的坐標(biāo).

        控制網(wǎng)解算模式選擇LC_HELP,但控制網(wǎng)中存在部分較短基線,因此,采用L1_ONLY解算一次[6],同時(shí)采用Trimble Geomatics Office(TGO)軟件解算,對短基線解算結(jié)果進(jìn)行比對,以保證短基線解算的正確性.

        測站坐標(biāo)約束是通過對一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)站的坐標(biāo)分量加以約束,為數(shù)據(jù)分析定義參考系統(tǒng).約束太緊導(dǎo)致基線分量誤差比站點(diǎn)坐標(biāo)約束還要大[4],選擇合理的約束條件直接影響到解算精度,本工程中對起算點(diǎn)以緊約束,其余點(diǎn)位松約束,并不斷更改約束條件,多次解算,取精度最高的解算結(jié)果.

        對每期基線解算質(zhì)量統(tǒng)計(jì),具體如下:各期GAMIT解算標(biāo)準(zhǔn)均方根(NRMS)統(tǒng)計(jì),如表2所示、各期最弱重復(fù)基線統(tǒng)計(jì),如表3所示.表2中,各期NRMS值均不大于0.32,均小于通常要求的0.5[6],因此各期基線解算合格.表3對各期的重復(fù)基線進(jìn)行統(tǒng)計(jì),8期測量中,重復(fù)基線最大互差為1.40 cm,小于相應(yīng)的1.52 cm的限差要求.表2、3表明,虎門二橋各期基線解算均滿足要求,保證了基線的正確性與可靠性.

        表2 虎門二橋各期NRMS統(tǒng)計(jì)

        表3 虎門二橋最弱重復(fù)基線統(tǒng)計(jì)

        為了確保大橋施工控制網(wǎng)的精度與可靠性,采用高精度測距邊對部分基線進(jìn)行檢核測距,如表4所示,最大較差為2.5 mm,測距時(shí)采用Leica TM30(0.5″)全站儀及配套棱鏡、氣象設(shè)備,觀測值經(jīng)加常數(shù)改正、乘常數(shù)改正、氣象改正等必要的數(shù)據(jù)處理.同時(shí)在大橋施工坐標(biāo)系平差時(shí)加入測距邊聯(lián)合平差,以提高精度.

        表4 全站儀測距邊長與GNSS邊長對比

        2 GNSS控制網(wǎng)平差

        平差軟件采用武漢大學(xué)GNSS中心研制的Poweradj4.0商業(yè)平差軟件.虎門二橋首級網(wǎng)三維無約束平差采用CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng),主要作用為大橋控制網(wǎng)的ITRF坐標(biāo)參考框架基準(zhǔn)傳遞;主橋施工坐標(biāo)系二維約束平差采用1980西安坐標(biāo)系統(tǒng),主要為跨江部分橋面及主塔施工服務(wù).

        首級網(wǎng)控制點(diǎn)HB01與昆明(KUNM)、上海(SHAO)及武漢(WUHN)等IGS跟蹤站聯(lián)測,獲取起算點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo),采用的三個(gè)跟蹤站均勻分布于測區(qū)周邊,具有較好的圖形結(jié)構(gòu),滿足控制網(wǎng)對起算點(diǎn)的需要.

        虎門二橋首級網(wǎng)CGCS2000坐標(biāo)系歷次三維最小約束平差結(jié)果最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差如表5所示,虎門二橋首級網(wǎng)大橋施工坐標(biāo)系歷次二維約束平差平差結(jié)果最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差如表6所示.

        表6中,各期最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為0.59 cm,小于0.80 cm的施工要求;表5中,二維約束平差最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為0.42 cm,小于相應(yīng)的0.80 cm的施工要求.各期最弱基線相對中誤差均小于1/150000,因此,虎門二橋各期網(wǎng)平差符合工程設(shè)計(jì)中的規(guī)范要求.

        表5 首級網(wǎng)CGCS2000坐標(biāo)系歷次三維最小約束平差結(jié)果最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差統(tǒng)計(jì)

        表6 首級網(wǎng)大橋施工坐標(biāo)系歷次二維約束平差結(jié)果最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差統(tǒng)計(jì)

        3 控制網(wǎng)穩(wěn)定性分析

        對八期主橋施工坐標(biāo)系測量成果統(tǒng)計(jì),各期成果坐標(biāo)(x方向)較差如圖2所示、y方向較差如圖3所示.

        圖2 各期成果坐標(biāo)較差(x方向)

        圖3 各期成果坐標(biāo)較差(y方向)

        2)做統(tǒng)計(jì)量:

        F檢驗(yàn)通過后,t檢驗(yàn)的具體步驟如下:

        1)H0:ξd=ξ2-ξ1=0,H1:ξd≠0.

        檢驗(yàn)的原假設(shè)H0是ξ2=ξ1,即該點(diǎn)坐標(biāo)理論值兩期相同,自然無位移存在.如果拒絕原假設(shè),則接受備擇假設(shè)H1,認(rèn)為位移存在.

        2)作統(tǒng)計(jì)量t,當(dāng)原假設(shè)H0成立時(shí),則

        虎門二橋共觀測8期,對第7、8兩期的數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn).

        首先作F檢驗(yàn),

        選定α=0.05,兩期的自由度分別為98、110,查F分布表得F0.025(98,110)=1.47,F

        進(jìn)行t檢驗(yàn)時(shí),t的自由度為208,α分別取0.01、0.05、0.1、0.2.檢驗(yàn)結(jié)果如表7所示.

        表7 取不同α檢驗(yàn)結(jié)果

        由表7可以看出,選擇不同的α進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí),得到的結(jié)果并不相同,但α在一定范圍內(nèi)變化時(shí),點(diǎn)位穩(wěn)定性的判斷可能會相同,當(dāng).α取0.05、0.1、0.2時(shí),得到的結(jié)果是相同的.

        對虎門二橋的大地高統(tǒng)計(jì)如圖4所示.

        圖4 各期成果大地高變化

        點(diǎn)位穩(wěn)定性分析表明:

        平面穩(wěn)定性:HB03、HB07位于橋軸線,在第7期時(shí),HB03點(diǎn)位穩(wěn)定,變化較小,受施工影響,HB07點(diǎn)位變動較大;HB01、HB08、HB09位于垂直橋軸線,HB01、HB09變化較大.

        高程穩(wěn)定性:共統(tǒng)計(jì)5點(diǎn),大地高變化較小,點(diǎn)位最大沉降HB08為12.6 cm.

        工程建設(shè)后期,部分點(diǎn)位受到施工影響,因此,第7期點(diǎn)位變動較大.除第7期的部分點(diǎn)位,在工程后期,均可認(rèn)為點(diǎn)位穩(wěn)定,因此,可認(rèn)為點(diǎn)位穩(wěn)定條件較好,絕大多數(shù)點(diǎn)位移較小,保證了工程建設(shè)的順利進(jìn)行.

        4 結(jié)束語

        本文以虎門二橋工程為例,介紹了GNSS定位技術(shù)在特大橋梁中的具體應(yīng)用,通過采用多種技術(shù)手段提高控制網(wǎng)精度.對各期精度的統(tǒng)計(jì),表明各期測量均達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);通過采用t檢驗(yàn)法進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn),結(jié)果表明虎門二橋首級控制網(wǎng)整體較為穩(wěn)定,點(diǎn)位變化較小.該分析結(jié)果對后續(xù)監(jiān)測工作和施工具有重要的指導(dǎo)意義.

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