吳科廉,張紅寧

（江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司,江西 南昌 330100）

0 引言

大型橋梁的平面移位檢測(cè)通常采用GNSS測(cè)準(zhǔn)技術(shù)，垂直移位檢測(cè)多采取GPS 跨水高程檢測(cè)，但GPS 方法易受氣象變化、大氣折光、跨水距離、兩岸地表高差、衛(wèi)星誤差、參考橢球面與大地水準(zhǔn)面不平行等因素的影響，而發(fā)生檢測(cè)精度不符合要求的情況。案例是一座大型橋梁，兩岸距離較遠(yuǎn)，在橋梁移位檢測(cè)項(xiàng)目中，基于移位測(cè)準(zhǔn)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)采取了全站儀自由測(cè)站跨水對(duì)向長(zhǎng)距離三角高程測(cè)量方法，較好保證了橋梁形變長(zhǎng)距離跨水檢測(cè)質(zhì)量要求。基于案例應(yīng)用，這里介紹相關(guān)知識(shí)和技術(shù)要點(diǎn)，并通過(guò)檢測(cè)實(shí)例，驗(yàn)證顯示了新方法的跨水長(zhǎng)距離檢測(cè)的有效性。

1 橋梁移位測(cè)準(zhǔn)網(wǎng)檢測(cè)方法

1.1 平面移位測(cè)準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量

（1）平面移位測(cè)準(zhǔn)指標(biāo)。平面基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量精度要求如果過(guò)高，會(huì)增加測(cè)量用時(shí)和操作的復(fù)雜度，不利于成本控制，有時(shí)也會(huì)影響橋梁形變狀態(tài)分析，導(dǎo)致錯(cuò)誤分析結(jié)論。而精度要求過(guò)低，也會(huì)增大觀測(cè)誤差，導(dǎo)致錯(cuò)誤分析結(jié)論。特大橋的平面移位測(cè)準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行GNSS 測(cè)量時(shí)，多采取相對(duì)靜態(tài)定位方法。鋼筋混凝土特大橋的水平移位檢測(cè)需要達(dá)到毫米級(jí)精度要求，其平面基準(zhǔn)網(wǎng)精度一般要求為二等。

（2）基線(xiàn)解算與網(wǎng)平差。在完成外業(yè)觀測(cè)后，即可進(jìn)行基線(xiàn)解算。出于檢測(cè)精度的要求，在跨水測(cè)點(diǎn)間距＞20 km時(shí)，基線(xiàn)解算應(yīng)采用精密星歷?；€(xiàn)解算符合要求后，計(jì)算網(wǎng)平差，網(wǎng)平差須滿(mǎn)足測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，作為平面移位檢測(cè)的起算數(shù)據(jù)，為平面移位檢測(cè)網(wǎng)提供起算基準(zhǔn)。

1.2 垂直移位測(cè)準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量

1.2.1 跨水GPS 高程測(cè)量

（1）跨水高程GPS 測(cè)量線(xiàn)。在確定跨水GPS 高程測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)盡可能避開(kāi)具有松軟土壤和強(qiáng)磁性的地段以及交通往來(lái)頻繁的區(qū)域，選擇靠近岸邊的水準(zhǔn)線(xiàn)路。在地形較為平緩的區(qū)域，可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置跨水測(cè)量點(diǎn)。

（2）跨水GPS 高程測(cè)量要求。跨水GPS 高程測(cè)量須滿(mǎn)足網(wǎng)平差和基線(xiàn)解算的規(guī)范要求，兩岸測(cè)點(diǎn)之間，不同時(shí)段內(nèi)對(duì)向高差中數(shù)差異不應(yīng)超過(guò)限制值，該限制值計(jì)算公式：

式中，MΔ——相應(yīng)測(cè)量等級(jí)每公里的偶然誤差的限值（mm）；N——測(cè)量時(shí)段數(shù)；S——跨水通視測(cè)量距離（km）。兩岸測(cè)點(diǎn)高差計(jì)算，兩岸高程差異率（αAB、αCD）應(yīng)符合表1 規(guī)范[1]。

表1 跨水GPS 測(cè)量?jī)砂陡叱滩町惵师?值的二等限差標(biāo)準(zhǔn) （m/km）

（3）跨水GPS 高程測(cè)量。通過(guò)靜態(tài)GPS 測(cè)量以及網(wǎng)平差的處理，能夠獲得各測(cè)量點(diǎn)間的大地高程差，在跨水測(cè)點(diǎn)和同岸測(cè)點(diǎn)之間，可以通過(guò)精密水準(zhǔn)測(cè)量獲取水準(zhǔn)高差，并利用正常高h(yuǎn)與大地高H之間的關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算：

式中，ξ——異常值。由此可以獲得跨水測(cè)點(diǎn)與同岸測(cè)點(diǎn)之間的高程異常值，其異常變化率（αAB）可以通過(guò)下述公式計(jì)算：

式中，ξAB——跨水測(cè)點(diǎn)與同岸測(cè)點(diǎn)之間的高程異常值；SAB——跨水測(cè)點(diǎn)與同岸測(cè)點(diǎn)之間。

根據(jù)公式（2）與（3）可得到跨水測(cè)點(diǎn)與同岸測(cè)點(diǎn)之間的高程差異率αAB和αCD，取二者平均值作跨水測(cè)點(diǎn)B和C的高程異常差異率，再借助下述公式獲得兩點(diǎn)間水準(zhǔn)高差。

式中，hBC——跨水測(cè)點(diǎn)B與C之間的大地高差，通常以m 為單位；SBC——測(cè)點(diǎn)B與C的水平距離，通常以km 為單位。

1.2.2 跨水精密三角高程測(cè)量

（1）全站儀自由位跨水對(duì)向同時(shí)三角高程測(cè)量方法。該測(cè)量方案如圖1 所示，兩岸各設(shè)置高程測(cè)點(diǎn)2 個(gè)，形成A1、A2、B1、B2共計(jì)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)。這些點(diǎn)配有調(diào)平裝置和高度已知固定的特制精密棱鏡基座。2 臺(tái)智能全站儀（Z1、Z2），每岸使用1 臺(tái)，調(diào)平后即可針對(duì)4 個(gè)跨水測(cè)點(diǎn)實(shí)施測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。自動(dòng)化測(cè)量，最大程度避免人為操作的誤差影響。同時(shí)對(duì)向測(cè)量，兩岸可以?xún)x器對(duì)調(diào)，重復(fù)進(jìn)行測(cè)量。完成外業(yè)測(cè)量后，數(shù)據(jù)經(jīng)處理，即可獲得任意2 個(gè)跨水點(diǎn)之間的高程及差值[2]。

圖1 跨水對(duì)向三角高程測(cè)量原理

研究顯示，跨水測(cè)量距離超過(guò)500 m，高程測(cè)量精度須不低于二等水準(zhǔn)，該跨水三角高程測(cè)量方法適用于200～2 500 m 測(cè)距的跨水高程測(cè)量。

兩岸測(cè)點(diǎn)的高差取2 臺(tái)全站儀測(cè)量值的均值，如此取值利于消除大氣、地球曲率以及儀器高的測(cè)量影響。特制基座的高程已知固定，利于消除棱鏡高差造成的測(cè)點(diǎn)高程測(cè)量誤差，但如果跨水測(cè)量距離過(guò)遠(yuǎn)，而特制基座又高程過(guò)低，可能導(dǎo)致無(wú)法遠(yuǎn)距離觀測(cè)?？梢栽趦砂稖y(cè)點(diǎn)上方，采取棱鏡基座支架擺放的方法，提高棱鏡基座高度，滿(mǎn)足測(cè)量要求。

圖中Z1為棱鏡與特制基座間的高差，Z2為特制基座定高。則跨水任意2 個(gè)測(cè)點(diǎn)間的高差hAiBj(i,j=1,2)可由下述公式精確獲得。

式中，V——垂角；S——斜距。

同岸測(cè)點(diǎn)間的高差可采取二級(jí)精密水準(zhǔn)測(cè)定。4 個(gè)測(cè)點(diǎn)跨水組成一個(gè)平面4 邊形，2 條同岸水準(zhǔn)線(xiàn)和4 條跨水邊構(gòu)成了多個(gè)閉合環(huán)，形成較多的核檢條件。獨(dú)立閉合環(huán)高程限差應(yīng)符合國(guó)家一、二級(jí)測(cè)量水準(zhǔn)的要求。

（2）全站儀跨水長(zhǎng)距離三角高程測(cè)量方法。全站儀三角測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成熟，可在≤2 km 的跨水高程觀測(cè)中廣泛應(yīng)用，但如果超過(guò)2 km，受自動(dòng)照準(zhǔn)測(cè)程和氣候條件變化的影響較大，大氣垂直折光和照準(zhǔn)誤差影響相對(duì)突出，所以需要對(duì)超過(guò)2 km 的跨水測(cè)距或具有其他特殊需求的場(chǎng)景，應(yīng)給予技術(shù)設(shè)計(jì)。

2 索塔間高精度高程傳遞方法

2.1 塔間高差三角高程測(cè)量方法

案例斜索橋主橋6 塔5 跨，每跨度428.00 m。橋面在運(yùn)營(yíng)期受到橋型、潮汐、風(fēng)力以及車(chē)輛載荷等影響，經(jīng)常處于晃動(dòng)狀態(tài)，在主橋面實(shí)施二等水準(zhǔn)測(cè)量幾乎不可能。索塔區(qū)域的橋面下方，均設(shè)有X 形托架作業(yè)平臺(tái)，以支撐和穩(wěn)定鋼體箱。托架作業(yè)平臺(tái)位處橋面以下約7.00 m 的位置，穩(wěn)定性較好，并且相鄰索塔的托平臺(tái)間能夠通視。

索塔間三角高程聯(lián)測(cè)網(wǎng)設(shè)置A2、A3、B1、B4為跨水高程檢測(cè)的4 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，采取強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志，包括預(yù)設(shè)件、徠卡精密棱鏡和棱鏡桿，無(wú)需量測(cè)棱鏡高，不會(huì)出現(xiàn)棱鏡對(duì)中誤差。智能型全站儀2 臺(tái)，在相鄰的2 個(gè)作業(yè)平臺(tái)分別設(shè)站。經(jīng)過(guò)調(diào)平后，對(duì)跨水4 個(gè)高程點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行天頂距和斜距測(cè)量。同一操作平臺(tái)，高程點(diǎn)高差采用中間法三角高程或二等水準(zhǔn)測(cè)量。因?yàn)榭缢嚯x在428.00 m 左右，按照二等水準(zhǔn)測(cè)量，需測(cè)量＞2 個(gè)時(shí)段，并且2 個(gè)時(shí)段內(nèi)雙測(cè)回的最大高差與最小高差的偏差應(yīng)低于一個(gè)限值，限值計(jì)算公式如下：

式中，N——測(cè)回?cái)?shù)；S——跨水通視長(zhǎng)度（km）；MΔ——相應(yīng)測(cè)量等級(jí)每公里的偶然誤差的限值（mm）。四個(gè)跨水檢測(cè)高程點(diǎn)構(gòu)成的四邊形中，獨(dú)立閉合環(huán)同時(shí)段高差的閉合差須低于限值，該限值由公式（7）計(jì)算：

式中，S——跨水通視距離（km）；MW——相應(yīng)測(cè)量等級(jí)每公里的偶然誤差的限值（mm）[3]。

2.2 塔間高差三角高程測(cè)量數(shù)據(jù)分析

根據(jù)國(guó)家測(cè)量水準(zhǔn)要求，進(jìn)行外業(yè)二等檢測(cè)時(shí)，需要測(cè)量2個(gè)時(shí)段，以獲得符合規(guī)程要求的跨水高程點(diǎn)高差。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，兩個(gè)塔柱跨水高程點(diǎn)間的高差最大值與最小值的差異見(jiàn)表2。此外，由該特大橋四個(gè)跨水高程點(diǎn)組成的大地四邊形中，三個(gè)獨(dú)立閉合環(huán)各時(shí)段高差閉合差也在表3 中進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

表2 跨水測(cè)量的雙測(cè)回測(cè)量高差統(tǒng)計(jì)

表3 兩時(shí)段跨水測(cè)量獲得的高差閉合差

根據(jù)表2 和表3，可以得知，主橋索塔之間跨過(guò)河流的高程點(diǎn)在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)的雙測(cè)回高差最大值和最小值之間的誤差，以及跨水測(cè)段的高差閉合誤差均符合國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范中的二等精度要求。因此，可以看出，采用研究介紹的全站儀自由測(cè)站同時(shí)對(duì)向間接高差測(cè)量方法來(lái)傳遞主橋索塔之間的高程具有高精度，并且滿(mǎn)足相應(yīng)的規(guī)范要求。

3 工程實(shí)例與檢測(cè)精度分析

3.1 高程點(diǎn)及跨水線(xiàn)路設(shè)計(jì)

南北引橋面采取二級(jí)檢測(cè)水準(zhǔn)，主橋與引橋間采取中間法精密三角高程實(shí)施聯(lián)測(cè)，索塔間高程傳導(dǎo)則采取兩岸高程基準(zhǔn)網(wǎng)聯(lián)合檢測(cè)方法。在橋體合適的區(qū)域配置跨水測(cè)量高程點(diǎn)，引橋橋面水準(zhǔn)檢測(cè)，可以同時(shí)檢測(cè)引橋垂向移位檢測(cè)點(diǎn)，高程點(diǎn)均采取對(duì)中強(qiáng)制標(biāo)志，并且主索塔垂直移位測(cè)量點(diǎn)與跨水高程測(cè)量點(diǎn)允許共點(diǎn)。

3.2 跨水高程檢測(cè)的精度分析

利用GPS 技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)設(shè)置N1、B1分別代表所選檢測(cè)高程點(diǎn)，其距離約為8.00 km。BM01 和BM02為兩岸基巖的水準(zhǔn)點(diǎn)，N2、N3、B2、B3是兩岸非跨水檢測(cè)高程點(diǎn)。

采取跨水高程測(cè)量和GPS 跨水高程測(cè)量，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。兩種檢測(cè)方法下的高差附合差結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4 所示。

表4 兩種檢測(cè)方法下的高差附合差結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表4數(shù)據(jù)顯示，結(jié)合引橋面二級(jí)水準(zhǔn)檢測(cè)與主橋精密三角高程檢測(cè)的兩岸高程基準(zhǔn)網(wǎng)檢測(cè)結(jié)果與跨水高程GPS 測(cè)量的高差附合差相近，并滿(mǎn)足二等水準(zhǔn)精度要求，顯示跨水高程基準(zhǔn)網(wǎng)檢測(cè)方法的高程貫通檢測(cè)的可行性。此外，基準(zhǔn)網(wǎng)聯(lián)測(cè)可同時(shí)對(duì)主橋、引橋的垂直移位監(jiān)測(cè)點(diǎn)給予測(cè)量，有效提高了檢測(cè)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了橋梁移位測(cè)準(zhǔn)網(wǎng)檢測(cè)方法相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)，介紹了案例工程基于移位測(cè)準(zhǔn)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)改進(jìn)的全站儀自由測(cè)站跨水對(duì)向長(zhǎng)距離三角高程測(cè)量方法。該方法兩岸各設(shè)置高程測(cè)點(diǎn)2 個(gè)，共計(jì)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)可以形成多個(gè)對(duì)向測(cè)線(xiàn)路閉環(huán)；2 臺(tái)智能全站儀每岸使用1 臺(tái)，自由測(cè)站，自動(dòng)化測(cè)量，對(duì)4 個(gè)跨水測(cè)點(diǎn)實(shí)施測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)經(jīng)處理，即可獲得任意2 個(gè)跨水點(diǎn)之間的高程及差值。該測(cè)量方法適用于200～2 500 m 測(cè)距的跨水高程測(cè)量，測(cè)量精度不低于二等水準(zhǔn)。案例應(yīng)用該方法的檢測(cè)結(jié)果與跨水GPS 高程測(cè)量的高差附合差相近，顯示了該測(cè)量方法的有效性。