精密跨海高程测量在港珠澳大桥建设中的应用与分析
2017-06-05
一、引言
港珠澳大桥主体工程桥梁工程CB04标合同段里程桩号为K22+083-K29+237，标段长7154m，桥址处于港珠澳大桥主体工程桥梁工程的中部位置，标段内具有桥梁工程前期完成的K23埋置式承台及K27试桩平台，现将其改造为用于桥梁工程施工的测量平台。桥梁工程必须具有足够高的高程精度，否则会给整个工程的质量带来隐患。测量平台之间以及与大陆之间的间距很远，已超过国家一、二等水准测量规范的作业要求，所以需要采取紧密跨海高程测量这一特殊方法，将大陆水准高程高精度的传递到各个测量平台，同时通过这个方法将高程传递到施工现场，以满足工程建设需要。
二、精密跨海高程测量的影响因素
精密跨海高程测量的观测视线长度要比一般的水准测量长得多，而且前后视距差很大，仪器的i角、地球曲率差以及大气的垂直折光误差都会对观测成果产生很大的影响，海面受暖湿气流影响也会使得照准标灯的精度降低，风浪对平台的作用产生的晃动也会增加跨海高程测量的难度。
大气垂直折光误差以及风浪对平台作用产生的晃动是因时而异、因地而异不确定性的，这是最难处理的误差。因此，如何采取措施减弱大气垂直折光的误差影响以及如何减弱风浪的影响是确保高程传递精度的保障。
三、精密跨海高程测量的实施
以首级加密网中K23-K27测量平台的加密点高程传递为例阐述一下精密跨海高程测量的方法步骤及注意事项。
1.点位布设
跨海点可利用测量平台上的强制对中观测墩，近跨海点距离约为3m，若平台空间不够，近标志距离可适当缩短，每个测量平台上布设的跨海点应与相邻测量平台间互相通视。在本例中K27测量平台上面的点为SJM06，TJ01，K23测量平台上的点为SJM10，TJ02。四个跨海点布设成近似平行四边形。
2.同岸高差测量
采用电子水准仪进行同岸高差测量，确保测量精度达到二等水准要求。
3.边长测量
在四个跨海点上架设GPS接收机，采用国家C级GPS测量精度进行静态观测，并将距离归算到测量平台平均高程面上。
4.垂直角观测要求
按照国家二等水准的技术要求，每条跨海观测边观测的最少时段数按4S估算，最少单测回数按16S估算。则K23～K27段跨海距离约为4km，时段数为16，单测回数为64，半测回中的组数为10组，每组观测次数为盘左盘右各100次（半测回组数和每组观测次数可以根据平台晃动程度做适当调整，S为跨海距离）。
5.垂直角观测步骤
（1）采用2台TS30全站仪及标灯进行同步对向观测，在 A、D 点设站，用钢尺测定仪器及标灯的高度，强制归心观测墩上量测仪器及标灯至观测墩顶的垂高，三脚架上则量测仪器及标灯至水准钉的斜高，再归算为垂高；而后同步观测对岸远标志，每台仪器在盘左位置用望远镜中丝精确照准远标灯形成的红点中间部分，读取100次数据；纵转望远镜，在盘右位置按盘左的方法同样进行照准和读数。以上观测为每台仪器一组垂直角数据，按10组的要求完成半测回的垂直角观测。测定 αAC、αDB；即两台仪器共完成第一个单测回，如下图1。
（2）将标灯和仪器的位置互换，即仪器换至 B、C 点，标灯换至 A、D 点，用钢尺测定仪器及标灯的高度；而后同步观测对岸远标志，测定αBD、αCA；即两台仪器共完成第二个单测回，如下图2。
（3）至此第一个仪器位置的观测结束，两台仪器共完成2个单测回。
（4）循环完成32个单测回后，人员、仪器及标灯相互调岸，进行剩余32个单测回的观测。
6.注意事项
（1）跨海水准观测宜在平潮时段、风力微和的夜间进行，减小风浪对平台晃动的影响，夜间温度下降，海面上的气流相对稳定，可以减少大气垂直折光对测量精度的影响，观测前应先收集近期的潮汐表，选择平潮时刻前后约1h的时段编制观测时刻表；另外观测时的湿度不宜太大，避免大气折射变化对垂直角观测值的影响。
（2）观测开始前30 min，应先将仪器置于露天，使仪器与外界气温趋于一致，用温度计与气压计测量当前的温度与气压值，在进行测量时将数值输入全站仪中。
（3）每天作业前或作业后，可先固定全站仪记录100个连续的垂直角数据，供分析垂直角变化情况使用。
（4）标灯采用基座安装在强制对中标志或三脚架上，并经常注意使圆水准器的气泡居中。
（5）仪器调岸时，人员、标灯亦应随同调岸。
（6）一测回的观测完成后，应间歇15min-20min，再开始下一测回的观测。
（7）两台仪器对向观测时，应使用对讲机进行通讯，使两岸同一测回的观测，做到同时开始与结束。
（8）外业垂直角数据记录采用仪器记录模式或外接设备自动记录数据，手工记录观测点名称和观测时间。
（9）每天观测的外业垂直角数据应及时整理，保存仪器观测的原始记录文件，并采用EXCEL编辑为固定格式的表格以便于计算。
7.限差设计
（1）单测回间跨海高差互差限差为：
（2）环闭合差限差为：
式中：M△ �D�D每千米水准测量偶然中误差限值，单位为毫米（mm）；
N�D�D单测回的测回数；
S�D�D跨河视线长度，单位为千米（km）；
MW�D�D每千米水准测量全中误差限值，单位为毫米（mm）。 8.内业计算
1）对本次的跨海边长GPS静态观测数据进行解算，并将距离归算到跨海点平均高程面。在WGS-84坐标系中进行三维无约束平差，并对平差结果进行分析，观察观测值中是否存在异常观测值和点位误差的大小及其均匀性。无异常情况后，再以跨海点中的已知点进行GPS网的二维约束平差。GPS网约束平差后的精度指标完全达到了预先设计的国家C级精度要求。
（2）跨海水准测量，每半个测回进行了10组（每组观测100个数据）的垂直角观测，分别计算10组各自100个观测值的垂直角平均值作为半个测回观测的垂直角。再根据跨海边长、仪器高及标灯高计算每个半测回的高差，两个半测回往返高差取平均值作为1个单测回的高差，两个单测回形成一个测回的独立闭合环的跨海边的高差。对于单测回间高差互差或独立闭合环闭合差超限的时段应该进行补测，使得该段跨海高程独立闭合环个数符合规范要求。
四、精密跨海高程测量的精度检验分析
1.环闭合差的检验
K27-K23测量平台的精密跨海高程测量中测回高差互差以及独立闭合环闭合差没有超限的32个环，其闭合差平均值为1.72mm，计算每千米高差中数中误差为0.6mm，达到了国家二等水准的要求。
2.直接水准测量方法检验
通过同样的方法在K27与147#墩墩顶以及K27与151#墩墩顶进行精密跨海高程测量，测得147#墩墩顶高程点G147高程为16.028m，151#墩墩顶高程点G151高程为16.021m，G147-G151高差为0.007m；在147#墩与151#墩完成钢箱梁架设后，以常规二等水准测量的方法通过梁面从147#墩测到151#墩进行检验，测得其高差为0.008m，两种施测方法高差相差0.001m，符合二等水准测量的规范要求。
五、结束语
通过以上两种检验方法可知，只要采用科学的观测方法，合理的选择观测时间，措施到位，精密跨海高程测量在复杂的海洋环境下可以达到二等水准测量的精度要求，满足设计及施工测量要求，为大桥的建设提供了高质量的高程控制测量，保证了港珠澳大桥的顺利完工。
参考文献
[1] 国家一二等水准测量规范GBT12897-2006.
[2] 赵文斌.跨海工程三角高程测量应用浅谈[J].价值工程.2015（16）.
