跨水对向长距离三角高程检测方法研究.pdf

73交通科技与管理工程技术0引言大型桥梁的平面移位检测通常采用GNSS测准技术，垂直移位检测多采取 GPS 跨水高程检测，但 GPS 方法易受气象变化、大气折光、跨水距离、两岸地表高差、卫星误差、参考椭球面与大地水准面不平行等因素的影响，而发生检测精度不符合要求的情况。案例是一座大型桥梁，两岸距离较远，在桥梁移位检测项目中，基于移位测准网技术，设计采取了全站仪自由测站跨水对向长距离三角高程测量方法，较好保证了桥梁形变长距离跨水检测质量要求。基于案例应用，这里介绍相关知识和技术要点，并通过检测实例，验证显示了新方法的跨水长距离检测的有效性。1桥梁移位测准网检测方法1.1平面移位测准网测量（1）平面移位测准指标。平面基准网测量精度要求如果过高，会增加测量用时和操作的复杂度，不利于成本控制，有时也会影响桥梁形变状态分析，导致错误分析结论。而精度要求过低，也会增大观测误差，导致错误分析结论。特大桥的平面移位测准网进行 GNSS 测量时，多采取相对静态定位方法。钢筋混凝土特大桥的水平移位检测需要达到毫米级精度要求，其平面基准网精度一般要求为二等。（2）基线解算与网平差。在完成外业观测后，即可进行基线解算。出于检测精度的要求，在跨水测点间距20 km时，基线解算应采用精密星历。基线解算符合要求后，计算网平差，网平差须满足测量标准，作为平面移位检测的起算数据，为平面移位检测网提供起算基准。1.2垂直移位测准网测量1.2.1跨水 GPS 高程测量（1）跨水高程 GPS 测量线。在确定跨水 GPS 高程测点位置时，应尽可能避开具有松软土壤和强磁性的地段以及交通往来频繁的区域，选择靠近岸边的水准线路。在地形较为平缓的区域，可以根据实际情况设置跨水测量点。（2）跨水 GPS 高程测量要求。跨水 GPS 高程测量须满足网平差和基线解算的规范要求，两岸测点之间，不同时段内对向高差中数差异不应超过限制值，该限制值计算公式：（1）式中，M 相应测量等级每公里的偶然误差的限值（mm）；N 测量时段数；S 跨水通视测量距离（km）。两岸测点高差计算，两岸高程差异率（AB、CD）应符合表 1 规范1。表 1跨水 GPS 测量两岸高程差异率 值的二等限差标准（m/km）限差类型二等限差标准非同岸 值较差0.018同岸的 值较差0.013（3）跨水 GPS 高程测量。通过静态 GPS 测量以及网平差的处理，能够获得各测量点间的大地高程差，在跨水测点和同岸测点之间，可以通过精密水准测量获取水准高差，并利用正常高 h 与大地高 H 之间的关系式进行计算：H=h+（2）式中，异常值。由此可以获得跨水测点与同岸测点之间的高程异常值，其异常变化率（AB）可以通过下述公式计算：AB=AB/SAB（3）式中，AB 跨水测点与同岸测点之间的高程异常收稿日期：2023-08-24作者简介：吴科廉（1997）,男,大专,助理工程师,从事公路隧道检测工作。跨水对向长距离三角高程检测方法研究吴科廉,张红宁（江西省天驰高速科技发展有限公司,江西 南昌 330100）摘要文章首先阐述了桥梁移位测准网检测的方法，主要分为水平及垂直移位测准网测量，而后概述了塔间高差三角高程测量方法及对塔间高差三角高程测量数据进行分析，并以某工程为例，对跨水高程检测精度进行了分析。实例检测显示，基于移位测准网技术的全站仪跨水对向长距离三角高程测量方法，其检测效果与GPS跨水高程测量结果相近，显示了检测适用性。关键词桥梁移位；跨水对向长距离；测准网；GPS 测量；对向三角高程测量中图分类号U446文献标识码A文章编号2096-8949（2023）21-0073-032023 年第 4 卷第 21 期74交通科技与管理工程技术值；SAB 跨水测点与同岸测点之间。根据公式（2）与（3）可得到跨水测点与同岸测点之间的高程差异率 AB和 CD，取二者平均值作跨水测点B 和 C 的高程异常差异率，再借助下述公式获得两点间水准高差。hBC=HBCBCSBC（4）式中，hBC 跨水测点 B 与 C 之间的大地高差，通常以 m 为单位；SBC 测点 B 与 C 的水平距离，通常以 km 为单位。1.2.2跨水精密三角高程测量（1）全站仪自由位跨水对向同时三角高程测量方法。该测量方案如图 1 所示，两岸各设置高程测点 2 个，形成 A1、A2、B1、B2共计 4 个测点。这些点配有调平装置和高度已知固定的特制精密棱镜基座。2 台智能全站仪（Z1、Z2），每岸使用 1 台，调平后即可针对 4 个跨水测点实施测量并记录数据。自动化测量，最大程度避免人为操作的误差影响。同时对向测量，两岸可以仪器对调，重复进行测量。完成外业测量后，数据经处理，即可获得任意 2 个跨水点之间的高程及差值2。图 1跨水对向三角高程测量原理研究显示，跨水测量距离超过 500 m，高程测量精度须不低于二等水准，该跨水三角高程测量方法适用于2002 500 m 测距的跨水高程测量。两岸测点的高差取 2 台全站仪测量值的均值，如此取值利于消除大气、地球曲率以及仪器高的测量影响。特制基座的高程已知固定，利于消除棱镜高差造成的测点高程测量误差，但如果跨水测量距离过远，而特制基座又高程过低，可能导致无法远距离观测。可以在两岸测点上方，采取棱镜基座支架摆放的方法，提高棱镜基座高度，满足测量要求。图中 Z1为棱镜与特制基座间的高差，Z2为特制基座定高。则跨水任意 2 个测点间的高差)2,1,(=jihjiBA可由下述公式精确获得。（5）式中，V 垂角；S 斜距。同岸测点间的高差可采取二级精密水准测定。4 个测点跨水组成一个平面 4 边形，2 条同岸水准线和 4 条跨水边构成了多个闭合环，形成较多的核检条件。独立闭合环高程限差应符合国家一、二级测量水准的要求。（2）全站仪跨水长距离三角高程测量方法。全站仪三角测量技术已经成熟，可在 2 km 的跨水高程观测中广泛应用，但如果超过 2 km，受自动照准测程和气候条件变化的影响较大，大气垂直折光和照准误差影响相对突出，所以需要对超过 2 km 的跨水测距或具有其他特殊需求的场景，应给予技术设计。2索塔间高精度高程传递方法2.1塔间高差三角高程测量方法案例斜索桥主桥 6 塔 5 跨，每跨度 428.00 m。桥面在运营期受到桥型、潮汐、风力以及车辆载荷等影响，经常处于晃动状态，在主桥面实施二等水准测量几乎不可能。索塔区域的桥面下方，均设有 X 形托架作业平台，以支撑和稳定钢体箱。托架作业平台位处桥面以下约7.00 m 的位置，稳定性较好，并且相邻索塔的托平台间能够通视。索塔间三角高程联测网设置 A2、A3、B1、B4为跨水高程检测的4个测量点，采取强制对中标志，包括预设件、徕卡精密棱镜和棱镜杆，无需量测棱镜高，不会出现棱镜对中误差。智能型全站仪 2 台，在相邻的 2 个作业平台分别设站。经过调平后，对跨水 4 个高程点同时进行天顶距和斜距测量。同一操作平台，高程点高差采用中间法三角高程或二等水准测量。因为跨水距离在 428.00 m 左右，按照二等水准测量，需测量 2 个时段，并且 2 个时段内双测回的最大高差与最小高差的偏差应低于一个限值，限值计算公式如下：SNM=4（6）式中，N 测回数；S 跨水通视长度（km）；M 相应测量等级每公里的偶然误差的限值（mm）。四个跨水检测高程点构成的四边形中，独立闭合环同时段高差的闭合差须低于限值，该限值由公式（7）计算：SMWW=6（7）式中，S 跨水通视距离（km）；MW 相应测量等级每公里的偶然误差的限值（mm）3。2.2塔间高差三角高程测量数据分析根据国家测量水准要求，进行外业二等检测时，需要测量2个时段，以获得符合规程要求的跨水高程点高差。统计结果显示，在两个时段内，两个塔柱跨水高程点间的高差最大值与最小值的差异见表 2。此外，由该特大桥四个跨水高程点组成的大地四边形中，三个独立闭合环75交通科技与管理工程技术3工程实例与检测精度分析3.1高程点及跨水线路设计南北引桥面采取二级检测水准，主桥与引桥间采取中间法精密三角高程实施联测，索塔间高程传导则采取两岸高程基准网联合检测方法。在桥体合适的区域配置跨水测量高程点，引桥桥面水准检测，可以同时检测引桥垂向移位检测点，高程点均采取对中强制标志，并且主索塔垂直移位测量点与跨水高程测量点允许共点。3.2跨水高程检测的精度分析利用 GPS 技术进行测量，通过设置 N1、B1分别代表所选检测高程点，其距离约为 8.00 km。BM01 和 BM02为两岸基岩的水准点，N2、N3、B2、B3是两岸非跨水检测高程点。采取跨水高程测量和 GPS 跨水高程测量，对检测结果进行对比分析。两种检测方法下的高差附合差结果统计如表 4 所示。表 2跨水测量的双测回测量高差统计测点区间跨距/km各双测回最小高差/m 各双测回最大高差/m较差高差/mm较差高差限差/mmAB0.390 41.420 31.421 81.503.50AB0.402 21.403 11.404 31.203.60AB0.398 01.302 01.303 31.303.60AB0.400 51.285 11.285 60.503.60表 3两时段跨水测量获得的高差闭合差闭合环通视测距/km1 时段高差闭合差/mm2 时段高差闭合差/mm高差闭合差限差/mmA2A3B10.802 73.204.5010.80A2A3B40.788 43.205.5010.70A2A3B1B40.800 21.601.4010.70表 4两种检测方法下的高差附合差结果统计方法测段名称线路长度/km 高差附合差/mm 高差附合差限差/mm引桥二等水准测量与主桥精密三角高程测量相结合BKH 02-BH 01-BM 01BM 02NH 01N KH 0221.2265.1018.40BKH 01-BH 01-BM 01BM 02-NH 01-N KH 0121.5016.9018.60跨水高程 GPS 测量BM02-B2B1N1N3-BM0124.5404.6019.80表 4 数据显示，结合引桥面二级水准检测与主桥精密三角高程检测的两岸高程基准网检测结果与跨水高程GPS测量的高差附合差相近，并满足二等水准精度要求，显示跨水高程基准网检测方法的高程贯通检测的可行性。此外，基准网联测可同时对主桥、引桥的垂直移位监测点给予测量，有效提高了检测效率。4结语该文介绍了桥梁移位测准网检测方法相关知识要点，介绍了案例工程基于移位测准网技术设计改进的全站仪自由测站跨水对向长距离三角高程测量方法。该方法两岸各设置高程测点 2 个，共计 4 个测点可以形成多个对向测线路闭环；2 台智能全站仪每岸使用 1 台，自由测站，自动化测量，对 4 个跨水测点实施测量并记录数据；数据经处理，即可获得任意 2 个跨水点之间的高程及差值。该测量方法适用于 2002 500 m 测距的跨水高程测量，测量精度不低于二等水准。案例应用该方法的检测结果与跨水 GPS 高程测量的高差附合差相近，显示了该测量方法的有效性。参考文献1 过家春.GPS 技术在桥梁变形监测中的应用研究 D.合肥：合肥工业大学,2011.2 贺志勇,盛飞.大跨度桥梁的变形监测及其精度分析J.华南理工大学学报(自然科学版),2001(8):86-87.3 郑强,吴迪军,张建军.桥梁工程跨河水准测量设计与实践 J.地理空间信息,2009(4):142-143.各时段高差闭合差也在表 3 中进行了统计。根据表 2 和表 3，可以得知，主桥索塔之间跨过河流的高程点在两个时段内的双测回高差最大值和最小值之间的误差，以及跨水测段的高差闭合误差均符合国家一、二等水准测量规范中的二等精度要求。因此，可以看出，采用研究介绍的全站仪自由测站同时对向间接高差测量方法来传递主桥索塔之间的高程具有高精度，并且满足相应的规范要求。