马鞍山长江大桥施工控制网设计与施测

2010 年第 4 期 工程勘察 Geotechnical Investigation ＆ Surveying 71 马鞍山长江大桥施工控制网与施测 吴迪军 (中铁大桥勘测设计院有限公司，武汉 430050) 摘要:介绍了马鞍山长江大桥施工控制网的设计、施测及其精度情况。利用 GPS 和数字水准技术， 平面和高程控制测量成果精度均优于国家二等精度。主河道跨河高程传递采用 GPS 双线跨河自行 闭合的方案，环闭合差仅为 3. 2mm，不及国家二等水准测量限差的三分之一。 关键词:马鞍山长江大桥;施工控制网;GPS 跨河水准测量;数字水准仪 中图分类号:P228. 4 文献标识码:A 收稿日期:2009-10-30;修订日期:2009-12-10 作者简介:吴迪军 (1964 － )，男 (汉族)，湖南涟源人， 博士，教授级高级工程师 . Design and implementation of the construction control net for the Ma'anshan Bridge over Yangtze River Wu Dijun (China Railway Major Bridge Reconnaissance ＆ Design Institute CO. LTD.，Wuhan 430050，China) Abstract:The design and the implementation as well as the accuracy of the construction control net for Ma’anshan Bridge over Yangtze River are presented. As employing the GPS and the digital leveling technologies，both the accuracy of horizontal and the vertical results of the control network are better than the standards of the 2nd order national network. The loop error of closure of the height difference cross the main river way is only 3. 2mm，which is less than one third of the permissible error of the 2nd order leveling by using GPS double-line crossing scheme. Key words:Ma'anshan Bridge over Yangtze River; construction control network;GPS river-crossing leveling;digital level 0 引言 在建的马鞍山长江大桥连通安徽省的马鞍山 市与巢湖市，是一座特大型公路桥梁。大桥全长 36. 14km，其中南岸接线长 19. 49km，跨江主体 工程全长 11km，北岸接线长 5. 65km。大桥跨越 江南第一洲———江心洲，两岸长江大堤间距离约 8000m，其中跨洲宽约 4800m，主河道水域宽约 2400m，副河道宽约 800m。跨越主河道的主桥为 目前世界上跨度最大的三塔两跨悬索桥，两个主 跨的跨度均为 1080m，承台以上主塔高 178m;跨 越副河道的桥型为三塔拱型塔斜拉桥;其它部分 桥型均为等高度预应力混凝土连续箱梁。为了满 足大桥长周期精确施工放样的需要，我院于 2007 年 11 月至 2008 年 2 月间完成了该桥跨江主体工 程施工控制网的设计和施测。本文系统介绍控制 网设计、观测、数据处理及精度等情况，供类似 工程借鉴。 1 控制网设计 1. 1 总体思路 马鞍山长江大桥跨越长江主、副河道和宽阔的 江心洲，跨江主体工程 (11km)全部为桥梁。由 于该桥桥型结构复杂、跨越距离长、工程规模大、 施工难度大、精度高，对施工控制网提出了较 高的要求;另一方面，桥址区地形条件特殊、通视 条件差，加大了控制网测量的难度。根据本工程特 点及所处河段的地形、水文等特殊情况，全桥施工 控制网应采用统一设计、统一布网、同精度观测和 整体平差的布网和施测方案，并对跨越主、副河道 部分采用加强措施，同时兼顾桥梁变形监测的要 求，以实现对该工程的高精度整体控制，满足大桥 长周期、高水平施工及安全运营的需要。此外，还 72 工程勘察 Geotechnical Investigation ＆ Surveying 2010 年第 4 期 应考虑到主体工程与两端接线工程的正确衔接，为 全面确保马鞍山长江大桥的工程质量奠定可靠的测 量控制基础。在仪器设备、观测及数据处理方法等 方面，应充分利用先进的现代测绘技术和手段，以 期最终实现测量质量、进度及成本控制的总目标。 1. 2 GPS 平面控制网设计 (1)精度设计 桥梁施工平面控制网必要精度的设计，通常有 三种方法:①按桥型桥式 (上部结构)［1］;②按桥 墩 (台) (下部结构)定位放样容许限差;③按桥 长［2］。本项目按桥型桥式和桥墩 (台)定位放样方 法综合确定桥梁施工平面控制网必要精度［3］，设计 结果见表 1。 施工平面控制网精度设计结果 表 1 精度指标 最弱点的坐 标中误差 最弱边的边 长中误差 最弱相邻点间 边长相对中误差 桥轴线边长 相对中误差 设计值 8mm 10mm 1 /100 000 1 /150 000 考虑到本项目属公路桥梁，因此，根据桥型结 构和现行 《公路勘测规范》［2］按桥长确定平面控制 网的施测等级:全网统一按公路二等 GPS 网的精度 施测。应该指出的是，现行 《公路勘测规范》中关 于二等 GPS 观测的技术要求 (时段长度及平均重复 设站数)偏高，造成外业观测工作量的极大浪费， 值得相关规范修订时重视。 (2)基准设计 平面控制网的基准设计系指坐标系统的设计。 由于桥梁精度要求高，同时还需考虑到与 桥梁两端线路的正确衔接，因此，通常必须建立专 用的桥梁施工坐标系统，它是一种基于国家坐标系 或地方坐标系、线路坐标系的工程独立坐标系统。 该系统应能有效地消除或削弱长度投影变形的影响 (尺度基准)，又与线路采用的坐标系紧密关联 (位 置基准和方位基准)［4］。依此原则，马鞍山长江大 桥设计并建立了一个 “基于 1954 年北京坐标系的 桥梁施工坐标系”，规定以一个工程初测控制点为 坐标起算点，以该点至另一个初测控制点的方位角 作为起算方位，采用控制网中 GPS 实测边长推算控 制网尺度 (取工程中心子午线作为中央子午线，桥 梁墩顶平均高程面作为长度投影面)。 (3)网形设计 GPS 平面控制网的选点布网遵循 “确保精度与 满足施工放样需要相结合”的基本原则，控制点应 选设在安全稳定、通视良好、方便使用、有利于 GPS 观测和提高测量精度的地方。控制点应沿桥轴 线两侧布设，在桥轴方向上的点间距控制不应大于 500m (跨河部分除外)。考虑到本网精度要求高的 特点，GPS 观测相邻同步环之间的连接应采用边连 式或网连式，不得采用点连式;由独立基线构成的 最简独立闭合环的边数不应大于 4，跨河主桥及其 他关键部位应以三角形网、大地四边形网构网，以 确保 GPS 网的图形结构强度，提高测量成果的可靠 性。 1. 3 高程控制网设计 根据本工程特点，以水中桥墩施工放样精度要 求推算高程控制网的必要精度，主、副河道两岸跨 河水准点间高差的中误差不应大于 3mm［5］。参照现 行 《公路勘测规范》的相关规定，本网整体按国家 二等水准测量精度要求施测，每千米水准测量的偶 然中误差不大于 1. 0mm。水准点的数量、密度及其 稳定性应满足施工放样的需要，尽可能利用 GPS 点 点位和标石埋设水准标志。应在长江两岸三地埋设 独立标石的深基础水准点，作为长周期施工及沉降 观测的稳定基点。主、副河道跨河水准应布设成双 线闭合环，并与陆地水准连测构成坚强的水准环 网。为了保证主体工程施工质量及全桥的精确贯 通，应采用与本工程初测及两端线路工程一致的高 程系统，并进行高程起算点之间的精密联测。 2 GPS 平面控制网施测 2. 1 选点布网与观测墩建造 如图 1 所示，GPS 平面控制网共布设施工控制 点 32 个，点号依次为 GPS1，GPS2，…，GPS32， 分布于桥址南、北两岸及江心洲上桥中线两测。跨 河主桥部分由 7 个 GPS 点组成两个大地四边形加一 个单三角形的图形，副河道由一个大地四边形和一 个单三角形构成。岸上控制点沿桥中线方向上的间 距为 500m 左右。全部 32 个 GPS 点均建造强制归心 观测墩。 2. 2 GPS 外业观测 全网由 31 个施工控制点和 3 个初测控制点共 同构成 GPS 控制网，按公路二等精度观测，共观 测 23 个时段。GPS 观测主要技术指标如下:卫星 高度角≥15°，同时观测有效卫星数≥4 颗，平均 重复设站数≥4 次，时段观测时间≥4h，点位几 何图形强度因子 (GDOP)≤6，异步环构成边数 ≤4，主、副河道部分均构成三角形网。天线对中 精度≤0. 5mm，时段中任一卫星有效观测时间≥ 30min。GPS6 位于防洪林中，不利于 GPS 观测， 故使用 TC 2003 全站仪按二等精密导线测量方法 2010 年第 4 期 工程勘察 Geotechnical Investigation ＆ Surveying 73 图 1 施工控制网示意图 观测。 2. 3 GPS 数据处理及精度 采用 Trimble GPS 随机软件 TGO 1. 63 解算基 线，并经过重复基线和异步环闭合差检验合格，然 后在 WGS-84 坐标系进行三维无约束平差，再在桥 梁施工坐标系中进行二维约束平差。平差后，最弱 点 GPS16 的点位中误差为 ± 4. 6mm，边长相对中误 差最大值为 1 /13. 6 万 (距离中误差 ± 3. 4mm)，桥 轴线边 (GPS5-GPS9)的边长相对中误差为 1 / 138. 8 万，边长绝对误差最大值为 ± 3. 8mm。以上 精度指标均达到设计要求，说明 GPS 网成果质量达 到规定要求。 2. 4 全站仪测边检核 采用 Leica TC2003 全站仪按二等精度测量 GPS 网中的 4 条边长，并进行仪器加乘常数改正、气象 改正、倾斜改正和投影改正。与 GPS 网边长比较结 果见表 2，边长较差最大值为 2. 2mm，进一步说明 了 GPS 测量成果的可靠性。 GPS 边长与全站仪边长比较 表 2 边名 全站仪边长 (m) GPS 边长 (m) 较差 (mm) GPS7-GPS10 2461. 4755 2461. 4742 1. 3 GPS15-GPS16 646. 0566 646. 0544 2. 2 GPS22-GPS23 521. 8278 521. 8290 － 1. 2 GPS29-GPS30 448. 4383 448. 4375 0. 8 3 高程控制网施测 3. 1 选点、布网及埋石 在位于地面的 29 个 GPS 平面控制点的强制归 心墩基础上埋设水准标钉兼做施工水准点，并在桥 中线上、下游两侧 50 ～ 200m 范围内埋设 5 个独立 标石的水准点 QBM1，…，QBM5。34 个施工水准 点共同构成高程控制网 (见图 1)。其中，QBM2、 QBM4 为江心洲和长江东岸的深桩水准点，桩深分 别为 60m、38m;QBM2、QBM3 为加强型水准点， 埋深约 1. 8m;QBM5 为普通水准点。 3. 2 外业观测 (1)陆地水准连测 陆地水准点间高差按二等水准测量要求采用 DiNi 12 数字水准仪进行往、返观测。水准测量中 往、返测高差较差、附合或环闭合差限差为 4 槡F (F 为水准测量的环线或路线长度)。经验算，水准 测量外业成果符合规定要求。 (2)主河道 GPS 跨河水准测量 桥址处主河道水域宽约 2400m，江堤及河滩上 防护林密布，通视条件极差，且两岸滩地的地形地 貌存在明显的差异，不对称性垂直折光影响十分突 出，很难通过同步对向观测的方法抵消，若采用传 统的跨河水准测量方法进行高程传递，则需大量砍 伐树木以疏通视线，势必会造成工期延长和成本增 加，同时外业成果精度也很难得到保证。考虑到桥 址区地形较为平坦，故采用 GPS 跨河方法进行主河 道的高程传递测量［6］。 如图 2 所示，按双线跨河图形布设 2 条 GPS 跨 河线 A2-A1-A-B-B1-B2 (下游线)和 C2-C1 -C-D-D1- D2 (上游线)，通过陆地一等水准连测形成闭合环。 跨河边 AB、CD 约 2. 4 km，其它相邻点间距近似等 于跨河点间距离。非跨河点大致位于跨河点连线的 延长线上。 GPS 观测使用 8 台 Trimble 5700 双频 GPS 接收 机进行，共观测 4 个时段，时段长度≥24h，平均 设站次数≥2。天线高使用游标卡尺配合精密水准 测量方法测定，精度优于 0. 3mm。基线解算使用高 精度数据处理软件和 IGS 精密星历进行，引入高精 度的全球跟踪站。基线解算合格后，通过三维无约 束平差解算出各点精确的大地高，最弱点大地高的 中误差仅为 ± 2. 2mm。 利用各点间的大地高高差及两岸陆地水准连测 高差，采用线性拟合法计算出跨河点间的高程异常 差，进而求得跨河点间的正常高高差。由跨河高差 与陆地水准高差计算出的水准环闭合差仅为 3. 2mm， 74 工程勘察 Geotechnical Investigation ＆ Surveying 2010 年第 4 期 图 2 GPS 跨河水准双测线布设图 远小于二等水准的规定限差 4槡K = 4 × 槡6. 79 = 10. 42mm ，GPS 跨河水准测量成果可靠性好、精 度高。 (3)副河道跨河水准测量 副河道水面宽约 600m，布设两条跨河线。上游 线跨河长约 593m，下游线约 582m。跨河场地布设成 四边形，使用 2 台 N3 水准仪依倾斜螺旋法进行同时 对向观测。经验算，上、下游两条跨河线的跨河高 差中数的中误差分别为 ± 0. 71mm 和 ± 0. 71mm，均 达到了规定要求。 3. 3 数据处理及精度分析 通过陆地水准连测和跨河水准测量形成 9 个水 准闭合环，环闭合差见表 3。其中，由表 3 可见，9 个环闭合差均远小于规定限差，其中，6 个环闭合差 小于限差的 1 /10，其余闭合差均不及限差的1 /3，充 分说明高程控制网观测质量很高。 水准环闭合差统计表 (mm) 表 3 环号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 闭合差 － 1. 48 － 0. 65 － 0. 36 － 0. 59 － 0. 53 － 0. 61 0. 32 － 2. 37 3. 32 限差 ± 15. 0 ± 16. 4 ± 6. 5 ± 6. 6 ± 11. 0 ± 5. 4 ± 4. 8 ± 10. 6 ± 10. 4 全网高程以初测水准点“G27”起算。平差后， 每千米水准测量偶然中误差 M△为 ± 0. 14mm，每千 米水准测量的全中误差 MW 为 ± 0. 59mm，最弱点的 高程中误差为 ± 1. 41mm，达到二等水准测量的要求。 4 结束语 结合工程特点、场地条件及施工精度要求，按 桥型桥式和桥墩 (台)定位放样方法综合确定平面 控制网必要精度，建立了一个“基于 1954 年北京坐 标系的桥梁施工坐标系”，依据“确保精度与满足施 工放样需要相结合”的原则设计控制网网形和点位。 控制网施测中，充分利用 GPS 和数字水准仪测量技 术，首次采用 GPS 跨河法进行宽水域的高程传递测 量，成果精度达到国家二等水准测量要求，同时显 著地缩短了外业工期、降低了测量成本。本项目中 采用的控制网设计和施测方法可在类似复杂特大型 桥梁工程测量中推广应用。应该指出，现行的 《公 路勘测规范》中对 GPS 平面网测量的技术要求过高， 值得规范修订中考虑。 参 考 文 献 ［1 ］ 中华人民共和国铁道部. TB 10101—99 新建铁路工程测量规 范 ［S］. 北京:中国铁道出版社，1999. ［2 ］ 中华人民共和国交通部. JTG C10-2007 公路勘测规范 ［S］. 北京:人民交通出版社，2007. ［3 ］ 吴迪军，熊伟，张建军. 桥梁施工平面控制网必要精度的研究 ［J］. 地理空间信息，2008，6 (6) :100 ～ 102. ［4 ］ 熊伟，吴迪军，李剑坤. GPS 桥梁施工平面控制网的设计与 实践 ［J］. 地理空间信息，2009，7 (1):49 ～ 51. ［5 ］ 吴迪军，熊伟. 桥梁施工高程控制网精度及跨河水准观测设 计 ［J］. 测绘信息与工程，2009，34 (4):6 ～ 8. ［6 ］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家 化管理委员会. GB /T 12897—2006 国家一、二等水准测量规 范 ［S］. 北京:中国标准出版社，2006.