离岸远距离海岛工程高精度高程传递

王晓智，李付伟，胡在华，赵 燕

中铁大桥工程局集团第一工程有限公司测绘分公司，河南郑州 450053

1 概述

随着我国交通建设的快速、健康发展，在过去被视为天堑的宽阔海域建设的大跨度桥梁越来越多，高程贯通测量成为大桥能否顺利合拢的关键。由于受海上气候条件、通视条件的制约，常规的水准测量方法无法实现超长距离、高精度、高效率的高程传递。特别是在海中没有高程基准的孤岛上，采用何种有效的测量方式进行将高程传递到远离海岸的孤岛，实现长距离、高精度的高程传递，提高长距离水准测量作业效率，满足离岸海岛工程施工不同阶段对高程精度的需求，保障工程建设顺利进行，是一个迫切需要解决的问题。

南澳县位于南海北部，广东省东部海面，是广东省唯一的海岛县。离岸距离约9km，受台风和季风影响全年通航时间不多，陆岛交通非常困难，岛上没有高程控制点。大桥施工开始之前，为保证大桥施工基准的统一以及首级网的精度，首先需要研究如何将大陆的高程基准传递到远离海岸的海岛上，以满足本项目对高程控制网的稳定性要求，保障设计、施工放样的顺利进行。根据实践的经验和试验总结并考虑海中施工的具体条件我们选择：按桥梁不同施工部位对高程测量精度的不同要求，分阶段按不同方法进行跨海高程控制测量。

2 GPS高程传递

2.1 GPS基准网布测

南澳大桥施工前期，为了解决工程在缺少高程观测资料和高程基准信息的情况下，进行GPS水准高程传递的实用技术方法，首先对大桥首级控制网进行了认真设计和测量，在大桥两岸几公里范围内地形相近的位置特意布设8个高等级GPS控制点，控制点采用建立在基岩上的强制观测墩的形式，并分别用二等水准进行联测。为了得到这些控制点的高精度的大地高成果，对首级网的观测采用长时间连续观测并联测国家高等级GPS控制点的办法，分4个时段，连续观测24小时，进行GPS数据采集、处理及精度分析，从而获得各个观测点较为精确的WGS-84坐标。

图1 首级平面控制网示意图

2.2 GPS 水准测量

GPS 水准测量最重要的是精确的推求出测点高程异常值或两点间的高程异常差值，这有多种方法可以选择。但是这些方法都要求在待测点的周围布测一定密度、分布合理并且具有同一高程基准的水准点，在其上进行静态GPS观测以求得这些点的大地高，称这些点为高程公共点，然后用高程公共点的高程异常值内插或外推待测点的高程异常值，它的准确程度很大程度上取决于高程公共点的密度、分布的合理性及测区地形条件。

GPS水准测量，可用物理大地测量方法进行辅助，即由密集的重力测量数据、高分辨率的数字地形模型和高阶重力场模型精化测区局部的似大地水准面，进而通过GPS静态测量，求得较为精确的大地高，根据测区的高程异常，求得观测点的高程。但该方法在远离大陆的海岛上要达到等级水准的精度技术成本过高，难以在工程中得到推广应用；目前国内GPS水准的研究还仅限于有统一高程基准的测区[1]，主要是为了跨越障碍物。

对于远离大陆的海岛，常规测量方法无法跨越宽阔的水域，只能求助于GPS技术，但因为海岛上没有高程点，这就使得离岸海岛工程高程传递非常困难，是工程开始前必须要解决的一个难题。

结合南澳大桥实际，前期辅助工程对高程的精度要求较低，在条件不具备的情况下，片面要求高精度，实际意义不大，并且代价过于高昂。因此，我们通过对不同地点的试验结果、各种拟合方案、布网方案的对比，结合两岸拟合区域的地形特点，选取一个能与两岸地面形状吻合得较好的、成熟的函数模型，用最小二乘方法拟合测区的似大地水准面，再用数学外推的方法求的海岛上控制点的高程异常值, 先期求得岛上控制网点的拟合高程。由此，就可根据GPS测得的大地高得到一个与水准高程比较接近的拟合高程，用于海上平台、优先墩等大桥前期辅助工程的施工。

南澳大桥GPS网的基线处理采用TGO软件，网平差采用PowerADJ 4.0软件进行，GPS高程的拟合利用matlab采用最小二乘曲面拟合方法进行[2-4]，数据处理模型严密可靠，方法合理。

表1 岛上控制网点的拟合高程

在海岛无高程基准的情况下，经选用大陆侧岸5个首级网点进行试算，数学外推GPS水准高程的方法求得海岛上待测点GPS拟合高程。根据《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041-2000），大型桥梁临时水准点高程允许偏差△h=±20=±60mm。由上表可知其精度可以满足海中施工平台的施工要求。

3 超长距离跨海三角高程传递

3.1 超长距离跨海三角高程传递技术方案设计

为了给后续工程施工提供更为精确可靠的高程基准，根据海岛工程特点，充分利用沿测线及测线两端一定区域范围的地形，从严密三角高程测量计算公式出发，进行超长距离跨海三角高程传递技术设计、方案设计、测量实施细则制定、数据处理方案设计等。

由于南澳大桥两岸直线距离将近8km，目前的常规测量仪器无法使用，因此必须寻找合适的观测点，尽可能的缩短观测距离，以期获得较高的观测精度。考虑到大桥大陆一侧海水深度不大，海底较为平缓，因此前期施工中优先安排海中过渡平台的施工，在施工平台完工后，充分利用平台设计施测方法和线路。通过在浅水区建立稳定的简易过渡平台，这样使得原本8km的测距改变为4跨，最远观测距离为3.1km的一条观测线路，使得高精度的跨海高程传递变为可能。

3.2 严密三角高程测量计算公式

由于目前在一般文献中的三角高程测量公式，其函数模型误差达厘米级，不宜用在高精度三角高程高差测量中。因此采用严密的三角高程测量计算公式，为高精度三角高程测量在跨海工程中的应用提供参考。

直接用观测天顶距导出的严密三角高程测量计算公式[5]：

单向观测计算公式：

双向观测计算公式：

上述严密三角高程测量计算公式充分考虑了垂直折光差和地球曲率、相对垂线偏差分量、椭球项影响、仪器残余系统误差对高差测量的影响等，对于2km的三角高程测量其函数模型误差小于0.5mm，能够满足高精度三角高程测量的应用，国内对此已有专门的研究和实践[6]。我们在实践的基础之上，考虑试验在＞3km的距离上进行高精度三角高程传递的可行性和技术方法。为此从严密三角高程公式出发，分析三角高程测量的系统误差，制定出消除或减弱系统误差且适合海上作业的观测程序，用试验数据验证了遵守这样的观测程序能达到的精度，为高精度三角高程测量在远距离离岸海岛工程的应用提供实践依据。

3.3 测量方法和实施

跨海三角高程测量采用测回法，利用高精度Leica全站仪进行测量两点间的正常高高差，共观测四组双测回。试验中我们发现，观测时间间隔超过半小时，折光差影响就会比较大，因此，规定观测时间必须是在阴天，能见度较好的时候，对向观测时间间隔不能大于半小时；必须采用相同型号和精度的仪器，观测过程必须严格同步，每测回都必须观测温度、气压湿度等气象要素，对观测结果进行实时修正；对于观测数据，要统一按照制定的数据处理方案进行方差检验和粗差的剔除。

从NQ03至南澳岛，实际的跨海水准测量工作量共有4跨，总长约8.95km。具体测量结果如表2。

表2 各跨三角高程（高差）测量数据

从以上各跨跨海髙程计算数据可以看出，各跨的每公里髙程全中误差小于等于3mm/km，均髙于国家四等水准每公里全中误差小于10mm精度要求。

根据实测试验表明，当垂直角观测精度ma≤±1′′，边长在3.5km范围内，电磁波测距三角高程测量完全可以替代四等水准测量。同时前期的GPS高程拟合成果和三角高程观测成果比较，最小差值3.6cm，最大为6.5cm，证明之前的GPS水准高程传递结果具有一定的可靠性，对大桥前期辅助工程的施工起到了积极的作用。

根据超长距离跨海三角高程测量结果，修正了岛上GPS水准高程成果，建立起施工区域坐标系统转换模型，极大的方便了海中的基础施工。

基础工程具备条件后，我们按三等水准精度要求，进行了第二次跨海三角高程传递，修正岛上的高程成果，为全部下部结构施工提供更高精度的高程控制基准；待上部结构达到常规水准测量实施条件后，按二等水准精度要求，进行高精度常规高程传递，为桥面及其辅助设施施工提供高精度的高程基准，同时求得岛上控制网点的二等水准，与前期各项成果进行比较分析，总结经验和方法，制定实施细则，指导今后类似工程的施工。

4 技术总结

在解决工程难题时，我们充分利用已有经验，但不拘泥于经验，大胆采用先进技术，创新思维，根据各分部分项工程结构对高程控制精度的不同要求，分步骤、分阶段实施满足不同阶段工程需要的不同等级水准高程传递。该方法将目前研究较多、较成熟的技术手段，通过整合、创新，在解决工程难题的同时，取得了重要的实践经验，也节省了大量成本。

5 结论

南澳大桥是广东省第一座地处外海、连接海岛的跨海大桥，其特定的地理位置、施工条件，以及多标段同时施工等，使其高程控制测量显得尤其重要。南澳大桥目前下部结构已基本完成，高程基准问题的解决极大的方便了海中施工。通过2年多的施工实践证明，南澳大桥建设初期对离岸海岛工程高程传递技术问题的研究是非常及时和十分必要的，解决问题的思路正确，方法可行，效果显著，各项测量指标满足施工规范和设计要求，达到了预期目标。

[1]肖根旺，许提多，朱顺生.GPS高程在杭州湾跨海大桥高程控制中的应用研究[J].铁道学报，2004，26(5)：101-106.

[2]蔡群，张书毕.基于Matlab的GPS水准高程拟合程序设计[J].科技资讯，2006，3(2)：1-2.

[3]求是科技.Matlab7.0从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[4]陈本富，王贵武，沈慧，郭先春.基于Matlab的数据处理方法在GPS高程拟合中的应用[J].昆明理工大学学报(理工版)，2009，34(5)：1-4 .

[5]肖根旺，许提多，周文健，朱顺生.高精度长距离跨海三角高程测量的严密计算公式[J].测绘通报，2004，331(10)：15-17.

[6]郭秉江，许提多.Leica TCA1800高精度超长跨海高程传递[J].铁道勘察，2007，33(1)：1-5.