精密三角高程跨海水准测量的优化设计

2015-02-11吴迪军中铁大桥勘测设计院集团有限公司湖北武汉430050

铁道勘察 2015年6期

关键词：跨海水准测量高差

吴迪军(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉　430050)

Optimal Design of Precise Trigonometric Sea-crossing Leveling

WU Dijun

精密三角高程跨海水准测量的优化设计

吴迪军(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430050)

Optimal Design of Precise Trigonometric Sea-crossing Leveling

WU Dijun

摘要针对海中桥墩高度大、活动空间狭小、安全隐患多、不便于频繁变换仪器测站进行垂直角观测的实际困难，对三角高程跨海水准测量进行优化设计，提出一种适用于跨海桥梁工程海中桥墩高程联测的水准测量方法，并通过港珠澳大桥工程实例验证了该方法的精度及其可靠性。

关键词跨海水准测量三角高程测量港珠澳大桥

随着电子全站仪技术的不断发展和完善，其测量精度、自动化及智能化水平得到很大提升，精密三角高程法已经成为当今跨河水准测量、跨海高程传递的主要方法，并将在今后相当长一段时间内得到更大的发展。针对跨海桥梁工程施工中跨海水准测量的特点和实际条件，在前期研究的基础上[1]，通过对现行跨河水准测量方法进行优化设计和改进，提出一种适合于海洋环境中使用的跨海水准测量方法，并通过港珠澳大桥工程实例予以验证。

1三角高程跨海水准测量的优化设计思路

在三角高程法跨海水准测量中，采用同步对向观测的方法，跨海高差按下式计算[2]

(1)

式中：S为跨河边的水平距离，α为垂直角，i1、i2为仪器高，v1、v2为觇标(棱镜)高，R为地球曲率半径，k1、k2为折光系数。

(2)

式中：mS为测距中误差，mα为垂直角观测误差，mi为仪器高量测中误差，mv为觇标高量测中误差，mΔk为对向观测大气垂直折光系数差值的中误差。

由式(2)可以看出，三角高程跨海高差测量的主要误差是跨海距离测量误差、垂直角观测中误差、仪器高和觇标高量测误差、非对称大气垂直折光误差等。理论分析和大量实践证明：影响跨海高差精度最主要和最复杂的因素是同步对向观测中垂直折光的不对称性影响。

为了最大限度地削弱大气垂直折光对跨海高差的不利影响，工程实践中通常采取合理选布场地(两岸地形对称)、优化观测方法和观测程序、缩短观测时间、同步对向观测等技术措施。文献[1]分析了现行《国家一、二等水准测量规范》[3]中三角高程跨河水准测量方法存在的问题与不足，指出大地四边形场地布设图形的结构比较复杂，导致一个时段组的观测时间较长、工作量较大、同一条跨河边的对向观测不具同步性等问题，不利于提高跨河水准测量的精度及观测效率。在理论分析和实践论证的基础上提出了如图1(a)、图1(b)所示的平行四边形和等腰梯形两种简单的跨河场地布设图形，并设计了一套垂直角观测方法和观测程序。这种方法已经编入《铁路工程测量规范》[4]中，并已在桥梁工程跨河水准测量及跨海高程传递中得到广泛应用和充分验证[5-7]。

然而，在跨海桥梁工程实践中发现，应用文献[1]提出的改进方法(本文称之为“变测站双边同步对向观测法”)进行垂直角观测时，需要在A、B或C、D之间频繁更换测站安置仪器和标灯进行观测，这不仅降低了观测效率，也给现场作业带来了不便。在海上桥墩上进行观测作业时，由于墩顶面积狭小，加之跨海水准测量一般都在夜间进行，更换测站和目标安置十分不便，安全隐患突出。为了确保安全，提高外业观测效率，笔者对文献[1]的方法进行了进一步的优化，优化后的方法称之为“固定测站双边同步对向观测法”，有别于“变测站双边同步对向观测法”。“固定测站双边同步对向观测法”的基本思路是：跨海两岸的仪器固定在本岸的一个跨海点上照准远岸的一个跨海点进行垂直角观测，考虑到同岸两个跨海点之间的距离很近，故将两岸仪器的跨海观测边视为同一路径的观测视线，进而两岸仪器同步观测的半测回高差取均值后作为一个单测回的观测高差，以有效削弱垂直折光误差对观测高差的影响。与“变测站双边同步对向观测法”相比，“固定测站双边同步对向观测法”只构成一条跨海边的观测高差，不构成跨海高差闭合环，检核条件数减少。

2三角高程跨海水准测量的技术设计

2.1　场地布设

按图1(a)、图1(b)所示的平行四边形或等腰梯形选定跨海点，布设场地。A、D为测站点，B、C为立尺点(跨海水准点)，4个跨海点均埋设固定标志。同岸跨海点之间的距离一般在5 m以内，两条跨海边AC、BD方向大气垂直折光影响的大小及其变化规律可近似认为一致。跨海点之间的距离采用全站仪或GNSS静态相对定位方法精密测定，同岸两个跨海点之间的高差采用精密水准测量或全站仪三角高程测量方法测定。

2.2　垂直角观测程序

根据文献[6]的分析，采用单标模式进行远岸跨海点的垂直角观测，跨海水准测量的测回数及垂直角观测组数参照现行国家规范进行设计，海中测站晃动条件下的垂直角观测按照准一次重复多次读数的方法进行[7]。远岸标志垂直角观测程序如下：

①在A、D点设站，测定仪器及标志的高度；而后同步观测对岸远标志C、B，测定αAC、αBD。

②两端仪器半测回高差分别为hBC=hBA+hAC和hCB=hCD+hDB，两台仪器同一时段对向观测的两个半测回取中数，计算一个单测回的观测高差。

③在测完半数测回后，两端仪器、观测员及标尺相互调岸，进行其余测回的观测。

2.3　限差检算

按本文方法进行跨海水准测量时，主要对图1中B、C间两个跨海水准点之间测回高差的互差进行限差检算。仿照文献[8]的设计思路，制定限差检算标准如下。

①当跨海视线长度小于2 km时，仍可采用现行规范中的限差公式，即：各单测回跨海高差的互差应不大于式(3)规定的限值

(3)

式中：dH限为测回间高差互差限值/mm;MΔ为相应等级的每千米水准测量的偶然中误差/mm;N为单测回的测回数;S为跨河视线长度/km。

②当跨河视线长度超过2 km时，按下列标准进行外业观测成果的限差检算：

当两岸测站均在陆地稳定基础上时，仍按式(3)计算测回高差之互差的限差；

当一岸或两岸测站处于海中测量平台、海中桥墩等不稳定基础上时，按下列公式计算限差

(4)

公式中各符号的含义与式(3)相同。

3实例分析

港珠澳大桥跨海距离超过32 km，海中桥隧工程总长约35.58 km，跨海高程传递是该项目测量的难题之一。在首级控制网建网之初，通过珠海，经中山、深圳到香港之间总长约255 km的陆域一等水准测量统一了大桥两岸三地的高程基准。主体工程开工前后，利用海中试桩及预制承台墩身等临时工程建造了6个测量平台，使得跨海距离缩短至2.3～6.3 km。在随后进行的首级控制网第五次复测时，采用文献[1]提出的三角高程改进方法实施全桥跨海高程的直接贯通测量[5]，成果精度全部达到二等跨海水准测量精度要求。跨海水准测量示意如图2所示，P1，P2，…，P6为海中测量平台控制点，各相邻平台控制点之间的高差均系直接测量得到。

为了进一步缩短跨海视线长度，满足海中工程施工高程精确定位的需要，在桥梁工程施工中优先安排部分桥墩基础施工(简称“优先墩”)，在首级控制网第六次复测时，利用若干优先墩作为过渡点再次进行平台之间的跨海高程传递。海中桥墩墩身较高，上下作业不方便，并且墩顶活动范围非常有限，夜间作业安全隐患多。为了提高跨海水准测量的作业效率，确保人身和仪器设备的安全，当一端或两端测站位于桥墩顶面时，跨海水准测量按本文提出的优化方法进行。经过限差检算，全部成果均达到国家二等跨海水准测量精度要求。

由表1可见，采用本文方法经过优先墩过渡分段联测所得平台控制点之间的跨海高差与直接跨海高差的较差均在规定限差以内，进一步验证了该方法的精度及其可靠性。

4结束语

针对海中桥墩高度大、顶面空间狭小、夜间作业安全隐患多等实际条件，为了缩短外业观测时间、提高外业测量效率，同时也为了确保测量安全，对目前普遍采用的三角高程跨河水准测量方法进行优化设计，提出一种以近似平行四边形或等腰梯形图形为基础的“固定测站双边同步对向观测法”，在港珠澳大桥跨海高程传递中应用该法实施海中桥墩墩顶高程的二等精度联测，验证了方法的有效性及其可靠精度。

参考文献

[1]吴迪军，熊伟，李剑坤.精密三角高程跨河水准测量的改进方法[J].测绘通报，2010(3):4-6，20

[2]刘志德，章书寿，郑汉球，等.EDM三角高程测量[M].北京：测绘出版社，1996

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.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

[4]中华人民共和国铁道部，TB 10101—2009铁路工程测量规范[S].北京:中国铁道出版社，2010

[5]吴迪军，熊伟.三角高程法跨海高程传递实验及应用[J].测绘科学，2016

[6]吴迪军.单标三角高程法跨河水准测量设计与实验分析[J].地理空间信息，2012，10(4):132-133，136

[7]吴迪军，熊伟.测站晃动条件下的全站仪跨海高程传递方法[J].测绘通报，2016

[8]吴迪军，许提多，罗苏.关于三角高程跨河水准测量限差的探讨[J].地理空间信息，2012，10(5):105-107

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《铁道勘察》编辑部