跨海大桥水中构筑物的高精度测量

2021-07-03赵庆安

建材与装饰 2021年19期

赵庆安

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东广州 510507）

0 引言

随着国内跨水域长距离大型桥梁投入使用年数和交通量的增长，许多大型跨海桥梁需要面临运营期间的改扩建的勘测和变形监测。特别是当前现有高速公路的通行能力扩容的改扩建工程正在如火如荼的进行，所以超宽水域中桥梁墩柱或者其他构筑物的精确测量显得尤为重要。

1 工程案例

某高速公路改扩建工程的施工图设计的勘测任务中包含一座跨江大桥的水中墩柱的测量，现状旧桥如图1所示。

图1 现状跨海大桥旧桥

（17×20+15×30+70+4×120+70+3×30+20+2×30+2×20+10×30+26×20+23+2×30+27+30+6×20+3×13）m PC小箱梁、PC连续刚构箱梁、PC连续箱梁，拟在现状桥梁南侧新建一座桥，桥梁参数为：

（130+240+240+130+36+65+36+2×21.5+9×30+26×20+4×30+7×20+3×13）m PC小箱梁、斜拉桥、PC连续箱梁。由于此跨海大桥所跨水域属于一级航道，所以新建桥梁的主桥墩要求要和旧桥墩对齐且连线需平行于航线方向，以提高船舶的通行效率，降低船舶撞击桥墩的风险。故此处墩柱的勘测要求对测量成果的三维精度要求比较高。笔者主要结合此处勘测内容的实际情况，展开分析其难点以及要点问题，并提出解决问题的方法。

2 水中构筑物施测的要点和难点

平面和高程精度要求尽可能高，常用的工程测量方法各有优缺点，全站仪极坐标法施测时无论是有棱镜或无棱镜，优势在于短距离的高精度测量，劣势在长距离施测时距离的绝对精度受温度、气压等影响大。GPS-RTK施测时优势在于测区范围内坐标绝对精度保持一致，劣势在于需要施测时实时保持导航卫星通视情况良好，然而有些结构物的特征点施测时不能对卫星通视。

3 提高平面精度的主要措施

3.1 控制测量方案的制定

首先根据行业规范《公路勘测规范》，在选择路线平面控制测量坐标系时，应使测区内投影长度变形值不大于2.5cm/km；大型构造物平面控制测量坐标系，其投影长度变形值不大于1cm/km。所以项目前期开展勘测任务时就要结合测区所在地理位置、平均高程等控制因素去选择合理的坐标系当投影长度变形值满足要求时，应采用高斯正形投影3°带平面坐标系，当投影长度变形值不能满足要求时，可采用投影于抵偿投影面上的高斯正形投影3°带平面直角坐标系统或参考椭球的高斯正形投影任意带的平面直角坐标系，也可以采用假定坐标系，当采用独立坐标系、抵偿坐标系时，应提供与国家坐标系的转换关系。

平面控制测量坐标系的选择要使测区的平均高程面的投影变形不能超过1cm/km。但是有些跨海大桥桥型是斜拉桥或者悬索桥，主塔高度比较高，有些桥的塔顶与塔底高差大于100m，由于塔顶和塔根处距离投影面的高差不一致会导致塔顶和塔底处在同一投影面上的投影变形不一致，会影响构筑物的测量精度，应该通过优化坐标系的选择去解决这类问题，如图2所示。

图2 高主塔斜拉桥垂直度的检测

本案例项目的跨海大桥上部和下部高差相差30m左右，所以由结构物的顶和底的高差造成的影响不大，在前期开展勘测任务时已经考虑此问题，跨海大桥在平面坐标系中处最大投影变形值0.06872cm/km，优于规范要求。

3.2 施测方法的选择

距离控制点较远的构筑物的测量，首选GPS-RTK施测，GPS-RTK精度高，可以将误差控制在厘米以内，并实现测站点在特定坐标系中三维定点，具有操作时间短、使用方便等优异性能。将参考站接收机设置在参考点，点校正后就可以直接施测，保证现有坐标系下绝对精度，但是有些水中构筑物的下部结构会被水淹没，不能近距离接触，或者有些构筑物可以近距离接触施测，但是选用RTK施测时不能保证对卫星良好的通视，也就不能选用RTK施测。

其次选用全站仪极坐标法施测，如果水中构筑物可以近距离接触，最好可以在结构物特征点安装棱镜再进行特征点的施测，如果不能近距离接触，只能选择免棱镜施测，但是免棱镜模式测距精度低于有棱镜模式。全站仪施测的影响因素很多，需要高精度的仪器、定向和施测时的照准误差、测距时的温度，气压对测距的影响、定向边长要尽量大于施测边长、架仪器控制点的点位坐标精度，单方向观测一般都是不能同时观测到全部特征点，需要多方向同时观测，所以不能保证构筑物的特征点间的几何相关性。所以选择全站仪施测时，尽量不要直接让仪器进行坐标计算，而是导出原始测量的斜距和角度，记录施测时的气温，气压等参数进行一系列的改正得到改正后的数据，在内业中进行前方交会进行特征点的定位。

3.3 结合构筑物的固有几何因素进行改正

首先结构物的几何因素是已知的前提下，例如水中桥墩在水平面投影是圆形或者椭圆等，水中防撞限高架是矩形等，内业中要适当对数据进行相关性改正，才能达到理想的结果，如图3所示。

图3 高精度测量构筑物成果

4 提高高程精度的主要措施

水中结构物碎部点的高程施测首选水准测量，但是因为受距离限制达不到水准测量的条件，更多的是选用三角高程施测。三角高程施测需要盘左、盘右多测回观测垂直角并变换仪器高进行多次施测，也需要对斜距进行改正，同时从不同方向进行观测相互检核提高测量精度，所以在进行三角高程施测时一般不在仪器内进行坐标计算而是记录原始数据，内业时对数据进行改正得到最终的成果。