一种新型长距离精密跨海高程传递测量觇标的设计及在深中通道工程中的应用

2022-12-24成益品宋神友董理科韩战伟朱永帅

隧道建设(中英文) 2022年11期

成益品，宋神友，董理科，韩战伟，朱永帅

(1.中交一航局第二工程有限公司，山东青岛 266071; 2.深中通道管理中心，广东中山 528400)

0 引言

在一些大型海上建设工程中，有些长距离的跨江(海)水准测量可以使用GPS水准法进行,但有些项目因地形地貌等条件导致GPS水准法无法按规范实施[1]，精度与可靠性难以保证，故常规水准测量方法(经纬仪倾角法和测距三角高程法)仍然不可替代，在此方法使用中需要使用照准觇标。

深中通道岛隧工程建设规模大，测量精度指标和质量控制标准高，施工地点距离陆地边界6 km，位于宽阔的入海口，高程控制基准点建立在陆地，需要有高精度跨海高程传递技术。受现场地形条件限制，采用测距三角高程法作为东、西人工岛长距离高精度高程传递的实施方法。目前，国家测量规范[1]中尚无3.5 km以上的跨海高程传递具体作业方式。本案例工程跨海线路为东西朝向，受大气折光影响严重，加之海上恶劣的气候环境和不利的观测条件使长距离跨海高程传递测量难度进一步加大，选择合适的照准觇标是提高观测精度和可靠性的关键保障。张建军等[2]将天宝TSC3手簿与徕卡TS30全站仪应用于跨海三角高程测量中，解决了数据离散大和数据筛选困难的问题，提升了观测效率。成益品等[3]对港珠澳大桥岛隧工程东西人工岛精密跨海高程传递测量进行研究与总结，并组合多种高程传递技术实现了9 km跨距的高程传递。吴迪军等[4]对三角高程法在跨海高程传递中的应用进行模拟试验，验证了三角高程用于长距离高程传递的可行性。王璐等[5]根据港珠澳大桥主体工程桥梁跨海三角高程控制测量，阐述了长距离跨海三角高程的测量方法及注意事项。

目前，用于长距离跨海高程传递的照准觇标规格形式较多，但通常比较笨重，安装较为繁琐，并且多数不能根据线路长度及观测气象条件的变化实时对觇标光标线宽度与亮度进行调节，使用存在不便。本文结合深中通道岛隧工程建设的实际需求，通过实地模拟验证，创新设计了一种便携式远距离照准觇标，不仅可以满足不同路线长度下的夜晚观测要求，而且可以根据气象条件变化对觇标成像清晰度进行实时调节，其应用价值在深中通道东、西人工岛5.5 km全站仪测距三角高程跨海高程传递测量中得到了验证。

1 觇标设计与软件开发

1.1 照准觇标试验研制

GB/T 12897—2006《国家一、二等水准测量规范》规定，仪器照准觇板标志的长度和宽度以及标志线的间距，依跨海视线长度而定，跨海距离在2 000 m以内，对岸标尺可安装1块觇板，跨海距离在2 000 m以上应安置上、下2块觇板。通视条件较差时，应采用特制的标灯作为观测目标。觇标在标尺的高度，两岸应一致，标志线计算具体要求见表1。

海上长距离跨海高程传递受大气折光影响，观测目标白天成像模糊不清，因此一般选择在夜晚观测。夜晚测量首先需考虑成像明亮，边界清晰，选择合适的光源。由于海上情况较为复杂，过往船只较多，船上灯光以及海面航标灯等光源会对觇标灯造成影响。由于红色、黄色光易受到其他发光点的影响，因此最终选择白色光源作为照准觇标灯光源。

设计了一种便携式远距离照准觇标[6]，可以有效消弱跨海场地气象因素对测量的影响，满足仪器照准觇标的照准目标尺寸条件。按照国家二等跨海高程测量精度的施测要求，在中山马鞍岛横门水道进行模拟测试，验证研制的照准觇标的观测成果精度及其可靠性。模拟试验场地线路长约5.8 km，跨海线路为东西朝向，与深中通道跨海线路方向基本相似。测量网形设计为平行四边形。试验点间距采用全站仪观测。同岸试验点高差采用水准仪观测，对岸试验点高差利用全站仪垂直角观测24个测回，通过陆上二等水准联测试验点间相对高差，对跨海高程测量结果进行检测。

模拟试验结果见表2和表3。

表2 模拟试验数据精度统计

表3 模拟试验数据高差比对

通过现场模拟试验，初步证明研制的新型照准觇标在长距离测距三角高程法跨海水准测量的成果精度，满足国家二等水准测量规范要求。

1.2 照准觇标设计与安装

设计的觇标具体参数如下：

1)觇标外壳使用铝合金材料制作，长652 mm，宽50 mm，厚25 mm，直接安装在三角基座上，具有结构简单、尺寸小、质量小的优点，现场安装和拆卸方便快捷。照准觇标安装效果见图1。

图1 照准觇标安装效果图

2)每处标尺点设置上、下2个标志，上、下标志线处于不同的觇板上，每条标志线上安装60个8 mm的LED灯泡，觇标标志线选用白色光源，光强且聚光性好。

3)每条标志线长度为600 mm、宽度为10 mm，上、下2条标志线之间的宽度为1 000 mm，通过连接螺杆固定连接，结构稳定，安装简便，防风性能好。照准觇标构造示意图见图2。

图2 照准觇标构造示意图(单位：mm)

4)照准觇标采用12 V电瓶作为基本供电电源，标志线上下边界设置挡光板，挡光板一侧设计调节标志线旋钮，可根据实际路线长度和环境变化随时调整标志线宽度和光强，以保证成像边界清晰，满足不同路线长度下的夜晚观测要求。

1.3 数据采集软件开发

数据采集软件利用GNSS测量手簿为载体，开发外业数据记录与计算程序，与徕卡TS60全站仪连接，实现自动记录与计算，操作简便，便于携带。

外业数据采集软件具备以下功能：测前在软件内对测量点数、有效点数、补测点数、最大偏差、标准偏差、最大最小互差等各项误差控制指标进行提前设定；在外业数据采集过程中，软件会根据设置的指标参数进行数据自动计算与误差剔除，若有数据超限或不合格，软件会提示是否需要补测，直至采集数据满足设定的参数指标为止。数据采集软件界面见图3。

图3 数据采集软件界面

2 跨海场地布设

根据深中通道东、西人工岛地理位置，结合施工现场地形条件及潮位的影响，东、西人工岛间跨海水准网形设计为DKH1→DKH2→XKH2→XKH1→DKH1大地四边形布置方式，高程起算点为东人工岛深中通道首级控制网点，闭合至西人工岛跨海点。东人工岛DKH1、DKH2和西人工岛XKH1、XKH2分别为两岸交替安置仪器和标尺的位置，跨海视线长度约为5 520 m，同岸视线长度均为10 m。跨海高程传递测量路线见图4。

图4 跨海高程传递测量路线示意图

3 外业观测

3.1 距离观测

跨海点间的距离采用GPS接收机静态观测，按照GB/T 18314—2009《全球定位系统(GPS)测量规范》C级GPS网观测要求进行[7]。

3.2 同岸高差观测

同岸2个跨海点，采用Leica LS15电子水准仪进行往返高差测量。开测后定期进行同岸跨海点的高差检测。

3.3 对岸高差观测

3.3.1 观测准备工作

1)将全站仪架设在强制对中观测墩上，整平仪器后，使用直角钢拐尺在相隔90°的4个方向上丈量强制对中盘顶部4个角至仪器的垂直高度，平均值取位0.1 mm作为最终仪器高度。

2)将觇标与测量基座连接，架设在强制对中目标墩上，整平基座，分2个对角量取强制对中盘顶部至觇标上、下边缘的垂直高度，平均值取位0.1 mm作为最终觇标高度。

3)记录仪器和觇标量测高度，全站仪照准觇标，调试对岸觇标标志线的宽度及亮度。

3.3.2 观测对岸觇标

采用2台全站仪对向观测。在全站仪盘左位置，用望远镜中丝依次照准上、下觇板标志线各读取1次竖直角读数；盘右按相反次序照准下、上觇板标志线各读取1次竖直角读数。以上观测为1组垂直角观测。2台仪器分别在两岸相同时段对向观测1条边的成果组成1个单测回，同岸每台仪器位置在观测完成半数测回后，观测员、仪器、觇标应相互调换，在第2台仪器位置上完成其余测回的观测。

以东、西人工岛间跨海高程测量为例进行观测。1)在DKH1、XKH2 2点设站，两岸仪器同时观测对面XKH1、DKH2点的上、下标灯，仪器盘左盘右位置观测顺序为左上—左下—右下—右上；2)同岸仪器同时迁站，DKH1点仪器迁站至DKH2点，XKH2点仪器迁站至XKH1点，观测顺序如同第1步；3)将两岸人员、仪器、标灯一起调换，按照1)和2)步骤进行测量。

3.3.3 观测测回数要求

考虑到大气折光影响，垂直角观测选择夜间时段进行。为了保证数据的可靠性和所测高差更趋近于真值，在满足二等跨海水准测量规范要求基础上增加观测测回数。跨海高程执行测回数及组数见表4。

表4 二等跨海水准测量观测测回数及组数参照

4 数据处理与精度分析

4.1 观测高差统计

采用三角高程单向高差计算公式进行列表计算，平距采用边长投影至高斯平面距离成果参与计算，公式为

式中:h为高差，m;d为高斯面平距；α为观测垂直角；i为仪器高度；v为照准目标高；k为折光系数；R为地球曲率半径；Hm为测区平均高程；ym为跨海点距中央子午线的平均距离；ε为垂线偏差；ρ为206 265″。测量时，采取严格同步对向观测及取往返高差的平均值等措施抵消大气折光和地球曲率的影响[8-11]。

本次东、西人工岛跨海高程传递共计观测72个测回，按照规范要求中的每条边各单测回高差间的互差以及由大地四边形组成独立闭合环，用同一时段的各条边高差计算的闭合差进行测回筛选，共筛选出52个合格的测回成果，满足规范要求。

DKH1—XKH1测段各测回排序高差统计分布见图5。1—26测回高差升序排列，27—52测回高差降序排列，整体高差呈正态分布。