长距离跨海水准测量方法与实施
2017-06-05
一、工程概况
CB04合同段里程为K22+083～K29+237，标段长7154m，桥址处于港珠澳大桥主体工程桥梁工程的中部位置。
桥梁工程前期完成的 K23 埋置式承台及K19、K27、K33试桩平台，将其改造为用于桥梁工程施工的测量平台；CB04标段内，存在K23及K27两个测量平台，现已在每个平台上建立好全站仪观测墩及临时参考站观测墩，这四个观测墩都作为本标段首级加密点，并与港珠澳大桥首级控制点进行联测，同时也是对港珠澳大桥首级控制网及加密网进行复测。
二、跨海水准测量技术要求
首级加密网高程复测的目的和用途是为了验证港珠澳大桥首级控制网及加密网高程测量成果的可靠性与测量精度，确保测量成果在精度、质量等方面满足大桥工程建设的基本要求。通过对复测成果与原测成果的比较分析，全面评估首级控制点的稳定性。同时，为之后的施工测量做好充分的准备。
1、场地布设
由于海上测量平台之间距离长，高程测量受大气折光、温度变化等环境影响较大，传统测量方法受限制。本项目高程控制网网形以大地四边形的形式开展，按线路里程推进，最后按里程顺序把所有的大地四边形联成一个整体，作为本项目高程控制的主网形。整体网形设计示意图如下图所示：
跨海高程传递测量场地利用K23及K27测量平台作为线路的跨海点，在平台上利用建成的全站仪强制对中观测墩及埋设的水准钉，布设近似平行四边形图形（如下图）。短边标志距离视平台空间进行调整，并考虑布设的跨海点应与相邻测量平台间互相通视。同岸观测点布设原则为，使两条跨海边AC、BD两条跨海边边长互差小于等于2m。
2、跨海边长测量
在K23及K27跨海点之间的长边距离采用 GPS 静态测量方法的方法进行测定。GPS 静态测量按国家C级精度，进行两个时段（每个时段4小时）的施测。
注：①数据处理采用TBC软件计算，并将距离归算到测量平台平均高程面上。
②短边距离可采用全站仪测距或钢尺进行测量，并用水准仪进行短边之间的跨海点间高差测量。
3、垂直角观测
按照国家二等水准的技术要求，每条跨海观测边观测的最少时段数按4S估算，最少单测回数按16S估算。K23～K27段的测回数及时段分配数量如下：
跨海距离：4km
时段数：16
单测回数：64
半测回中的组数：8-10
每组观测次数：盘左盘右各40-150次
注：半测回的组数及每组数当中的观测次数视测平台的晃动情况参照相关规范要求进行确定。
三、跨海水准测量的实施
1、实施的操作要点
1）用于跨海高程传递测量的全部仪器和工具必须在每天出测前进行一次检校，特别是TS30下述仪器误差应进行电子方式的检查与校准。
2）观测开始前 30 min，应先将仪器置于露天，使仪器与外界气温趋于一致。
3）跨海水准观测宜在平潮时段、风力微和的夜间进行，减小风浪对平台晃动的影响，观测前应先收集近期的潮汐表，选择平潮时刻前后约 1h 的时段编制观测时刻表；另外观测时的湿度不宜太大，避免大气折射变化对垂直角观测值的影响。
4）每天作业前或作业后，可先固定全站仪记录100 个连续的垂直角数据，供分析垂直角变化情况使用。
5）标灯采用基座安装在强制对中标志或三脚架上，并经常注意使圆水准器的气泡居中。
6）仪器调岸时，标灯亦应随同调岸。
7）两台仪器对向观测时，应使用对讲机进行通讯，使两岸同一测回的观测，做到同时开始与结束。
8）外业垂直角数据记录采用仪器记录模式，手工记录观测点号、仪器号及标灯高度等。
9）每天晚上观测的外业垂直角数据应于第二天白天及时整理，保存仪器观测的原始记录文件，并采用 EXCEL 编辑为固定格式的表格。
10）外业工作在晚上进行，视线不好，特别要注意安全问题。
2、实施的仪器设备
①、用于实施跨海边长测量的仪器，是2台天宝R7 GPS与两台天宝R8 GPS。静态测量精度：水平：3mm+0.5ppm；垂直：5mm+1ppm。
②、用于实施长距离跨海水准测量的仪器，是2台瑞士Leica公司的TS30高精度全站仪，其标称精度为测角精度：0.5"；测距精度：0.6mm + 1ppm。
③、用于实施同岸高差测量的仪器，是1台标称精度为±0.3mm/km的天宝公司的DINI电子水准仪及其原厂配套的铟瓦条码水准尺和重量为5kg的标准尺垫。
④、其他所需仪器设备还包括标灯2个，温度计2个，气压计2个，夜间照明设施2套。
3、实施的外业观测
①、观测程序
采用2 台 TS30 全站仪及配套标灯进行同步对向观测，具体步骤如下：
a）在 A、D 点设站，用钢尺测定仪器及标灯的高度；而后同步观测对岸远标志，测定 αAC、αDB；即两台仪器共完成第一个单测回，如下图1。
b）将标灯和仪器的位置互换，即仪器换至 B、C 点，标灯换至 A、D 点，用钢尺测定仪器及标灯的高度；而后同步观测对岸远标志，测定αBD、αCA；即两台仪器共完成第二个单测回，如下图2。 c）至此第一个仪器位置的观测结束，两台仪器共完成2个单测回。
d）循环完成32个单测回后，人员、仪器及标灯相互调岸，进行剩余32个单测回的观测。
②、观测方法
a）仪器及标灯的高度量测：强制归心观测墩上量测仪器及标灯至观测墩顶的垂高；三脚架上则量测仪器及标灯至水准钉的斜高，再归算为垂高；
b）观测远标志：每台仪器在盘左位置用望远镜中丝精确照准远标灯形成的红点中间部分，读取40～150次数据（视平台晃动情况确定）；纵转望远镜，在盘右位置按盘左的方法同样进行照准和读数。以上观测为每台仪器一组垂直角数据，按8～10组的要求完成半测回的垂直角观测。
4、限差设计
①、单测回间跨海高差互差限差为：
式中：M ――每千米水准测量偶然中误差限值，单位为毫米（mm）；
N――单测回的测回数；
S――跨河视线长度，单位为千米。
②、环闭合差限差为：
式中：MW――每千米水准测量全中误差限值，单位为毫米（mm）；
S――跨河视线长度，单位为千米（km）。
每公里往返测高差中数的全中误差：≤±6.0mm
5、实施的内业数据的处理
①、对本次的跨海边长GPS静态观测数据，利用天宝TBC软件进行解算，并将距离归算到测量平台平均高程面8米。在WGS-84坐标系中进行三维无约束平差，并对平差结果进行分析，观察观测值中是否存在异常观测值和点位误差的大小及其均匀性。无异常情况后，以港珠澳大桥测控中心建立的3个比较稳定的GPS网点作为本次约束平差的起算点，进行GPS网的二维约束平差。GPS网约束平差后的主要精度指标完全达到了预先设计的国家C级精度要求。
②、跨海水准测量，每半个测回进行了10组（每组观测100个数据）的垂直角观测，分别计算10组各自100个观测值的垂直角，然后计算10组垂直角的平均值作为半个测回观测的垂直角。两个半测回的垂直角的平均值作为单测回的垂直角。再根据跨海边长、仪器高及标灯高计算每个单测回的高差，两个单测回往返高差取平均值作为1个独立闭合环的跨海边的高差。单测回间跨海高差互差限差为：
=64.3mm
根据每个独立环的跨海边高差及同岸高差计算每个独立闭合环的闭合差。独立闭合环的闭合差限差为：
=24.1mm
通过对42个跨海独立闭合环环闭合差限差为进行比较和分析，剔除超限的10个环，其余32个环的闭合差均在限差范围内；有效单测回高差互差最大为SJM06～SJM10边的56.6mm，符合限差为 要求，满足该段跨海高程复测设计书中32个独立闭合环的要求。
对32个合格环进行计算后，其总闭合差为：1.72mm，计算的每千米高差中数中误差0.60mm，达到了国家二等水准的要求。
四、结语
由上述精度可知，港珠澳大桥采用TS30全站仪进行跨海水准测量，在复杂的海上环境下达到了二等水准测量的精度，满足设计及后期施工测量的要求。
结合本项目工作实践，对于解决长距离跨海高程传递，保证二等水准测量精度，具有实际操作的指导作用。
参考文献：
[1] 交通部第一公路工程总公司.桥涵[M].北京：人民交通出版社，2000.
[2]工程测量规范（GB50026-2007）
[3]国家一、二等水准测量规范（GBT12897-2006）
[4]公路桥涵施工技术规范（JTG/T F50-2011）
