GPS在濟南某路橋工程監(jiān)測中的應(yīng)用

孫亞廷（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊，山東 濟南 250100）

GPS在濟南某路橋工程監(jiān)測中的應(yīng)用

孫亞廷
（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊，山東 濟南 250100）

【摘 要】GPS(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于導(dǎo)航、定位等系統(tǒng)中，尤其在控制測量中起了劃時代的作用。由于GPS在靜態(tài)相對定位中的高精度、高效益、全天候、不需通視等特點，使其逐漸代替了常規(guī)的三角、三邊、邊角等測量方法。新建路橋投入運營后，采用GPS對其變形情況進行監(jiān)測，為運營管理單位及監(jiān)理提供有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文對GPS在濟南某路橋工程監(jiān)測中的基準(zhǔn)設(shè)計、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理等方面進行了探索實踐，提出利用GPS技術(shù)進行工程監(jiān)測的新思路。

【關(guān)鍵詞】GPS；GPS靜態(tài)定位；監(jiān)測；數(shù)據(jù)處理

1　路橋基本情況

1.1 路橋概述

該路橋位于某規(guī)劃道路上，跨越一東西走向的河道，規(guī)劃路寬度為50m，斷面組成為7.5m慢行一體+15m車行道+5m綠化帶(BRT預(yù)留)+15m車行道+7.5m慢行一體。工程位置為一座現(xiàn)狀橋梁，寬24m，長50m，橋梁結(jié)構(gòu)形式為鋼架拱橋，主跨徑為30m，監(jiān)測實施時該橋?qū)⑷坎鸪?。橋位處河道，斷面形式為?fù)式河槽，主河槽寬60m，南側(cè)副河槽寬20m，北岸為南水北調(diào)輸水暗涵側(cè)墻。橋梁結(jié)構(gòu)型式為上承式鋼管砼桁架拱橋，主拱跨徑布置為單跨60m，梁長70m。該橋為正橋，橋?qū)挒?1m，結(jié)構(gòu)分兩幅，每幅25.5m，兩幅橋之間設(shè)縱縫2cm。橋面機、非混行車道40m，人行道寬度5.5m。

1.2 路橋結(jié)構(gòu)

1.2.1 橋梁總體設(shè)計

該路橋長70m，為凈跨徑60m上承式鋼管砼拱橋，矢跨比為1/8，拱軸線采用圓弧拱軸線。

設(shè)計車速：50km/h；汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路-Ⅰ級；設(shè)計基準(zhǔn)期：100年；設(shè)計安全等級：二級；環(huán)境類別：按Ⅰ類環(huán)境進行混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計；人行道荷載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：3.5kPa的均布荷載；地震烈度：Ⅵ度；橋?qū)挘簡畏鶚驑驅(qū)?5.5m，兩幅橋之間縱縫寬度2cm，機、非混行車道寬40m，人行道寬5.5m。橋面機、非混行車道橫坡1.5%，人行道橫坡1.5%；橋梁縱坡：橋面高點位于橋跨中心線，兩側(cè)縱坡均為2.193%，豎曲線半徑R=1 000m。防洪標(biāo)準(zhǔn)：百年一遇洪水位25.17m，河底規(guī)劃標(biāo)高18.62m，水景常水位雨季20.0m，旱季22.0m。橋下凈空：考慮游船通行，河道水深不低于1m，單向通航孔凈寬18m，側(cè)高不小于4.1m。根據(jù)橋梁規(guī)范要求，梁底標(biāo)高高出百年一遇防洪水位0.5m；支座墊石頂面高出0.25m。

1.2.2 上部設(shè)計結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)為上承式鋼管砼拱橋，主拱直徑為100cm鋼管，壁厚為16mm和20mm兩種，砼為C50微膨脹砼，單幅橋設(shè)置4根鋼管拱肋，拱肋之間設(shè)置直徑70cm鋼管橫向聯(lián)系；橋面系為鋼箱疊合梁，其中鋼箱高度為40cm，砼為C40砼厚度為25cm，鋼混結(jié)合面設(shè)置剪力鍵；主拱與橋面系之間采用空間鋼管斜桿支撐，斜桿直徑為70cm。

1.2.3 下部設(shè)計結(jié)構(gòu)

橋臺采用鋼筋砼箱式橋臺，橋臺基礎(chǔ)采用擴大基礎(chǔ)，基底持力層為強風(fēng)化輝長巖，拱腳水平推力以基底摩擦力平衡，臺后土壓力作為安全儲備，基礎(chǔ)寬度為14m，橫向與橋梁同寬，半幅橋為25.5m。

1.2.4 材料的選用

(1) 混凝土材料。

混凝土原材料的選用與混凝土的水灰比等主要配比參數(shù)滿足相關(guān)規(guī)范及設(shè)計要求，使混凝土具有良好的抗侵入性、體積穩(wěn)定性和抗裂性。

本工程混凝土實際強度等級為：鋼管砼拱圈C50，鋼箱疊合梁C40，橋臺、基礎(chǔ)等采用C30，均滿足耐久性設(shè)計要求，施工材料配合比設(shè)計也滿足以上規(guī)范要求。

(2) 鋼材。

采用R235、HRB335級鋼筋，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)符合GB13013-1991《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》、GB1499-1998《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》要求。

2　靜態(tài)GPS定位原理

衛(wèi)星定位的基本原理：應(yīng)用空間的人造衛(wèi)星作為參照點，確定一個物體的空間位置。其實質(zhì)就是空間距離后方交會(見圖1)。靜態(tài)GPS相對定位的參考點一般選擇地面上的固定點，相對定位就是利用多臺GPS接收機，分別安放在不同的觀測點上，并同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定觀測點在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對位置及基線向量。

圖1　GPS定位原理示意圖

GPS定位系統(tǒng)的組成：空間部分、地面部分、用戶部分?？臻g部分是指GPS衛(wèi)星，主要提供系統(tǒng)自主導(dǎo)航衛(wèi)星定位服務(wù)所必須的無線電導(dǎo)航定位信號。地面部分主要有：衛(wèi)星監(jiān)測站、主控站和信息注入站，其主要功能是衛(wèi)星控制和任務(wù)控制，衛(wèi)星控制是指使用遙測遙控鏈路上傳監(jiān)控對衛(wèi)星星座進行管理；任務(wù)控制是指全面對軌道確認(rèn)和時鐘同步等導(dǎo)航任務(wù)進行控制和管理，也包括完備性信息的確定和發(fā)布過程進行監(jiān)控。用戶部分指有一系列的GPS信息接收機終端構(gòu)成用于接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，獲取必要的定位信息和觀測信息，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理以完成各種定位和授時服務(wù)。

3　GPS監(jiān)測的實施

3.1 GPS監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)

該路橋GPS監(jiān)測網(wǎng)于2013年7月26日布設(shè)，全網(wǎng)共包括4個GPS點，大橋上共布設(shè)2監(jiān)測個點，其分別是：大橋中部西邊點名為DQWE, 大橋中部東邊點名為DQEA；大橋南布設(shè)一點，點名為DQSO；大橋西河道北岸上布設(shè)一點，點名為DQCK。觀測基線6條，三邊同步環(huán)為4個，基線平均邊長為93.5m。GPS網(wǎng)形見圖2。

3.2 GPS觀測

觀測時間為2013年7月30日6時至20時，歷時14h；觀測采用5臺南方靈銳82雙頻GPS接收機(標(biāo)稱精度為5mm+1ppm)連續(xù)觀測，衛(wèi)星高度角＞15°，有效衛(wèi)星數(shù)＞5顆，數(shù)據(jù)采樣間隔為15s，幾何圖形強度PDOP≤6。嚴(yán)格對中整平儀器，對中精度＜1mm。觀測前后使用專用GPS量高尺及普通鋼尺各量取儀器高兩次至1mm，各標(biāo)尺兩次量測較差均＜3mm時分別取中數(shù)，最后兩尺測量較差＜3mm時取中數(shù)作為該站最終站高。觀測中定時查看測站信息，采集歷元數(shù)、數(shù)據(jù)記錄信號燈狀態(tài)等信息，以確保設(shè)備工作狀態(tài)正常，出現(xiàn)問題及時處理。

3.3 GPS數(shù)據(jù)處理

本GPS監(jiān)測網(wǎng)基線預(yù)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核、GPS網(wǎng)平差均采用隨機平差軟件，在計算機上進行。數(shù)據(jù)處理按照每小時為一個觀測時段，將連續(xù)觀測數(shù)據(jù)劃分為14個單元，GPS監(jiān)測網(wǎng)按照二等GPS平差計算，高程為擬合高程。

3.3.1 基線處理

基線解算在WGS84坐標(biāo)系下以同步觀測時段為單位，采用廣播星歷按單基線雙差固定解進行解算。通過刪除質(zhì)量不好的衛(wèi)星數(shù)據(jù)、選擇不同誤差改正模型等方法進行人工干預(yù)解算基線。

3.3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核與平差

主要檢核數(shù)據(jù)為基線與同步環(huán)，基線相對精度統(tǒng)計結(jié)果見表1。

圖2　GPS監(jiān)測網(wǎng)圖

表1　三邊同步環(huán)驗算及平差后基線相對精度統(tǒng)計

(1) 相鄰點間基線長度精度用下式表示。式中：σ——標(biāo)準(zhǔn)差(基線向量的弦長中誤差，mm)；

a ——固定誤差，取10mm；

b ——比例誤差系數(shù)，取1；

d ——相鄰點間距離(km)。

(2) 同一時段觀測值的數(shù)據(jù)剔出率，其值＜10%。

(3) 同步環(huán)閉合差為:

3.3.3 坐標(biāo)成果

約束平差，假定DQCK監(jiān)測點為已知點，坐標(biāo)為：X =4 062 000，Y =495 000，H =29.000。平差計算結(jié)果見表2。

表2　坐標(biāo)平差成果

3.4 精度統(tǒng)計與分析

3.4.1 位置變化統(tǒng)計

各觀測時段的觀測點平面及高程與第一時段對應(yīng)點的平面及高程較差統(tǒng)計，見表3、表4。

3.4.2 平面坐標(biāo)隨時間變化分布統(tǒng)計

4個GPS監(jiān)測點以橋西河道北岸DQCK為基準(zhǔn)點，DQEA、DQWE、DQSO3個監(jiān)測點各觀測時段的位置相對其第一個時段的變化量用折線圖表示，見圖3。

表3　各監(jiān)測點平面位置相對其第一時段變化量(mm)

表4　各監(jiān)測點高程相對其第一時段變化量(mm)

3.4.3 高程隨時間變化分布統(tǒng)計

4個GPS監(jiān)測點以橋西河道北岸DQCK為基準(zhǔn)點，DQEA、DQWE、DQSO3個監(jiān)測點各觀測時段的高程相對其第一個時段高程值的變化量用折線圖表示，見圖4。

3.4.4 車流量統(tǒng)計

在GPS觀測過程中，制定專人進行各時段車輛統(tǒng)計，橋上的車流量詳見表5。

圖3　監(jiān)測點平面位置變化分布

圖4　監(jiān)測點高程變化分布

4　結(jié)語

利用GPS手段對工程變形(形變)進行實時動態(tài)監(jiān)測，這一監(jiān)測方式，可以解決同一變形體，由于受陽光、風(fēng)力、外界因素干擾(如大橋上行駛的車輛對大橋的影響)等，在某一時刻，它們之間最或然的相對關(guān)系(相對位移及擾度等)及它們相對于參考基準(zhǔn)點的絕對位移。分析它們各項因子對變形體影響的顯著性，為工程及設(shè)計，運營管理單位提供最可靠、最直觀的數(shù)據(jù)分析資料。

表5　車流量調(diào)查表(輛)

【參考文獻】

[1]劉經(jīng)南.GPS網(wǎng)的布設(shè)與數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢測繪科技大學(xué)出版社,1995.

[2]徐紹銓.GPS測量原理及應(yīng)用[M].武漢:武漢測繪科技大學(xué)出版社,2000.

【收稿日期】2014-10-31

【文章編號】1007-9386(2015)04-0056-04

【文獻標(biāo)識碼】A

【中圖分類號】U448.14;P228.4