海上施工測量GPS控制

（浙江臺州市沿海高速公路有限公司，臺州 318000）

0 引言

隨著社會的不斷進(jìn)步和發(fā)展，GPS技術(shù)也發(fā)展的越來越先進(jìn)，適用性也越來越廣，現(xiàn)在很多行業(yè)都在應(yīng)用GPS技術(shù)，其中工程施工行業(yè)就是其中之一。工程施工行業(yè)GPS技術(shù)用于測量技術(shù)中，GPS技術(shù)在測量技術(shù)中主要用于建立控制網(wǎng)和施工過程中的測量控制，而與常規(guī)建立控制網(wǎng)方法相比，GPS技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、全天候、高精度、定位速度快、布點(diǎn)靈活和操作方便等特點(diǎn)。文章針對GPS技術(shù)在工程施工測量技術(shù)中的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合某特大橋橋梁實(shí)例，對GPS技術(shù)在測量技術(shù)中運(yùn)用與控制進(jìn)行分析，可供參考。

1 工程概況

浙江省三門灣大橋及接線工程主線起點(diǎn)樁號K46+912.043，全線經(jīng)象山、寧海、三門等3個(gè)縣市區(qū)，終于臺州市三門縣六敖鎮(zhèn)，終點(diǎn)樁號K101+405.299，路線全長約54.493 km。其中TJ10標(biāo)段施工樁號范圍 K97+700～K101+405.299，線路長度3.705 km。

TJ10標(biāo)工程內(nèi)容包括蛇蟠水道大橋、路基及地方道路改造工程的施工完成和缺陷責(zé)任期缺陷修復(fù)。線路設(shè)計(jì)全部采用雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度33.5 m。設(shè)計(jì)速度全線采用100 km/h，橋涵設(shè)計(jì)汽車荷載等級為公路I級。其中，蛇蟠水道大橋左幅采用4×30+4×50+40+18×50+80+2×145+80+22×50+10×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁加連續(xù)剛構(gòu)，右幅采用4×30+6×50+4×50+40+12×50+85+2×145+85+22×50+10×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁加連續(xù)剛構(gòu)，橋梁全長3 110 m。主橋跨徑組合80+2×145+80 m，采用雙薄壁墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋。海上及高墩區(qū)引橋跨徑50 m為主，其中蛇蟠島側(cè)由于上跨堤壩需要具備調(diào)整為40 m，矮墩區(qū)引橋采用30 m。上部結(jié)構(gòu)均采用等高度預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁[1]。

柱墩橋墩采用雙薄壁實(shí)體墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。過渡墩和引橋橋墩均采用花瓶型片式實(shí)心墩，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

項(xiàng)目地處東南沿海，為歐亞太陸與太平洋之間的過渡地帶，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，兼受海洋對氣候調(diào)節(jié)作用影響，具有季風(fēng)明顯，溫暖濕潤，光照充足，雨量充沛，但臺風(fēng)災(zāi)害頻繁的氣候特點(diǎn)。年平均氣溫16.3～17.9 ℃，極端氣溫在40 ℃左右，極端最低氣溫在-4.6 ℃左右。工程區(qū)域冰凍日數(shù)、高溫日數(shù)少，對工程施工、安全營運(yùn)無較大影響。

本地區(qū)年平均降雨量在1 310～1 740 mm之間，平均降雨日數(shù)在150～171 d之間，降雨量集中在春、夏季之間，6月和8月為降雨高峰期，前者為梅汛期降雨，月平均降雨量180～250 mm之間，后者多為臺風(fēng)影響所致，月平均有140～300 mm之間。

因工程所在區(qū)域季風(fēng)氣候影響，風(fēng)量、風(fēng)速變化比較明顯，夏季為東南偏東風(fēng)，冬季為西北風(fēng)，全年最多風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，累年各月平均風(fēng)速在2.2～5.2 m/s之間。根據(jù)沿海高速公路（甬臺溫復(fù)線）氣候?qū)ｎ}研究報(bào)告，蛇蟠水道大橋橋位處百年一遇基準(zhǔn)風(fēng)速為V10=40 m/s。

本工程區(qū)域內(nèi)霧出現(xiàn)頻率較高，全年各月均有霧出現(xiàn)，但主要集中在冬、春兩季，累年最多日幾乎都在50 d以上，其中三門灣年霧日數(shù)可達(dá)40～50 d，但多數(shù)情況下，霧的最長持續(xù)時(shí)間不超過12 h，且持續(xù)時(shí)間在1～4 h之間的霧出現(xiàn)次數(shù)較多[2]。

三門灣三面面山，岸線曲折，港汊間舌狀潮灘相間而生，灣內(nèi)島嶼羅列，有大、小島嶼130個(gè)。四周陸地以侵蝕丘陵為主，海波在500 m以下，切割深度淺，山脊呈波狀起伏，山頂一般均被長期剝蝕呈渾圓狀，山溪性河流蜿蜒期間。

陸地周邊溪流的中、下游谷地，局部分部有陂洪積、沖洪積平原。主要由河漫灘、淺灘和邊灘組成，多形成坡集裙或洪積扇，位于低山丘陵前緣，地勢由山前向河谷微傾。陸地沿海則發(fā)育有許多小型的海積、沖海積平原，地勢平坦，標(biāo)高1.5～2.5 m，河網(wǎng)密布，多為農(nóng)田。

本跨海大橋所經(jīng)海域自北向南分布有力洋港、青山港和蛇蟠水道大橋等潮汐通道或沖刷槽，猶如樹枝狀向岸延伸。港汊之間則分別發(fā)育了三山涂、蛇蟠涂等舌狀潮灘。其中本跨海大橋蛇蟠水道大橋位于三門縣城東20 km，南北介于大陸岸灘與蛇蟠島之間。呈東西向，西通旗門港、正嶼港和海游港，東至八分嘴北端，通貓頭水道。橋位處于水面開闊，寬2 380 m，水深大于5 m，深槽的寬度為1 680 m，最大水深10 m，多年來基本穩(wěn)定。

該工程因其所處的地理位置特別（海上、連接大陸與海島），根據(jù)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工建設(shè)的需要，采用GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）技術(shù)進(jìn)行大范圍平面控制測量的技術(shù)手段相比于全站儀導(dǎo)線加密的方法來說非常方便和可靠。

2 工程對控制測量的要求

為保證該工程在設(shè)計(jì)階段大比例尺地形圖（1：500，1：1 000），施工階段工程放樣（工程施工和貫通的精度需求），施工階段工程安全變形監(jiān)測的控制，確定如下的控制測量基準(zhǔn)和精度要求。

平面坐標(biāo)：1980年西安坐標(biāo)系，3°帶，東經(jīng)121°30’中央子午線。

高程系統(tǒng)：1985國家高程基準(zhǔn)。

控制網(wǎng)在精度上應(yīng)滿足工程建設(shè)在各階段對平面位置及高程要求，控制點(diǎn)密度應(yīng)滿足日常施工需要，方便施工放樣等工作。技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、高效，確保控制成果正確可靠，根據(jù)工程進(jìn)展再進(jìn)行合理的加密[3]。

3 建立GPS施工控制網(wǎng)

由于工程跨度較大，所以控制網(wǎng)布設(shè)擬采用分級布設(shè)，逐級加密的方案。在兩岸已有高級控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，沿橋梁在海中間再搭設(shè)4個(gè)測量強(qiáng)制對中平臺。首先，運(yùn)用高精度GPS相對定位技術(shù)對兩岸測區(qū)范圍的2個(gè)以上基巖點(diǎn)及國家高等級控制點(diǎn)與加密控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，求得加密點(diǎn)的平面坐標(biāo)，陸地上GPS控制點(diǎn)選在一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)，點(diǎn)距3～5 km，均勻分布，便于后期施工過程中的測量控制。選點(diǎn)位置應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）測站應(yīng)選在視野開闊的位置，一般在10～15°高度角以上不能有成片的障礙物。

（2）測站周圍200 m內(nèi)不能有強(qiáng)電磁波干擾源，防止對其GPS信號進(jìn)行干擾。

（3）測點(diǎn)應(yīng)選在地質(zhì)條件較穩(wěn)定，易于保存的地方。

GPS控制外業(yè)測量采用兩臺Trimble R5，兩臺Trimble R6，共4臺雙頻接收機(jī)，按靜態(tài)模式進(jìn)行外業(yè)觀測。首級GPS控制選用4個(gè)高等級GPS點(diǎn)（Ⅱ06、Ⅱ07、A107、E083）作為GPS平面坐標(biāo)起算點(diǎn)，觀測時(shí)段1 h，共4個(gè)時(shí)段，采樣歷元間隔30 s，天線高量取至相位中心，觀測的前、中、后量取3次。加密GPS控制外業(yè)觀測時(shí)，數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)定10 s，衛(wèi)星高度角≥15°，PDOP值≤6。GPS天線整平、對中誤差不大于1 mm，每時(shí)段觀測前、后各量取天線高一次，較差小于2 mm取兩次平均值作為最終天線高[4]。加密點(diǎn)靜態(tài)觀測共分為6站，每站觀測4個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段≥60 min。蛇蟠水道大橋GPS控制點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 蛇蟠水道大橋GPS控制點(diǎn)布置

4 GPS數(shù)據(jù)處理軟件及方法

4.1 GPS基線處理軟件及方法

GPS靜態(tài)基線解算采用軟件為LGOv7.01，同一時(shí)段觀測值的數(shù)據(jù)剔除率均小于10%，重復(fù)基線較差、同步環(huán)、獨(dú)立環(huán)的坐標(biāo)分量及全長閉合差應(yīng)滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG_TF50-2011）的要求。

4.2 GPS網(wǎng)平差方法

平差采用GPS靜態(tài)后處理軟件V4.2.5進(jìn)行，以所使用的GPS控制點(diǎn)中3個(gè)已知二等控制點(diǎn)為固定起算點(diǎn)，進(jìn)行二維無約束平差，平差結(jié)果各基線向量改正數(shù)、基線邊長、方位角及相對中誤差均應(yīng)滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG_TF50-2011）的要求。

項(xiàng)目測量的重點(diǎn)和難點(diǎn)是蛇蟠水道大橋主橋墩身及上部掛籃懸澆箱梁施工、引橋海中墩身及上部移動(dòng)模架施工現(xiàn)澆箱梁。主墩共三個(gè)，高度達(dá)34.8 m，承臺采用大型鋼套箱施工。由于主橋大部分位于海中且橋墩距岸邊較遠(yuǎn)，受臺風(fēng)、濃霧、雷暴、降雨等惡劣天氣影響較大，受環(huán)境的干擾相對嚴(yán)重。特別是蛇蟠水道大橋?qū)偬卮笮秃Ｉ鲜┕蛄海瑢ΜF(xiàn)場施工放樣的精度提出了極高要求，給本項(xiàng)目測量工作提出了很大的挑戰(zhàn)。蛇蟠水道大橋主橋橋型布置如圖2所示。

圖2 蛇蟠水道大橋主橋橋型

項(xiàng)目主要測量內(nèi)容有控制網(wǎng)的復(fù)測與加密，鋼護(hù)筒振設(shè)定位，基樁、承臺、墩身、支座墊石及主橋連續(xù)剛構(gòu)箱梁、引橋現(xiàn)澆箱梁的測量定位，橋面及橋面附屬工程，路基路面，擋墻以及配合監(jiān)控單位進(jìn)行變形觀測，承臺沉降觀測等，采用GPS技術(shù)進(jìn)行橋梁控制測量可以極大程度提高工作效率，對于縮短工期具有很大的幫助。

5 GPS在工程測量中的應(yīng)用

GPS是美國開發(fā)的全球定位系統(tǒng)的簡稱，可以在陸、海、空進(jìn)行全方位的三維定位及導(dǎo)航，是新一代的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。目前，這一技術(shù)被廣泛的應(yīng)用到測繪上，GPS-RTK技術(shù)是以載波觀測值為基礎(chǔ)的一種動(dòng)態(tài)觀測技術(shù)，在野外測量時(shí)省時(shí)、省力、快速、靈活，能提高工作效率。其特點(diǎn)體現(xiàn)在觀測站間不需要通視，可以實(shí)時(shí)提供三維坐標(biāo)，定位精度高，GPS操作簡便，能夠全天24 h作業(yè)。

RTK技術(shù)是一種實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，是GPS技術(shù)應(yīng)用中一個(gè)新的突破，可在野外獲取點(diǎn)位精度厘米級的水平精度，它是以載波相位觀測量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS測量技術(shù)，其系統(tǒng)組成主要包括RTK信號接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)。RTK技術(shù)使用的是相位差分的GPS，是先將改正數(shù)通過基準(zhǔn)站發(fā)出，流動(dòng)站將其成功接收后改正相應(yīng)的測量結(jié)果，進(jìn)而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。其工作原理是先在基準(zhǔn)站安放一臺接收機(jī)，流動(dòng)站上安裝一臺或者幾臺接收機(jī)，流動(dòng)站和基準(zhǔn)站在同一時(shí)間接收由同一個(gè)GPS衛(wèi)星發(fā)射出來的信號，將已知的信息與基準(zhǔn)站獲得的觀測值進(jìn)行對比，從而獲取GPS差分改正后的數(shù)值，之后改正值會通過無線電臺傳到流動(dòng)站上，由流動(dòng)站對GPS觀測值進(jìn)行精化，最后得到準(zhǔn)確的流動(dòng)站的位置坐標(biāo)[5]。采用這種方法，進(jìn)行水中墩定位時(shí)只需在基準(zhǔn)站上安置一臺GPS接收機(jī)，對所有可觀測到的GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并將觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送到定位船上移動(dòng)觀測（1～3 min）的GPS接收機(jī)，即可實(shí)時(shí)得出該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，精度可達(dá)2～5 cm。如果距離近，基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)有5顆以上共視GPS衛(wèi)星，精度可達(dá)1～2 cm。

施工主要內(nèi)容有鋼護(hù)筒、鉆孔樁、承臺、墩身、蓋梁、掛籃懸澆、邊跨移動(dòng)模架現(xiàn)澆及主橋上部構(gòu)造掛籃懸澆、路基施工、橋面及附屬工程施工等。根據(jù)不同的施工階段和施工內(nèi)容采用不同的測量方法，以滿足大橋測量精度的要求。

6 GPS在海上工程測量中的控制

傳統(tǒng)的施工放樣是采用全站儀的方法，將全站儀架設(shè)在已知點(diǎn)上，觀測后視點(diǎn)進(jìn)行定向之后進(jìn)行放樣，此方法效率低下，且受限環(huán)境因素多，考慮施工測量作業(yè)條件限制，承臺以下基礎(chǔ)施工測量定位，主要采用GPS-RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制測量這種先進(jìn)測量定位技術(shù)進(jìn)行施工控制，在RTK軟件中包含放樣功能，可進(jìn)行點(diǎn)、直線、曲線的施工放樣測量。在GPS測量手簿中輸入首先設(shè)計(jì)好的點(diǎn)、線要素，即可自動(dòng)生成對應(yīng)的放樣點(diǎn)，通過RTK手簿實(shí)時(shí)顯示放樣點(diǎn)的里程和偏移距離指導(dǎo)放樣工作，目前國內(nèi)一些測量公司開發(fā)出的三星（GPS、GLONASS、北斗）解算的RTK，使得RTK的平面放樣精度達(dá)到毫米級，GPS-RTK完全可以滿足橋梁施工中一些結(jié)構(gòu)物的放樣。

工程施工控制點(diǎn)的GPS擬合高程參數(shù)采用測控中心統(tǒng)一提供的擬合高程參數(shù)，應(yīng)用公路GPS一級精度測設(shè)大地高，推算1985年國家高程。承臺及承臺以上上部結(jié)構(gòu)平面控制必須以首級網(wǎng)及加密網(wǎng)為依據(jù)，采用經(jīng)過復(fù)測加密的控制點(diǎn)。高程控制待海中測量平臺（或優(yōu)先墩）完工，通過跨海二等水準(zhǔn)聯(lián)測后，根據(jù)二等水準(zhǔn)結(jié)果作為高程控制依據(jù)。承臺以上上部結(jié)構(gòu)施工測量定位，可以依據(jù)在承臺或附近透水結(jié)構(gòu)物上加密的控制點(diǎn)，主要采用全站儀極坐標(biāo)法進(jìn)行施工控制。墩身高程控制擬采用全站儀三角高程法，結(jié)合徠卡NA2精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量，確保滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范的精度要求[6]。

鋼護(hù)筒定位的質(zhì)量直接影響鉆孔樁的成樁質(zhì)量。項(xiàng)目鋼護(hù)筒定位分為陸上施工定位和海中施工定位，其定位的原理及方法是相同的，都是使用測量儀器測定護(hù)筒中心坐標(biāo)，利用輔助定位導(dǎo)向架來完成。陸上鋼護(hù)筒定位工作相對簡單，重點(diǎn)對海中鋼護(hù)筒定位施工進(jìn)行說明。海中鋼護(hù)筒定位采用定位船固定鋼護(hù)筒，配以安置在起重船上的振動(dòng)錘加以沉放。首先設(shè)流動(dòng)站于定位船上用來固定鋼護(hù)筒的定位導(dǎo)向架中心測量，實(shí)時(shí)指揮定位船準(zhǔn)確就位，使定位架中心準(zhǔn)確定位于樁位設(shè)計(jì)中心上（GPS-RTK在動(dòng)態(tài)差分能夠固定的情況下，定位精度達(dá)到厘米級，能夠滿足鋼護(hù)筒沉放定位要求），而后用架在先期施工的測量平臺上的全站儀進(jìn)行校核，接著用起重船吊鋼護(hù)筒進(jìn)入導(dǎo)向架，用全站儀免棱鏡功能檢查并控制垂直度后，再用振動(dòng)錘振動(dòng)鋼護(hù)筒沉放至設(shè)計(jì)標(biāo)高。整個(gè)沉放過程中用全站儀監(jiān)控護(hù)筒位置和垂直度，確保施工質(zhì)量。護(hù)筒沉放完畢后立即與先期形成的平臺聯(lián)結(jié)形成整體，增加鋼護(hù)筒的穩(wěn)定性。

直接在護(hù)筒頂口放出其設(shè)計(jì)縱橫軸線進(jìn)行鋼護(hù)筒中心偏差測量，做好標(biāo)記（以便鉆機(jī)初定位用），用弦線和鋼尺量出鋼護(hù)筒頂口偏位。鋼護(hù)筒垂直度采用錘球法結(jié)合經(jīng)緯儀豎絲法測定。

7 結(jié)束語

通過GPS對橋梁施工控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)具有可操作性強(qiáng)、精度高、周期短等特點(diǎn)，相對于傳統(tǒng)控制網(wǎng)建設(shè)方法具有極大優(yōu)勢。不過這一工作中所涉及的內(nèi)容較多，其難度都比較大，所以做好這項(xiàng)工作，不僅需要理論方面知識的支持，還要結(jié)合實(shí)際工作中做好實(shí)踐。在工程測量領(lǐng)域中，由于GPS定位技術(shù)自身獨(dú)特而強(qiáng)大的功能，充分顯示了它在該領(lǐng)域?qū)嶋H測量工作中比常規(guī)控制測量具有更大的優(yōu)越性和適應(yīng)性，同時(shí)也存在一些不足，還有待于進(jìn)一步研究改善來適應(yīng)實(shí)際測量工作。隨著該技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，以及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，GPS定位技術(shù)將在交通建設(shè)及工程測量中得到更加廣泛的應(yīng)用。