GPS-RTK技術(shù)在監(jiān)測鋼棧橋的應用

鐘偉華

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 前言

福建省霞浦縣某鋼棧橋（見圖1）全長55 m，橋面寬10 m，下部結(jié)構(gòu)采用10排鋼管樁，每排3根，樁直徑0.8 m，樁頂采用槽鋼加貝雷片搭設，橋面采用防滑鋼板鋪設而成［1］。該鋼棧橋限載60 t，限速20 km，建成以后，設計單位要求對橋進行負載試驗及位移沉降監(jiān)測［2］。

圖1 鋼棧橋位置Fig.1 Steel Trestle Location

1 位移沉降監(jiān)測方案

1.1 監(jiān)測方法

根據(jù)設計要求，在橋跨中央部位設置1個監(jiān)測點。采用GPS-RTK 移動站固定在橋中間西側(cè)靠近欄桿處，實行全天候監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，負載試驗時再采用激光儀和游標卡尺聯(lián)合讀數(shù)加以輔正，得到2種數(shù)據(jù)，加以比較，最終為設計單位提供有效的負載試驗數(shù)據(jù)以及曲線圖。

1.2 監(jiān)測頻率

根據(jù)設計要求，監(jiān)測頻次按表1 執(zhí)行。

表1 監(jiān)測頻次［3］Tab.1 Monitoring Frequency

1.3 GPS控制網(wǎng)

根據(jù)業(yè)主交接的示范快堆次級控制網(wǎng)建立的成果函，按照《全球定位系統(tǒng)GPS測量規(guī)范:TB/T 18314-2001》要求（見表2），按照成果函里提供的坐標和高程，架設固定GPS-RTK 基準站，求得GPS-RTK 移動站的轉(zhuǎn)換七參數(shù)，所得的坐標和高程誤差在5 mm 以內(nèi)，手簿顯示跳動幅度2～3 mm，達到精度要求［4］。

2 位移沉降監(jiān)測步驟

⑴GPS-RTK 方法:根據(jù)設計要求在鋼棧橋西側(cè)中間位置靠近欄桿處只設1個監(jiān)測點，先用鋼筋燒焊，再用混泥土澆筑1個固定墩臺，墩臺上安置GPS-RTK移動站，旁邊的欄桿處燒焊1 個固定鐵箱，上鎖，用于存放12 V干電池和移動站的手簿及手簿備用電池（見圖2）。

⑵激光儀方法:在長表島的山體設置激光發(fā)射墩臺（見圖3）。激光線的高度和橋體欄桿高度相差2 cm以內(nèi)，對面山體設置1個接收激光十字板，每次測量時要確保激光線在同一位置［6］。再在離GPS-RTK 移動站墩臺位置約1 m 處，欄桿上燒焊1 塊測量板，測量板的高度低于激光線2 厘米，以便用游標卡尺測量實時的變化數(shù)據(jù)，測量板和墩臺一起在四周設欄桿圍護（見圖4）。

表2 GPS控制測量作業(yè)的基本技術(shù)要求Tab.2 Basic Technical Requirements of GPS Control Survey

圖2 GPS-RTK移動站安置位置Fig.2 GPS-RTK Mobile Station Location

圖3 激光發(fā)射墩安置位置［5］Fig.3 Location of Laser Launching Pier

圖4 測量板安置位置［7］Fig.4 Location of Measuring Plate

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

負載試驗時，用卡車拉一車石頭，重約55 t，從鋼棧橋的一端開始，緩慢通過。監(jiān)測點采用的GPSRTK 移動站，以某公司生產(chǎn)的V30 型號為例，先安置設定好固定位置的基準 站，把GPS-RTK 移動站設置在監(jiān)測部位的固定墩上，連接電瓶電源，開機要一切正常，藍牙連接好手簿，“碎步測量”一定要顯示“固定解”，點擊“自動記錄”，設置好“每秒自動記錄”就行了，把手簿放在鐵箱里，需要數(shù)據(jù)時導出數(shù)據(jù)。每秒采集1 次數(shù)據(jù)，每3 次采集的數(shù)據(jù)平均值作為1 次監(jiān)測值。激光儀和游標卡尺聯(lián)合測量，最好選擇在陰天或者晚上進行，激光線經(jīng)過測量板時，以便游標卡尺的對正量取數(shù)據(jù)，游標卡尺的一端勾住測量板，一端對正激光線，每人拿1 把游標卡尺操作，每隔5 s 分別讀取1 次L1、L2 的數(shù)值，L1是左右“東西向”變化數(shù)據(jù)，L2 是上下變化數(shù)據(jù)，1人報時并記錄數(shù)。之后整理各自數(shù)據(jù)，生成曲線圖，對比分析結(jié)果。

4 監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測時段選擇在下午14:56開始，陰天，激光照射清晰，一切準備就緒，裝有石頭的卡車重約55 t，從橋的一端開始，緩慢通過，57 s 走完整座鋼棧橋，各自分工記錄好監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.1 GPS-RTK移動站數(shù)據(jù)處理

圖5 GPS-RTK移動站監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Monitoring Data Curve of GPS-RTK Mobile Station

GPS-RTK 移動站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，下載后用電子表格，按要求處理（見表3）。位移、沉降累計數(shù)據(jù)如表4所示。生成的監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。從表3、表4和圖5的結(jié)果分析:鋼棧橋的東西方向的位移Y值呈曲線變化，也就是左右搖擺變化趨勢。重載卡車從橋斷開始走，約6 s開始變化，30 s到達監(jiān)測部位，向左最大-2.67 mm，45 s 向右2.63 mm，之后回到0.1 mm。沉降H曲線呈拋物線變化，到達監(jiān)測部位27 s，下沉-3.93 mm，之后回到0.13 mm。從數(shù)據(jù)說明，此橋負載試驗數(shù)據(jù)來看，左右“東西向”最大變化值是2.67 mm，上下“沉降”最大3.93 mm。

4.2 激光儀游標卡車聯(lián)合測量數(shù)據(jù)處理

表3 GPS-RTK移動站監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.3 GPS-RTK Mobile Station Monitoring Data

表4 GPS-RTK移動站監(jiān)測數(shù)據(jù)累計位移、沉降Tab.4 Accumulated Displacement and Settlement of GPS-RTK Mobile Station Monitoring Data

激光儀和游標卡車聯(lián)合測量，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表5 所示，生成的監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

從表5 和圖6 的結(jié)果分析:鋼棧橋的東西方向的L1 值也呈曲線變化，也就是左右搖擺變化趨勢。重載卡車從橋斷開始走，5 s開始變化，30 s到達監(jiān)測部位，向左最大-2.7 mm，之 后 回 到-0.2 mm。L2 值沉降曲線呈拋物線變化，到達監(jiān)測部位27 s，下沉-4.3 mm，之后回到0.1 mm。從數(shù)據(jù)說明，此橋負載試驗數(shù)據(jù)來看，左右“東西”最大變化值是2.7 mm，上下“沉降”最大4.3 mm。

4.3 誤差分析

GPS-RTK:系統(tǒng)誤差為主，主要來自2個方面:①以外業(yè)測量的有關(guān)測量誤差；②數(shù)據(jù)處理有關(guān)的誤差。測量時誤差源大致分為3類:星歷誤差、電離層路徑影響誤差以及接收質(zhì)量誤差，利用固定墩臺安裝儀器，瞬時姿態(tài)修正精度能有效消除系統(tǒng)帶來的誤差。

激光儀:偶然誤差為主，是由于主觀因素引起的誤差，在固定墩臺上安置激光儀，作一系列的觀測，從觀測數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，誤差在大小、符號上都表現(xiàn)出偶然性，即從單個誤差看，該列誤差的大小和符號沒有規(guī)律性，但就大量誤差而言具有一定的統(tǒng)計規(guī)律。

5 結(jié)論

圖6 激光儀和游標卡車聯(lián)合監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Joint Monitoring Data Curve of Laser Instrument and Vernier Truck

由于受到潮水和橋梁活載的影響，以及本身的結(jié)構(gòu)性能，整個橋體會產(chǎn)生輕微的晃動，不適合架設全站儀和水準儀，無法進行有效的位移沉降監(jiān)測［8］。2種監(jiān)測方法從數(shù)據(jù)和曲線圖可以看出結(jié)果非常接近，能監(jiān)測出橋梁在設計活載作用下位移和沉降的變化規(guī)律，供設計單位據(jù)此對橋梁進行安全評估，同時證明GPSRTK對橋梁進行位移沉降監(jiān)測方法是可靠的［9］。

表5 激光儀和游標卡尺聯(lián)合監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.5 Joint Monitoring Data of Laser Instrument and Vernier Caliper

國內(nèi)一般的施工單位都有整套GPS，一個基準站，幾個移動站。應用GPS-RTK 移動站架設固定在鋼棧橋的需要監(jiān)測部位，優(yōu)點就是能實時自動采集，可以實現(xiàn)長時間、全天候監(jiān)測，也可以應用到新建、改建、擴建的大型橋梁上，尤其是不適合架設全站儀和水準儀的橋，以求達到監(jiān)測的目的，此應用值得推廣［10］。