三角高程在跨河水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用探討

徐弘

安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局322地質(zhì)隊(duì)馬鞍山測(cè)繪技術(shù)院 安徽馬鞍山 243000

跨河水準(zhǔn)測(cè)量是指在道路、橋梁工程中，當(dāng)因?yàn)楣こ绦枨?，需要跨越大的江面、河面、谷地等?shí)現(xiàn)水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，因?yàn)榻妗⒑用?、谷地過(guò)寬，常規(guī)的水準(zhǔn)測(cè)量方法難以保證其有效精度，從而采用的一種高程測(cè)量方法。與常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量方法相比，跨河水準(zhǔn)測(cè)量在保證每次高程測(cè)量精度的情況下，采用高程傳遞的方法，將本岸高程控制點(diǎn)的高程以指定精度范圍，有效傳遞到河對(duì)面。此外，因?yàn)槌Ｒ?guī)水準(zhǔn)測(cè)量方法每次測(cè)量視線跨度過(guò)短，需要多次架設(shè)儀器，非常容易造成人工操作誤差。因此，其局限性非常大。

1 三角高程水準(zhǔn)測(cè)量的原理及方法

三角高程水準(zhǔn)測(cè)量指的是在需要測(cè)量高程的某地點(diǎn)架設(shè)儀器，通過(guò)架設(shè)的經(jīng)緯儀或全站儀來(lái)測(cè)量選定的某兩個(gè)控制點(diǎn)的水平距離以及高度角。然后通過(guò)推導(dǎo)公式，求解該選定的兩個(gè)控制點(diǎn)之間的高程和高差的方法。

2 工程概況及三角高程控制網(wǎng)的布設(shè)

2.1 工程概況

馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋主橋位于馬鞍山市雨山區(qū)、當(dāng)涂縣及和縣交界處，大橋中心地處東經(jīng)118°23′，北緯31°36′，沿長(zhǎng)江與南京、蕪湖相鄰。大橋全長(zhǎng)36.14千米，跨江主體部分長(zhǎng)11.209千米。安徽省交通控股集團(tuán)有限公司于2019年對(duì)大橋01標(biāo)段開(kāi)展橋梁控制網(wǎng)布設(shè)及測(cè)量工作，項(xiàng)目的目的是為了馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋的養(yǎng)護(hù)。

2.2 高程測(cè)量技術(shù)難點(diǎn)

馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋全場(chǎng)36.14千米，寬33米，為多跨公路橋，其中左汊橋?yàn)槎嗫绻窇宜鳂?，右汊橋?yàn)槎嗫珉p索面斜拉橋。在對(duì)該長(zhǎng)江公路大橋01標(biāo)段養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，因?yàn)榻鎸挾冗^(guò)大的原因，在跨河水準(zhǔn)測(cè)量中，具有非常大的難度。為保證水準(zhǔn)測(cè)量的精度，需要采用三角高程測(cè)量的方法，將河岸一側(cè)的基準(zhǔn)控制點(diǎn)“武寧93”高程傳遞到江對(duì)岸。為此，需要進(jìn)行相應(yīng)的橋梁控制網(wǎng)布設(shè)，其相關(guān)首級(jí)平面橋梁控制網(wǎng)，以及高程控制網(wǎng)要求如下：

（1）橋梁控制網(wǎng)等級(jí)的確定：因?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)的原因，該公路大橋?yàn)槎嗫绻窊?，根?jù)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/T18314-2009）、《工程測(cè)量規(guī)范》（GB50026-2016）、《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》（GB/T12897-2006）、《公路勘測(cè)規(guī)范》（JTGC10-2018）等有關(guān)規(guī)范的規(guī)定，以及企業(yè)測(cè)量精度要求，首先需要對(duì)即將建立的橋梁控制網(wǎng)的等級(jí)進(jìn)行確定。本次對(duì)馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋01標(biāo)段首級(jí)平面控制網(wǎng)級(jí)別確定為C級(jí)GPS布設(shè)網(wǎng)；對(duì)該公路大橋的高程控制網(wǎng)等級(jí)確定二等水準(zhǔn)布設(shè)網(wǎng)。通過(guò)相應(yīng)的C級(jí)GPS平面布設(shè)網(wǎng)，以及二等高程水準(zhǔn)布設(shè)網(wǎng)的施測(cè)，實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目的三角高程測(cè)量。

（2）高程測(cè)量方法的確定：因?yàn)楸竟こ痰哪康氖菫榱藢?duì)馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋01標(biāo)段的橋梁路段實(shí)施養(yǎng)護(hù)，且由于該路段長(zhǎng)江大橋又早已完成通車。因此，本次水準(zhǔn)測(cè)量的實(shí)施，工程條件非常復(fù)雜。不僅橋梁長(zhǎng)度過(guò)大，并且受橋梁主體結(jié)構(gòu)、以及周圍其它障礙物的影響，視線通視條件非常差。同時(shí)受周圍地形條件的限制、以及行人與車輛的影響，很難對(duì)該路段的跨河水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)施一次性，或分幾次完成測(cè)量。因此，如果采取常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量的方法，完成本次跨河測(cè)量，其誤差會(huì)非常大。所以，為了控制本項(xiàng)目工程測(cè)量的精度，保證水準(zhǔn)測(cè)量的質(zhì)量，需要采取三角高程測(cè)量的方法，完成本次水準(zhǔn)測(cè)量的實(shí)施。通過(guò)布設(shè)高程控制網(wǎng)，計(jì)算出兩次水準(zhǔn)測(cè)量之間的高差與高程，然后通過(guò)高程傳遞的方法，計(jì)算出江面另一側(cè)水準(zhǔn)控制點(diǎn)的高差，求出其高程。

2.3 水準(zhǔn)控制網(wǎng)的布設(shè)

馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋工程中，高程控制測(cè)量以國(guó)家一等水準(zhǔn)點(diǎn)為起算點(diǎn)，按二等水準(zhǔn)精度布設(shè)二等水準(zhǔn)網(wǎng)及跨河三角高程網(wǎng)，作為本次高程基本控制網(wǎng)。其高程控制網(wǎng)由2個(gè)一等水準(zhǔn)點(diǎn)作為起算點(diǎn)，24個(gè)待定點(diǎn)，1條附合路線，4個(gè)閉合環(huán)組成，水準(zhǔn)路線總長(zhǎng)93.3千米（不含跨江）。其水準(zhǔn)觀測(cè)的主要技術(shù)要求為：二等水準(zhǔn)網(wǎng)施測(cè)的儀器全部采用數(shù)字水準(zhǔn)儀施測(cè)，高程控制網(wǎng)的施測(cè)和加密一次完成。

3 跨河三角高程的測(cè)量

3.1 跨河水準(zhǔn)觀測(cè)的要求

a.跨河水準(zhǔn)觀測(cè)在風(fēng)力微和、氣溫變化小的陰天進(jìn)行，氣象條件不符合觀測(cè)要求時(shí)，均不觀測(cè)。

b.觀測(cè)開(kāi)始前30分鐘，先將儀器置于露天陰影下，使儀器與外界氣溫趨于一致。觀測(cè)時(shí)遮蔽陽(yáng)光。

c.晴天觀測(cè)，上午在日出后1小時(shí)起至太陽(yáng)中天前2小時(shí)止；下午自中天后2小時(shí)起至日落前1小時(shí)止。陰天只要呈像清晰、穩(wěn)定均進(jìn)行觀測(cè)。

d.目標(biāo)點(diǎn)（鏡站）使用腳架撐穩(wěn)，并應(yīng)適時(shí)保證圓氣泡和管氣泡的居中。

e.一測(cè)回的觀測(cè)完成后，間歇15-20分鐘再開(kāi)始下一測(cè)回的觀測(cè)。

f.兩臺(tái)儀器對(duì)向觀測(cè)時(shí)，并使用通訊工具，使得兩岸同一測(cè)回的觀測(cè)能做到同時(shí)開(kāi)始與結(jié)束。

g.跨河水準(zhǔn)取用的全部測(cè)回?cái)?shù)，上、下午應(yīng)各占一半。

h.跨河觀測(cè)開(kāi)始時(shí)對(duì)兩岸的固定點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)（鏡站）間，進(jìn)行一次往返測(cè)，作為檢測(cè)目標(biāo)點(diǎn)（鏡站）有無(wú)變動(dòng)的基準(zhǔn)。

3.2 跨河三角高程的測(cè)量

采用兩臺(tái)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行對(duì)向觀測(cè)，測(cè)定偏離水平視線標(biāo)志的傾角，并測(cè)量測(cè)站至鏡站的距離，計(jì)算兩點(diǎn)間的高差。為了達(dá)到高程精密傳遞的目的，在圖形設(shè)計(jì)時(shí)，增加兩條觀測(cè)視線，測(cè)量6條邊，增加了多余觀測(cè)。

a.距離測(cè)量。采用測(cè)距精度為（1mm+1×10ppm×D，測(cè)角精度±0.5秒的全站儀施測(cè)。

距離測(cè)量技術(shù)要求和觀測(cè)限差按表1規(guī)定執(zhí)行。

表1 跨河距離測(cè)量技術(shù)要求和觀測(cè)限差

如圖1所示，為測(cè)距三角高程法的圖形布置圖，按圖中所示，分別測(cè)定AB、CD、AC、AD、BC、BD各邊的距離，往返測(cè)2個(gè)測(cè)回，往返測(cè)距差不大于3毫米。測(cè)距儀每照準(zhǔn)反射鏡1次，讀4次數(shù)為1測(cè)回。儀器高和反射鏡高量至1毫米，兩次高差測(cè)量之差應(yīng)小于3毫米。距離按規(guī)范要求進(jìn)行氣象元素的測(cè)定，并進(jìn)行氣象改正和儀器常數(shù)改正，將邊長(zhǎng)歸算到A、B、C、D各點(diǎn)的平均高程面上。

圖1 測(cè)距三角高程法的圖形布置

b.垂直角測(cè)量。垂直角測(cè)量采用測(cè)距精度為（1mm+1× 10ppm×D，測(cè)角精度±0.5秒的全站儀施測(cè)。觀測(cè)近標(biāo)尺垂直角時(shí)，以標(biāo)尺上最接近儀器水平視線的1個(gè)標(biāo)尺分劃線為目標(biāo)，采用盤(pán)左盤(pán)右的方法，對(duì)分化的上下邊緣分別照準(zhǔn)讀數(shù)2次，同一位置的讀數(shù)差值應(yīng)小于3秒，然后取平均值。觀測(cè)遠(yuǎn)標(biāo)尺垂直角時(shí)，以標(biāo)尺上的覘板標(biāo)志進(jìn)行測(cè)量。每組觀測(cè)中在盤(pán)左盤(pán)右位置對(duì)每個(gè)照準(zhǔn)標(biāo)志讀取4次讀數(shù)，同一標(biāo)志的讀數(shù)差值應(yīng)小于3秒。垂直角指標(biāo)差互查符合表2要求。

表2 垂直角測(cè)量指標(biāo)差互差精度要求（單位：秒）

4 三角高程跨河水準(zhǔn)的精度分析

馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋左汊、右汊跨江三角高程測(cè)量路線。通常實(shí)施測(cè)量，其三角高程閉合環(huán)差統(tǒng)計(jì)表如下表3、表4所示：

表3 馬鞍山公路大橋左汊跨江三角高程測(cè)量閉合環(huán)差統(tǒng)計(jì)表

表4 馬鞍山公路大橋右汊跨江三角高程測(cè)量閉合環(huán)差統(tǒng)計(jì)表

由上表可以看出，表中各閉合環(huán)均小于對(duì)應(yīng)限差，即滿足二等水準(zhǔn)測(cè)量要求；與橋梁控制網(wǎng)進(jìn)行平差后，其高差中誤差為±0.5㎜，小于精度要求±1㎜，滿足二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求。

5 結(jié)語(yǔ)

文章闡述了三角高程水準(zhǔn)測(cè)量的原理及方法；然后以馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋01標(biāo)段的橋梁控制網(wǎng)布設(shè)項(xiàng)目為例，介紹了馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋01標(biāo)段工程概況；分析了該大橋01標(biāo)段高程測(cè)量技術(shù)難點(diǎn)及其三角高程控制網(wǎng)的布設(shè)情況；探討了該路段三角高程水準(zhǔn)測(cè)量的主要方法。通過(guò)實(shí)例，證明了對(duì)于跨河水準(zhǔn)測(cè)量，三角高程測(cè)量方法的可行性與可靠性。