長(zhǎng)距離高精度跨海高程傳遞覘板設(shè)計(jì)及應(yīng)用

董理科

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

在一些大型海上建設(shè)工程中，有些長(zhǎng)距離的跨江（海）水準(zhǔn)測(cè)量可以使用GPS 水準(zhǔn)法進(jìn)行，但有些項(xiàng)目因地形地貌等條件導(dǎo)致GPS 水準(zhǔn)法無法按規(guī)范實(shí)施[1]，精度與可靠性難以保證，故常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量方法（經(jīng)緯儀傾角法和測(cè)距三角高程法）仍然不可替代，在此方法中需要使用照準(zhǔn)覘板。

現(xiàn)有的照準(zhǔn)覘板安裝繁瑣，無法在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行組裝，整體攜帶又過于麻煩，并且現(xiàn)有的照準(zhǔn)覘板無法對(duì)基準(zhǔn)線的寬度以及光線亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用存在極大的不便，因此亟需提供一種便攜式遠(yuǎn)距離照準(zhǔn)覘板來解決上述問題。通過實(shí)地的模擬驗(yàn)證，研制了一種便攜式遠(yuǎn)距離照準(zhǔn)覘板，在深中通道島隧工程5.5 km 全站儀測(cè)距三角高程跨海高程傳遞測(cè)量中驗(yàn)證了其應(yīng)用價(jià)值。

1 現(xiàn)有的覘板

目前長(zhǎng)距離跨海高程傳遞測(cè)量中所使用的照準(zhǔn)覘板存在比較笨重、架設(shè)繁瑣、不防風(fēng)、無法調(diào)節(jié)亮度、調(diào)節(jié)寬度繁瑣、覘板不便攜帶等不足。現(xiàn)有覘板見圖1。

圖1 現(xiàn)有覘板示意圖Fig.1 Schematic view of existing sighting target

2 照準(zhǔn)覘板研制

GB/T 12897—2006《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》[2]規(guī)定，儀器照準(zhǔn)覘板標(biāo)志的長(zhǎng)度和寬度以及標(biāo)志線的間距，依跨海視線長(zhǎng)度而定，跨河距離在2 000 m 以內(nèi)，對(duì)岸標(biāo)尺可安裝1 塊覘板，2 000 m 以上應(yīng)安置上、下2 塊覘板。通視條件較差時(shí)，應(yīng)采用特制的標(biāo)燈作為觀測(cè)目標(biāo)。覘標(biāo)在標(biāo)尺的高度兩岸應(yīng)一致，具體要求見表1。

表1 標(biāo)志線尺寸計(jì)算Table 1 Calculation of size of marker line

表1 中：D 為跨海視線長(zhǎng)度，m；a、b 分別為標(biāo)志寬長(zhǎng)，mm；γ 為由望遠(yuǎn)鏡至對(duì)岸覘板上兩標(biāo)志線的夾角，（″），它應(yīng)小于符合氣泡在水準(zhǔn)管兩端刻劃之間的移動(dòng)量，一般取60″；ρ 為弧度化為秒的乘常數(shù)，取206 265″。

受環(huán)境干擾的影響，白天成像模糊不清，完全不能觀測(cè)，只能選擇夜晚觀測(cè)。夜晚測(cè)量首先考慮成像明亮，邊界清晰，選擇合適的光源，同時(shí)考慮到防風(fēng)。由于海上情況較為復(fù)雜，過往船只較多，船上燈光以及海面航標(biāo)燈等光源會(huì)對(duì)燈標(biāo)覘板造成影響。紅色、黃色光受到其他發(fā)光點(diǎn)的影響，效果好的還是白色光源，最終選擇白色光源作為現(xiàn)場(chǎng)工作的照準(zhǔn)用光源。

深中通道東、西人工島之間最長(zhǎng)約5.5 km，跨海水準(zhǔn)距離長(zhǎng)、難度大，為了消弱跨海場(chǎng)地氣象因素對(duì)測(cè)量的影響，滿足儀器照準(zhǔn)覘板的照準(zhǔn)目標(biāo)尺寸條件，同時(shí)驗(yàn)證觀測(cè)成果的精度及其可靠性，2018 年8 月25 日—10 月23 日在中山馬鞍島橫門水道開展模擬試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)場(chǎng)地線路長(zhǎng)為5.8 km，跨海線路為東西向，與深中通道跨海線路方向基本相似，現(xiàn)場(chǎng)模擬示意圖見圖2。

圖2 中山馬鞍島橫門水道模擬示意圖Fig.2 Schematic diagram of simulation of Hengmen Waterway,Ma'an Island,Zhongshan

模擬試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3。

表2 模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical data of simulation testing

表3 模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)表Table 3 Comparison of simulation test data

同時(shí)通過陸上二等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)高差，對(duì)跨海高程測(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)。

通過現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了使用新覘板在長(zhǎng)距離三角高程法跨海水準(zhǔn)測(cè)量的成果精度，滿足二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范要求。

深中通道跨海線路長(zhǎng)度約5.5 km，照準(zhǔn)覘標(biāo)的制作在參照規(guī)范的同時(shí)結(jié)合模擬試驗(yàn)實(shí)際成像情況確定，通過模擬測(cè)試照準(zhǔn)覘板制作的規(guī)格如下：

1）覘板外殼使用鋁合金材料制作，長(zhǎng)652 mm，寬50 mm，厚25 mm，直接安裝在三角基座上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝和拆卸方便快捷。

2）每處標(biāo)尺點(diǎn)設(shè)置上下2 個(gè)標(biāo)志，上、下標(biāo)志線處于不同的覘板上，每條標(biāo)志線上安裝60 個(gè)8 mm 的LED 燈泡，覘板標(biāo)志線選用白色光源，光強(qiáng)且聚光性好。

3）每條標(biāo)志線長(zhǎng)度600 mm、寬度10 mm，上下標(biāo)志線之間的寬度520 mm，通過連接螺桿固定連接，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安裝簡(jiǎn)便，防風(fēng)性能好。

4）覘板照明采用12 V 電瓶作為基本供電電源，標(biāo)志線上下邊界設(shè)置擋光板，可根據(jù)實(shí)際路線長(zhǎng)度和環(huán)境隨時(shí)調(diào)整標(biāo)志線寬度和光強(qiáng)，以保證成像邊界清晰，滿足不同路線長(zhǎng)度下的夜晚觀測(cè)要求。照準(zhǔn)覘板安裝效果見圖3。

圖3 照準(zhǔn)覘板Fig.3 Sighting target

3 在跨海高程傳遞測(cè)量中的應(yīng)用

深中通道島隧工程隧道全長(zhǎng)6 845 m，其中沉管隧道長(zhǎng)5 035 m。在東、西人工島通過高精度跨海水準(zhǔn)，測(cè)量?jī)砂堕g高差，將高程傳遞至西人工島，保證沉管高程定位精度達(dá)到二等水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求。

3.1 測(cè)量原理

全站儀測(cè)距三角高程法選用2 臺(tái)LeicaTS30全站儀照準(zhǔn)覘板標(biāo)志進(jìn)行同步對(duì)向觀測(cè)，用垂直度盤測(cè)定水平視線上、下兩標(biāo)志的傾角，計(jì)算水平視線位置，求出兩岸高差。同時(shí)，為了消弱跨海場(chǎng)地氣象因素對(duì)測(cè)量的影響，滿足儀器照準(zhǔn)覘板的照準(zhǔn)目標(biāo)尺寸條件，使用新制作照準(zhǔn)覘板標(biāo)志。

東、西人工島間跨海水準(zhǔn)距離長(zhǎng)、難度大，為滿足工程施工精度要求，本次跨海水準(zhǔn)測(cè)量按二等水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求實(shí)施。技術(shù)方法參照GB/T 12897—2006《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，采用全站儀測(cè)距三角高程法技術(shù)要求實(shí)施。

3.2 網(wǎng)形設(shè)計(jì)

東、西人工島間跨海水準(zhǔn)距離長(zhǎng)，高程測(cè)量受大氣折光、溫度變化等環(huán)境影響較大，傳統(tǒng)測(cè)量方法受限。東、西人工島間跨海水準(zhǔn)網(wǎng)形設(shè)計(jì)按圖4 平行四邊形布置方式[3]。東人工島DKH1、DKH2 和西人工島XKH1、XKH2 分別為兩岸交替安置儀器和標(biāo)尺的位置，跨海視線長(zhǎng)度約為5 520 m，同岸跨海點(diǎn)間距為10 m，見圖4。

圖4 全站儀測(cè)距三角高程跨海水準(zhǔn)測(cè)量網(wǎng)形示意圖Fig.4 Schematic diagram of total station rangefinder triangular elevation sea-crossing leveling network

3.3 跨河水準(zhǔn)測(cè)量的實(shí)施

3.3.1 距離測(cè)量

本岸測(cè)站點(diǎn)間的距離采用鋼尺直接丈量平距，丈量時(shí)使鋼尺保持水平，兩端拉緊嚴(yán)格對(duì)中，并保持穩(wěn)定，同時(shí)進(jìn)行讀數(shù)。往返各讀3 次，3 次測(cè)定的距離互差和往返測(cè)距離中數(shù)之差均＜3 mm。東西人工島跨海距離采用了GPS 靜態(tài)方法進(jìn)行測(cè)量[4]。

3.3.2 垂直角觀測(cè)

1）觀測(cè)準(zhǔn)備工作

每天應(yīng)關(guān)注天氣預(yù)報(bào)信息，出工之前，檢查儀器及其附件，觀測(cè)開始前，將儀器置于露天陰涼通風(fēng)處30 min。

將儀器架設(shè)在強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩上，整平儀器后，使用直角鋼拐尺在相隔90?的4 個(gè)方向上丈量強(qiáng)制對(duì)中盤底部4 個(gè)角至儀器的垂直高度，4 次取平均值，取位0.1 mm 作為最終儀器高度。

同時(shí)將覘板架設(shè)在強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩上，整平基座，并經(jīng)常注意使圓水準(zhǔn)器的氣泡居中。分兩個(gè)對(duì)角量取強(qiáng)制對(duì)中盤頂部至覘標(biāo)下邊緣的垂直高度，4 次取平均值，取位0.1 mm 作為最終覘標(biāo)高度。

儀器和覘板量高結(jié)束后，將量取的覘標(biāo)高度報(bào)送至對(duì)岸記錄員。

根據(jù)對(duì)岸儀器觀測(cè)人員的視差調(diào)試本岸覘標(biāo)標(biāo)志線的寬度及亮度，并保證觀測(cè)的同步開始。

2）觀測(cè)對(duì)岸覘板

在全站儀盤左位置，用望遠(yuǎn)鏡中絲依次照準(zhǔn)上、下覘板標(biāo)志各讀取1 次豎直角讀數(shù)，盤右按相反次序照準(zhǔn)下、上覘板標(biāo)志各讀取1 次豎直角讀數(shù)，以上觀測(cè)為1 組垂直角觀測(cè)。依同法進(jìn)行其余組的觀測(cè)。

2 臺(tái)儀器分別在兩岸相同時(shí)段對(duì)向觀測(cè)1 條邊的成果組成1 個(gè)單測(cè)回，同岸每1 臺(tái)儀器位置在觀測(cè)完成半數(shù)測(cè)回后，觀測(cè)員、儀器、覘標(biāo)應(yīng)相互調(diào)岸，在第2 臺(tái)儀器位置上完成其余測(cè)回的觀測(cè)，以此組成1 個(gè)雙測(cè)回。2 個(gè)測(cè)回連續(xù)觀測(cè)時(shí)，測(cè)回間應(yīng)間歇15 min 左右[5]。

3）測(cè)回?cái)?shù)及限差要求

按照規(guī)范要求，采用測(cè)距三角高程法進(jìn)行跨河水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)按照跨河視線長(zhǎng)度確定應(yīng)觀測(cè)的時(shí)間段數(shù)、測(cè)回?cái)?shù)見表4。

表4 觀測(cè)時(shí)間段數(shù)、測(cè)回?cái)?shù)及限差與跨河視線長(zhǎng)度關(guān)系（二等水準(zhǔn)）Table 4 Relationship between number of observation periods,number of measured cycles and limit difference and line-of-sight length across a river(second-class level)

考慮到旁折光影響，垂直角觀測(cè)選擇夜間時(shí)段進(jìn)行。為增加數(shù)據(jù)可靠性，需適當(dāng)增加測(cè)回?cái)?shù)，按增加不少于1/2 規(guī)范測(cè)回?cái)?shù)進(jìn)行內(nèi)部控制。本項(xiàng)目跨海水準(zhǔn)雙測(cè)回?cái)?shù)及組數(shù)見表5。

表5 觀測(cè)時(shí)間段數(shù)、雙測(cè)回?cái)?shù)及組數(shù)參照表Table 5 Reference to number of observation periods,number of double-measured cycles and number of groups

3.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用三角高程單向高差計(jì)算公式進(jìn)行列表計(jì)算，平距采用邊長(zhǎng)投影至高斯平面距離成果參與計(jì)算，采用公式為：

式中：d 為高斯面平距；α 為觀測(cè)垂直角；i 為儀器高；v 為照準(zhǔn)目標(biāo)高；k 為折光系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值0.13；R 為參考橢球面平均曲率半徑，m；Hm為測(cè)區(qū)平均高程，m；ym為跨海點(diǎn)距中央子午線平均距離，m；ε 為垂線偏差[6-9]。

本次東西島跨海高程傳遞共計(jì)觀測(cè)雙測(cè)回72 個(gè)，按照規(guī)范要求中的每條邊各單測(cè)回高差間的互差以及由大地四邊形組成獨(dú)立閉合環(huán)，用同一時(shí)段的各條邊高差計(jì)算的閉合差進(jìn)行測(cè)回篩選，共計(jì)篩選出52 個(gè)合格的雙測(cè)回成果，滿足規(guī)范要求，具體測(cè)量成果技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表6。

表6 東西人工島跨海高程傳遞測(cè)量成果技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics of technical indexes of measured results of sea-crossing elevation transfer of East and West artificial islands

4 結(jié)語

新型覘板為跨海高程傳遞測(cè)量提供了便利，由上述精度可知，新型覘板在深中通道島隧工程項(xiàng)目全站儀測(cè)距三角高程法跨海高程傳遞測(cè)量中得到了應(yīng)用，在復(fù)雜的海上環(huán)境下達(dá)到了二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度，滿足設(shè)計(jì)及后期施工測(cè)量的要求。

該覘板目前已成功推廣應(yīng)用于大連灣沉管隧道工程施工中，目前已完成了的高程測(cè)量，測(cè)量成果全部達(dá)到二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求，為推動(dòng)工程順利施工提供了保障。同時(shí)可以為其它類似工程或今后同類工程的施工提供相關(guān)借鑒，結(jié)合本項(xiàng)目工作實(shí)踐，新型覘板應(yīng)用于長(zhǎng)距離跨海高程傳遞，保證二等水準(zhǔn)測(cè)量精度，具有實(shí)際操作的指導(dǎo)作用。