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特大桥首级控制网布设和测量
摘要
特大桥首级控制网分为首级平面控制网和首级高程控制网，对其设计与观测是特大桥工程建设的重要组成部分，在工程建设中具有十分重要的意义。
本文将结合青岛跨海大桥，针对现代特大型桥梁施工建设对控制测量的要求，从桥梁工程的建设出发，对特大桥首级控制网测量技术设计进行详细的论述。
主要分析利用GPS测量技术建立特大桥首级平面控制网和利用精密水准测量技术建立特大桥的首级高程控制网的方法。
按照特大桥首级控制网的测量步骤，系统的阐述了特大桥首级控制网的设计、观测、数据处理的过程，以及在各个步骤中采取的提高精度的措施，通过完成青岛跨海大桥手机控制网的测量技术设计，得出一些对于特大桥首级控制网布设和测量有意义的结论。
关键字：
特大桥；首级控制网；技术设计
Abstract
Theheadcontrolnetworkofbridgewithlongspancanbedividedintotheheadhorizontalcontrolnetworkandtheverticalcontrolnetwork,foritsdesignandsurveyisanimportantpartofthebridgeconstruction，andtheheadcontrolnetworkhasveryimportantmeans.TakestheQingdaoBayMajorBridgeasexample,thisarticleisforthetechnicalrequirementofsurveyforconstructionofbridgeswithlongspan,andgivesaminutedescriptionaboutthetechnicaldesignofsurveyoftheheadcontrolnetwork,whichisdesignedforbridgeswithlongspan.ThemethodofhowtouseGPStosetuptheheadhorizontalcontrolnetworkandhowtousepreciselevelingsurveyingtobuildtheheadverticalcontrolnetworkofbridgeswithlongspanisanalyzed.Accordingtothestepsofthesurveyabouttheheadcontrolnetwork,thispaperexplainstheprocessesofthedesign,surveying,dataprocessingandthemeasureswhichareadoptedtoimprovetheaccuracyofthenetworkinasystematicway.BycompletedthetechnicaldesignofsurveyoftheheadcontrolnetworkabouttheQingdaoBayMajorBridge,summarizessamemeaningfulconclusionsforestablishingtheheadcontrolnetworkofallthebridgeswithlongspan.
Keyword:
Bridgewithlongspan;Headcontrolnetwork;Technicaldesign
1绪论
1.1研究的目的与意义
桥梁是指供道路、铁路、渠道、管线等跨越水体、山谷或彼此间相互跨越的工程构筑物，是交通运输中的重要组成部分，在国民经济建设与社会发展中占有极其重要的地位。
根据《公路工程技术标准》（JTJ001—97）中关于桥梁分类的规定，当桥梁全长大于等于500米或者桥梁涵洞跨度大于等于100米时，称为特大桥。
特大型桥梁首级控制网是工程设计和施工的重要组成部分，其成果的精度和准确度的高低将直接影响到桥梁建设的成败。
如果首级控制网的质量不好将会出现难以收拾的局面，造成无法挽回的重大损失。
因此，特大桥的首级控制网在桥梁建设的全过程中起着至关重要的作用。
特大桥的首级控制网的作用主要有：
1）限制测图误差积累，保证测图精度。
任何一种测量都会产生误差，测量误差是不可避免的，只要误差在容许的范围以内就不会出现问题。
在大桥的设计、施工以及建成后的运营各个阶段中，会测绘许多不同用途、不同比例尺、不同类型的地图。
首级控制网将为其提供控制和起算数据，保证所有的地图都在同一个坐标系下，方便地图的使用。
2）为施工放样提供控制及起算数据。
在桥梁的施工过程中，将设计的桥梁放样到地面上，首级控制网直接或者间接为各项施工提供控制和起算数据。
保证不同时间，不同单位、不同施工段上的施工最后能够连接成一项完整的工程。
3）为桥梁的各种监测提供控制和起算数据。
桥梁的兴建，从施工开始到竣工以及建成后的整个运营期间都要不断的监测像沉降监测、倾斜监测、裂缝监测等，以便掌握大桥的变形情况，及时的发现问题，保证工程建筑的安全。
目前我国已经建设很多座特大型桥梁，像杭州湾跨海大桥、杨浦大桥、苏通长江大桥等，在大桥的建设方面积累了丰富的经验。
但是，随着我国经济的发展，特大型桥梁的长度越来越长，跨径也越来越大，在特大型桥梁首级控制网的布设和施测方面还有待于进行深入的研究，因此对特大桥首级控制网的研究具有重要的现实意义。
1.2国内外的研究现状
特大型桥梁属于线形工程，GPS测量在线形工程中的应用早在上世纪八十年代国外就有了研究。
1984年8月，Geo/hydro公司曾用MicrometerV—100型GPS接收机在美国斯坦福直线加速器工程中精密控制测量工作。
该公司用所述的GPS接收机在几个测站上进行了精密GPS测量，观测数据经综合处理后得出控制点的水平位置精度为1mm～2mm，高程精度为2mm～3mm。
基本上满足了直线加速器设备安装的要求。
1987英法隧道贯通工程中为了改善经典控制网的精度，应用了GPS测量。
两岸使用了TI—4100GPS接收机同时观测了三个控制点，并将结果与经典网进行联合平差，使得控制网的相对精度达到，隧道的纵向与横向中误差从20cm降为5cm，大大提高了控制网的精度。
2000年美国宣布中止了SA政策美国，GPS测量的精度提高了很多，世界各国对GPS的研究迅速发展，我国也呈现出一片繁荣的景象。
芜湖长江大桥全长10.5km通过GPS测量，平差后的最弱边的边长相对中误差为1/35万，最弱点的坐标分量闭合差为Mx=My=±4mm，满足施工建设的设计要求。
海口世纪大桥同样采用GPS测量进行首级控制，最后得到的最弱点的坐标中误差为Mx=±1.5mm，My=±1.8mm除了超短边（53m）以外的其余边的相对中误差都在1/10万以上。
苏通长江大桥是用GPS测量的结果为最弱基线边的相对精度为1/35万，桥轴线边的相对中误差为1/600万，最弱点位中误差为4.1mm，X坐标中误差为2.7mm，Y坐标中误差为3mm,完全满足要求。
湛江海湾大桥的GPS控制测量结果为平均点位中误差±5.9mm，最弱边的边长相对中误差为1/14万，桥轴线的相对中误差为1/36万，具有很高的精度。
杭州湾跨海大桥首级控制网有九个点组成，按照国家GPS规范B级网施测纲要观测，经平差最弱点点位精度为3mm，两岸联测边长相对中误差为1/100万，完全满足大桥测量控制要求。
我国已建成和建设中的特大桥几乎全部使用GPS测量进行平面控制并取得了很好的效果，如江阴长江大桥，宁德特大桥等特大桥工程。
然而，由于GPS系统本身存在的缺陷使其在高程测量方面的精度还不够高，因此特大型桥梁的首级高程控制网仍然采用传统的精密水准测量的方法建立。
精密水准测量是目前确定点位高程的方法中精度最高，最准确的，也是大型工程高程控制的不二选择。
青岛跨海大桥是目前世界上最长的特大型桥梁，全长33.5公里。
本文将以青岛跨海大桥为例，通过完成青岛跨海大桥首级控制网测量技术设计，详细的叙述特大型桥梁首级控制网建立的方法、步骤以及采取的提高精度的措施。
1.3本文研究的主要内容
本文研究内容主要包括以下几点：
1）利用GPS测量技术建立首级平面控制网的测量技术设计；
2）利用精密水准测量技术建立首级高程控制网。
2工程概况
2.1测区概况
胶州湾位于中国山东省山东半岛南部，为一半封闭型海湾，湾口最窄处仅2.5公里，湾内南北向最大长度约40公里，东西向最大宽度约28公里，面积约438平方公里，湾内宽阔开敞，自然条件有相对的独立性。
有11条河流注入胶州湾，以大沽河为最大。
所有的河流都是季节性河流，汛期集中在7，8，9三个月。
胶州湾及其附近属暖温带季风气候区，多年平均气温为12.2摄氏度，8月平均25.5摄氏度，1月平均-1.2摄氏度。
平均降雨量775.6毫米，湾东部多雾，年平均雾日为50天，主要出现在秋末和冬季。
胶州湾的潮汐为典型的半日潮，平均潮差2.71米，最大潮差6.87米。
胶州湾东部为青岛，北面是红岛，西面是黄岛，三面都是经济繁荣的地方，基础设施完善，交通、通讯设施十分发达。
此处的人们热情好客，民风淳朴，十分有利有测量工作的进行。
2.1工程简介
青岛跨海大桥是国家高速公路网规划中的青岛至兰州高速青岛段的起点，也是山东省"五纵四横一环"公路网主框架中南济青高速公路的重要组成部分，同时还是该市道路交通规划网络布局中胶州湾东西岸跨海通道中"一路、一桥、一隧"的重要组成部分。
大桥位于黄海中部、胶东半岛南部的胶州湾（东经120°04′—120°23′，北纬35°58′—36°18′）,地处我国著名外贸良港青岛市，横跨青岛胶州湾，把青岛东、西两个主要城区连接起来。
东起青岛主城区308国道，跨越胶州湾海域，西至黄岛经济技术开发区红石崖，北通红岛，路线全长约35.4公里，其中海上段长度26.75公里。
青岛侧陆上桥梁5.85公里。
红石崖侧陆上段桥梁及道路共0.9公里，红岛连接线长1.9公里，该项目总投资达到99.38亿元。
大桥建成后青岛和黄岛（青岛经济技术开发区）之间的联系更加紧密，更加有利于两岸的经济发展，特别是对青岛的旅游业具有十分重要的意义。
大桥为双向六车道高速公路兼城市快速路八车道，设计行车时速80公里，桥梁宽35米，设计基准期100年。
青岛海湾大桥全线通车后，青岛至黄岛的路程可以缩短近30公里，比走环胶州湾高速节省22分钟。
2.3主要任务
在大桥的施工之前要建立大桥的首级控制网，服务于大桥的施工建设，确保大桥工程顺利的完成以及建成后的安全运营。
首级控制网分为首级平面控制网和首级高程控制网，在大桥的整个生命周期中都具有十分重要的作用。
所以，本次研究的主要任务就是完成青岛跨海大桥首级控制网测量技术设计。
由于大桥的全长较长又跨越胶州湾，控制面积较大，所以大桥的首级平面控制网拟用国家B级GPS测量的方法建立，首级平面控制网则由国家二级精密水准测量的方法建立。
2.4作业技术指标
本次测量决定按照国家B级GPS测量标准进行，并加测部分边的长度。
高程按照国家二等水准严格实测。
以达到下述技术指标:
（1）最弱边相对中误差≤1/150000；
（2）桥轴线相对中误差≤1/600000；
（3）最弱点点位中误差≤±8.0mm。
3、首级平面控制网测量技术设计
首级平面控制网是针对青岛跨海大型桥梁的建设的任务和要求，根据测量规范而设计的，其主要目的是通过测量手段获得控制点的平面坐标。
拟用国家B级GPS测量的方法建立，同时加测部分边的长度以提高网形的精度与强度。
GPS测量与传统的测量方法类似，也可分为外业数据采集和内业数据处理两大部分。
其中，外业工作主要包括选点与埋石、观测标志的建立、野外数据采集及成果的检核几个部分。
内业工作主要包括GPS网形的设计与优化、测后数据处理以及技术总结等。
具体地说，GPS测量的主要步骤按实施顺序可分为网形的优化与设计、选点埋石及建立观测标志、野外数据采集、成果的检核与数据处理四个阶段。
3.1作业技术依据
平面控制测量主要有GPS测量和边长的测量，测量按如下规范执行：
1、《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314—2001
2、《公路全球定位系统（GPS）测量规范》JTJ/T066-98
3、《全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程》CH—8016
4、《光电测距仪检定规范》CH8001—91
3.2坐标系统的选择及起算数据
青岛跨海大桥首级控制网将要为桥梁的施工提供控制，因此大桥首级平面控制网的作用就是提供控制点的三维坐标。
测量平面坐标采用1980国家大地坐标系，高斯-克吕格正形投影统一3°分带，中央子午线为东经120°00′的平面直角坐标成果。
布设国家B级GPS网，必须由国家A级GPS网点提供控制。
在测区附近现已收集到烟台山、凤山两个国家A级GPS点，点位保护良好坐标准确，可以作为起算点利用。
3.3网形的优化设计
青岛跨海大桥全长较长，控制测量要求精度较高。
根据测区面积和国家GPS测量规范和规程的要求，采用整体设计、逐步实施的测量技术方案。
网的图形设计主要取决于用户的要求，但应该同时考虑到经费、时间、人力的消耗以及所需要的设备的类型、数量、和后勤保障条件等。
在满足用户要求的情况下，应尽量减少消耗。
总体来说，网的图形设计应按照以下要求进行：
1）GPS网主要由三角形、多边形、符合导线或者指导线构成三角网、环形网或者星形网。
GPS控制网一般采用独立观测边构成闭合图形（三角形、多边形等）来增加检核条件和提高网的可靠性。
2）GPS网作为测量控制网，其相邻点间的基线向量的精度应分布均匀。
在GPS网中不应存在自由基线，GPS网的闭合环的基线个数不应过多。
同一个点应同时位于多条基线上，以保证点位的精度。
3）GPS网点应尽量与地面原有控制点相重合，至少应有3－5个分布均匀的重合点，有利于可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。
同时也应有相当数量的地面水准点与GPS网重合。
4）GPS点应选在交通便利视野开阔的地方。
为了便于使用经典方法扩展要求网中所有的点至少与一个点相通视。
5）设计的GPS网还必须满足闭合环或者符合路线边数不大于6、每个点同时在至少三条基线上。
根据GPS测量的要求以及青岛跨海大桥的特点，在青岛黄岛红岛三地各布设4个控制点共12个。
测量时先分别在三地观测各地的控制点构成的闭合环，然后在每个环中选择两个点将三个闭合环连接起来。
由于较小的闭合环基线长度较短，观测时间也较短。
与已知点联测、环之间的基线较长，因此要求观测时间在24个小时以上，并且观测两个时段。
根据以上的要求设计的首级平面控制网示意图如下：
图3-1首级平面控制网示意图
3.4大桥合龙处平面误差预计
由于两边施工测量均存在误差且在海上施工无法后视控制点，只能由支导线对施工进行控制。
根据大桥施工的特点，只要在垂直方向和高程上误差符合要求就行，在平行与大桥方向上的误差对大桥合龙的影响较小，所以可以不估计。
3.4.1、垂直于大桥方向的误差预计
大桥合龙处的误差主要有两边施工时测量误差在合龙处累计造成的。
施工时布设支导线，其测量误差对合龙点的影响主要有测角误差对合龙点的影响和量边误差对合龙点的影响。
在青岛跨海大桥的施工过程中，可以先假定施工过程中角度测量全部为等精度测量，距离测量同样设为等进度测量。
按照支导线对最终点的误差预计方法对大桥合龙处进行误差估计：
根据支导线测角误差对最终点影响的公式，角度测量误差
为：
3-1
其中：
为角度测量误差。
为常数，其值为206265
图3-2支导线误差投影图
如图所示，在地形图上以合龙点K为原点，平行于大桥方向为X轴，垂直于大桥方向为Y轴建立平面直角坐标系。
将所有的点依次投影到X轴上。
并分别量取K点到所有投影点之间的距离记为
。
量边误差对最终点的影响可有下式计算
3-2
同时还需在图上量取
的值，可以用二次投影的方法获得。
将所有的点与相邻的点连接起来分别向X、Y轴作垂线，由垂线的交点向控制点连线作垂线，量取控制点到垂足之间的距离，如下图所示
图3-3二次投影量取图
将mn两点连接分别向X轴作垂线nd，向Y轴作垂线md，交点为d。
由d向线段mn作垂线，垂足为c，则mc就是所需要的
。
分别计算出各自的值之后，取其平方和的平方根就是一侧施工的误差，最终的误差为两侧误差平方和的平方根。
3.4.2、青岛跨海大桥青岛与红岛之间的合龙误差预计
青岛跨海大桥红岛与青岛之间施工预计在大桥10km处合龙，支导线角度测量误差对最终点影响投影量取值见下表：
表3-1青岛跨海大桥
值
点号
右侧（青岛）
左侧（红岛）
1
988.6904
977508.7071
1252.3741
1568440.886
2
1522.451
2317857.656
2173.4155
4723734.936
3
2975.722
8854922.016
2985.5887
8913739.886
4
3845.058
14784467.18
3656.5538
13370385.69
5
4564.607
20835639.8
5374.8228
28888720.13
6
5276.763
27844230.92
7756.4475
60162477.82
∑
75614626.29
117627499.4
当测角中误差为
=2″时，角度测量误差队最终点的影响为：
3-3
（m）3-4
边长测量误差对最终点的影响投影量取值见下表：
表3-2青岛跨海大桥
量取值
点号
红岛
黄岛
1
2152.3292
243.5637
2
1000.1178
246.6332
3
506.9567
1006.8502
4
356.2789
271.0349
5
148.503
421.9863
6
24.32
983.1736
∑
4188.5056
3200.6812
当a=0.0005时，边长长测量误差对最终点的影响为：
0.0010（m）3-5
0.0008（m）3-6
所以，两侧施工测量误差队最终点在垂直于大桥方向上的误差为
3-7
3-8
所以大桥合龙处得误差预计为：
1.3（cm）3-9
所以大桥在青岛与红岛之间的合龙误差在垂直于大桥的方向上为1.3cm。
3.4.3、青岛跨海大桥红岛与黄岛之间的合龙误差预计
青岛跨海大桥红岛与黄岛之间的施工预计在大桥26公里处合龙，支导线角度测量误差对最终点影响投影量取值见下表：
表3-3青岛跨海大桥
值
点号
黄岛
红岛
1
675
455625
1316
1731856
2
1667
2778889
2309
5331481
3
2657
7059649
3300
10890000
4
3635
13213225
4292
18421264
5
4654
21659716
5292
28005264
6
5592
31270464
7191
51710481
7
6490
42120100
8133
66145689
8
7376
54405376
9091
82646281
9
8539
72914521
9947
98942809
10
10157
103164649
10709
114682681
11
12251
150087001
11586
134235396
∑
499129215
612743202
由于红岛到黄岛之间的路线较长，所以测量适应加大测回数，以提高精度。
假设测角中误差为
=1″时，角度测量误差队最终点的影响为：
3-10
（cm）3-11
大桥施工测量边长的误差对大桥合龙影响，主要的数据
值见下表:
表3-4青岛跨海大桥
量取值
点号
黄岛方向
红岛方向
1
987
976
2
896
978
3
960
992
4
784
990
5
730
987
6
932
995
7
989
891
8
961
981
9
985
989
10
992
976
11
921
993
∑
10137
10748
测边比例系数仍然选择a=0.0005，根据公式可以计算出两边误差为：
0.0025（m）3-12
0.0027（m）3-13
所以，两侧施工测量误差队最终点在垂直于大桥方向上的误差为
3-14
3-15
所以大桥合龙处得误差预计为：
1.9（cm）3-16
所以大桥在青岛与红岛之间的合龙误差在垂直于大桥的方向上为1.9cm。
3.5选点埋石
由于设计图上与实际的地面情况不坑能完全一致，因此点位的选择具有一定的灵活性。
应该从设计出发，可以根据实地情况做出适当的调整。
但是总的来说点位的选择应遵守以下原则：
1）在实地选点前，应根据任务的需要收集测区内部及测区附近现有的国家控制点等有关布网任务的资料，并充分熟悉测区情况，特别是地形、通讯、供电、管线、水系、风俗、交通等
2）测站应选在交通方便且四周视野开阔的地方，高度角15°以上不允许存在成片的障碍物，以防止GPS信号被挡或者被障碍物吸收。
另外，测站上应便于安装仪器并且要方便其他测量手段联测和扩展。
3）测站点要远离大功率无线电信号发射源（如电台、电视台、微波中继站等），以免影响接收机观测信号，接收机天线与其距离一般不应少于200m。
远离高压输电线、变压器等产生强磁场的物体，以避免磁场对接收机信号得干扰，接收机天线与其距离一般不应少于50m。
4）观测站应远离房屋、围墙、广告牌、山坡及大面积水域（湖泊池塘）等，以避免出现严重得多路径效应。
5）应尽量是所选测站附近的小环境与周围的大环境保持一致，以避免或减少气象元素的代表性误差。
6）测站点应选尽量选在洪水（潮水）淹没不到的地方，防止洪水影响观测和威胁观测者和仪器的安全。
7）点位选好之后，应提交点之记及点的环视图、GPS网选点图、选点技术工作技术总结等技术资料。
为了保持点位的精度和长期利用GPS测量结果以及进行重复测量。
在所选的GPS网点上建立观测标石，标石的建立应按以下要求进行。
1）控制点应埋设在坚实的土壤中，基底应埋设在冻土线以下0.5米。
如果在松土带或人工填筑的地方，应挖深基坑，并打桩以防止下沉。
2）各等级GPS标石均用混凝土浇筑，有条件的地方可以用整块的花岗岩或者青石代替，但是大小应与混凝土的一样。
天线墩、基本标石、基岩标石埋设时应现场浇灌混凝土（其规格参见GPS测量规范）。
3）标石埋设时，各层标志中心线应严格位于同一铅垂线上，其偏差不得大于2mm，强制对中装置队中误差不得大于1mm。
标志中心铅垂线上应具有明暗两个标心，以利于永久保存和破坏后的重建。
4）现场浇筑混凝土标石时，应同时在标石上压印出GPS点的类别、埋设
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