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摘要经过1O余年的应用和发展,全球定位系统(GPS)技术已基本上取代传统的三角测量技术,成为桥梁施工平面控制网的主流建网技术。结合多年来的桥梁工程测量实践,系统分析和论述了GPS桥梁施工控制网的设计方法和施测要点。论述GPS控制点选布、标石建造、GPS观测及数据处理的方法和技术要点。
关键词桥梁施工控制;控制网;GPS
中图分类号U4文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)032-0071-01
自20世纪90年代初开始,GPS静态相对定位技术被逐步应用到桥梁施工平面控制网测量中。随着全球定位系统(GPS)理论、设备及其应用技术的不断完善,通过1O余年来的试验研究和工程实践,GPS桥梁施工平面控制网测量技术日趋成熟和完备,目前已基本上取代了传统的三角测量技术,成为当今桥梁施工平面控制网的主流建网技术。与传统的三角测量技术相比,GPS建网技术具有受外界影响小、效率高、成本低、点位精度高且分布均匀等显著优点,是现代大型跨海桥梁、隧道工程建设中的关键技术之一。
1利用GPS设备及全站仪组合建立工程精密控制网流程
2网形设计与选点埋石
相对于桥梁施工三角网而言,GPS控制网在网形设计及点位选定方面具有更多的灵活性。在网形方面,桥梁三角网必须具有足够的图形强度,以保证控制测量达到规定的精度;另一方面,为了利用施工控制点采用经纬仪前方交会法进行水中桥墩的精确定位,则规定:同岸相邻GPS点之间边长一般应为桥轴线长度的0.7～0.8倍,困难条件下不应小于0.5倍。理论分析和大量工程实践充分表明,当采用GPS静态相对定位技术建网时,控制网的图形不必受桥梁三角网技术规定的严格限制,可根据实地条件以方便施工放样为基本原则进行设计。GPS桥梁施工控制网的网形及点位应符合下列基本要求:1)为确保控制网的可靠精度,GPS网中最简独立环的基线边数必须符合相应等级的规定,通常不应大于4。实地布设时,应根据实际地形情况、桥型结构和规模、施工场地布置要求及施工作业方案等具体情况,在基本图形的基础上进行优化设计。2)GPS控制点的位置、数量和密度必须能控制全桥及与之相关的重要附属工程的施工,基本满足施工放样的使用需要,同时还应便于施工期间加密控制点。3)控制点应选在土质坚实、地面基础稳定、避开施工干扰和有利于长期保护的地方。4)点位处应视野开阔,相邻控制点间应尽可能通视,尽可能设在地势较高、利于施工放样和控制网加密处。点位周围环境应满足GPS观测的要求。桥梁施工周期较长,施工期间控制点被频繁使用,因此控制点标石应稳定可靠。
3GPS观测设计与实施
桥梁GPS施工控制网通常应使用至少4台GPS接收机,按静态相对定位模式进行同步观测。GPS外业观测设计的主要内容包括制定观测技术要求和编制观测计划2部分。为合理组织外业观测,应在观测前根据桥位区的地理位置和最新的卫星星历,对卫星状况(卫星的可见性和随时间变化的PDOP值)进行预报,以便选择最佳观测时段,进而编制作业调度表和观测计划。桥梁GPS控制网的外业观测应符合下列基本规定:1)相邻的GPS同步图形之间应以边连式或网连式进行紧连接,不允许采用点连式连接。2)网中的短边、跨河长边、桥轴线边以及作为施工坐标系的起算边应通过同步观测获得其直接观测基线向量,并保证它们具有足够多的观测时段和时长,以确保整网的高精度及各点精度的均匀性。3)桥梁施工平面控制网中,2km以内的短边较多,控制点间的相对精度要求很高,因此,必须采取有效措施削弱天线对中误差对控制网精度的系统性影响。当有GPS高程拟合测量的要求时,应适当延长时段观测长度并提高天线高的测量精度。4)为检核GPS网的观测质量,一般应使用高精度全站仪观测一定数量的控制网边长。也可引入高精度的光电测距边,作为观测值与GPS观测值进行联合平差。工程实践中,应针对具体工程进行观测方案的优化设计,以达到保证精度和经济实用的目的。不宜简单地套用某一规范的要求,以免造成观测成果精度不符合要求或盲目加大观测工作量的情形。
4GPS数据处理方法
GPS控制网的数据处理主要包括基线向量解算和网平差2部分。基线解算是网平差的基础,可根据控制网的精度要求选择不同精度的卫星星历及解算软件。GPS数据处理软件大体上分为GPS接收机厂商随机附送的商用软件(随机软件)和性能优良的专业软件(如国际上流行的GAMIT/GLOBK、BERNESE和GIPSY/OASIS等)两类。一般而言,桥梁施工GPS网的基线长度短于10km,采用广播星历和随机软件解算即可获得1O左右的基线向量相对精度,可满足一般桥梁施工的精度要求。GPS独立基线的选取应符合下列基本原则:1)所选取的基线应构成闭合的几何图形;2)选取质量好的基线向量,可依据RMS(观测值解的均方根误差)、RATIO(标准差比率)、环闭合差和重复基线差来判断;3)构成环的边数不要太多,尽量构成三角形或四边形;4)尽量取边长较短的基线向量;5)各时段的重复基线要少取。控制网尺度是桥梁施工控制网的重要指标,应按照施工坐标系的标准选择工程投影面上的GPS边长起算(可固定或参与网平差),也可选取高精度光电测距边(跨河长边)作为起算数据或用其参与GPS网的联合平差,以确定尺度基准。当桥梁所在线路段的线路工程坐标系的长度投影变形值符合要求时,也可直接利用线路精测网控制点进行约束平差。
5结语
GPS建网方法是桥梁施工平面控制网测量的重要方法,这种方法在近10余年来得到了充分的发展和完善,已经并将继续在大型桥梁、隧道等跨江、跨海工程建设中发挥重要作用。利用GPS与全站仪相结合建立施工精密控制网起到事半功倍效果,同时能很好地满足对隧道口、斜井,地铁站口、竖井及大桥墩台等特殊工程结构部位的精密控制质量要求。随着以GPS、GLONASS(全球导航卫星系统)、Galileo(欧洲导航卫星系统)和北斗卫星导航系统等四大系统为主的卫星导航定位技术不断发展,其在 一一桥梁平面控制测量中的应用将更加深入和广泛。
参考文献
[1]刘大杰.全球定位系统(GPS)原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社,1999.
[2]杨一挺,景军郎.GPS技术在杭州湾跨海大桥首级控制网测量中的应用[J].东海海洋,2002,20,4.
[3]张勤,李家权.GPS测量原理与应用[M].北京:科学出版社,2005:197.
[4]李青岳,陈永奇.工程测量学[M].北京:测绘出版社,1995.
[5]贺国宏.桥隧控制测量[M].北京:人民交通出版社,1999.
[6]李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2005.
关键词桥梁施工控制;控制网;GPS
中图分类号U4文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)032-0071-01
自20世纪90年代初开始,GPS静态相对定位技术被逐步应用到桥梁施工平面控制网测量中。随着全球定位系统(GPS)理论、设备及其应用技术的不断完善,通过1O余年来的试验研究和工程实践,GPS桥梁施工平面控制网测量技术日趋成熟和完备,目前已基本上取代了传统的三角测量技术,成为当今桥梁施工平面控制网的主流建网技术。与传统的三角测量技术相比,GPS建网技术具有受外界影响小、效率高、成本低、点位精度高且分布均匀等显著优点,是现代大型跨海桥梁、隧道工程建设中的关键技术之一。
1利用GPS设备及全站仪组合建立工程精密控制网流程
2网形设计与选点埋石
相对于桥梁施工三角网而言,GPS控制网在网形设计及点位选定方面具有更多的灵活性。在网形方面,桥梁三角网必须具有足够的图形强度,以保证控制测量达到规定的精度;另一方面,为了利用施工控制点采用经纬仪前方交会法进行水中桥墩的精确定位,则规定:同岸相邻GPS点之间边长一般应为桥轴线长度的0.7～0.8倍,困难条件下不应小于0.5倍。理论分析和大量工程实践充分表明,当采用GPS静态相对定位技术建网时,控制网的图形不必受桥梁三角网技术规定的严格限制,可根据实地条件以方便施工放样为基本原则进行设计。GPS桥梁施工控制网的网形及点位应符合下列基本要求:1)为确保控制网的可靠精度,GPS网中最简独立环的基线边数必须符合相应等级的规定,通常不应大于4。实地布设时,应根据实际地形情况、桥型结构和规模、施工场地布置要求及施工作业方案等具体情况,在基本图形的基础上进行优化设计。2)GPS控制点的位置、数量和密度必须能控制全桥及与之相关的重要附属工程的施工,基本满足施工放样的使用需要,同时还应便于施工期间加密控制点。3)控制点应选在土质坚实、地面基础稳定、避开施工干扰和有利于长期保护的地方。4)点位处应视野开阔,相邻控制点间应尽可能通视,尽可能设在地势较高、利于施工放样和控制网加密处。点位周围环境应满足GPS观测的要求。桥梁施工周期较长,施工期间控制点被频繁使用,因此控制点标石应稳定可靠。
3GPS观测设计与实施
桥梁GPS施工控制网通常应使用至少4台GPS接收机,按静态相对定位模式进行同步观测。GPS外业观测设计的主要内容包括制定观测技术要求和编制观测计划2部分。为合理组织外业观测,应在观测前根据桥位区的地理位置和最新的卫星星历,对卫星状况(卫星的可见性和随时间变化的PDOP值)进行预报,以便选择最佳观测时段,进而编制作业调度表和观测计划。桥梁GPS控制网的外业观测应符合下列基本规定:1)相邻的GPS同步图形之间应以边连式或网连式进行紧连接,不允许采用点连式连接。2)网中的短边、跨河长边、桥轴线边以及作为施工坐标系的起算边应通过同步观测获得其直接观测基线向量,并保证它们具有足够多的观测时段和时长,以确保整网的高精度及各点精度的均匀性。3)桥梁施工平面控制网中,2km以内的短边较多,控制点间的相对精度要求很高,因此,必须采取有效措施削弱天线对中误差对控制网精度的系统性影响。当有GPS高程拟合测量的要求时,应适当延长时段观测长度并提高天线高的测量精度。4)为检核GPS网的观测质量,一般应使用高精度全站仪观测一定数量的控制网边长。也可引入高精度的光电测距边,作为观测值与GPS观测值进行联合平差。工程实践中,应针对具体工程进行观测方案的优化设计,以达到保证精度和经济实用的目的。不宜简单地套用某一规范的要求,以免造成观测成果精度不符合要求或盲目加大观测工作量的情形。
4GPS数据处理方法
GPS控制网的数据处理主要包括基线向量解算和网平差2部分。基线解算是网平差的基础,可根据控制网的精度要求选择不同精度的卫星星历及解算软件。GPS数据处理软件大体上分为GPS接收机厂商随机附送的商用软件(随机软件)和性能优良的专业软件(如国际上流行的GAMIT/GLOBK、BERNESE和GIPSY/OASIS等)两类。一般而言,桥梁施工GPS网的基线长度短于10km,采用广播星历和随机软件解算即可获得1O左右的基线向量相对精度,可满足一般桥梁施工的精度要求。GPS独立基线的选取应符合下列基本原则:1)所选取的基线应构成闭合的几何图形;2)选取质量好的基线向量,可依据RMS(观测值解的均方根误差)、RATIO(标准差比率)、环闭合差和重复基线差来判断;3)构成环的边数不要太多,尽量构成三角形或四边形;4)尽量取边长较短的基线向量;5)各时段的重复基线要少取。控制网尺度是桥梁施工控制网的重要指标,应按照施工坐标系的标准选择工程投影面上的GPS边长起算(可固定或参与网平差),也可选取高精度光电测距边(跨河长边)作为起算数据或用其参与GPS网的联合平差,以确定尺度基准。当桥梁所在线路段的线路工程坐标系的长度投影变形值符合要求时,也可直接利用线路精测网控制点进行约束平差。
5结语
GPS建网方法是桥梁施工平面控制网测量的重要方法,这种方法在近10余年来得到了充分的发展和完善,已经并将继续在大型桥梁、隧道等跨江、跨海工程建设中发挥重要作用。利用GPS与全站仪相结合建立施工精密控制网起到事半功倍效果,同时能很好地满足对隧道口、斜井,地铁站口、竖井及大桥墩台等特殊工程结构部位的精密控制质量要求。随着以GPS、GLONASS(全球导航卫星系统)、Galileo(欧洲导航卫星系统)和北斗卫星导航系统等四大系统为主的卫星导航定位技术不断发展,其在 一一桥梁平面控制测量中的应用将更加深入和广泛。
参考文献
[1]刘大杰.全球定位系统(GPS)原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社,1999.
[2]杨一挺,景军郎.GPS技术在杭州湾跨海大桥首级控制网测量中的应用[J].东海海洋,2002,20,4.
[3]张勤,李家权.GPS测量原理与应用[M].北京:科学出版社,2005:197.
[4]李青岳,陈永奇.工程测量学[M].北京:测绘出版社,1995.
[5]贺国宏.桥隧控制测量[M].北京:人民交通出版社,1999.
[6]李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2005.