張勝偉，宋振柏，顧 葉

（1．山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東淄博255091；2．山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東淄博255091）

1 GPS施工控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)

近些年來，我國大跨度橋梁．施工工藝的改進(jìn)對測量工作提出了快速、高精度的要求，而GPS技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用為滿足施工要求提供了有利的條件本文結(jié)合位于某國道上的一座大型公路大橋控制網(wǎng)的施工需要，解決了應(yīng)用GPS定位系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和施工控制網(wǎng)中的幾個(gè)問題．大橋全長3245m，其中主橋長2290m，橋面寬31m，雙向六車道，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，全橋包括有預(yù)應(yīng)力空心板梁、大跨度的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁．

1．1 控制網(wǎng)精度的確定

為了滿足橋梁施工放樣的要求，達(dá)到建立橋梁施工控制網(wǎng)的預(yù)期目標(biāo)，控制網(wǎng)必須有足夠的精度．對于大跨度橋梁控制網(wǎng)的精度如何確定，目前尚無明確的規(guī)范，通常有以下兩種方法［7]：一種是根據(jù)橋式及橋長的允許誤差確定施工控制網(wǎng)的精度，這種方法一般根據(jù)鋼梁的制造和安裝誤差進(jìn)行分析；另一種方法是根據(jù)橋墩放樣的容許誤差來分析確定施工控制網(wǎng)的必要精度．最終確定控制網(wǎng)的精度時(shí)，應(yīng)根據(jù)兩種分析方法的結(jié)果，并結(jié)合相應(yīng)規(guī)范、具體橋梁的特點(diǎn)等綜合因素確定．

對于本工程來講，大橋是以預(yù)應(yīng)力鋼筋混泥土連續(xù)梁為主，其他結(jié)構(gòu)為輔的大型橋梁，在確定施工控制網(wǎng)必要精度時(shí)，可以按上述方法中的第二種方法進(jìn)行分析，即按橋墩中心點(diǎn)位的容許誤差來分析．此時(shí)

式中m控為控制點(diǎn)的誤差，Δ為橋墩中心放樣的容許誤差．

Δ可以從現(xiàn)行的相應(yīng)規(guī)范中查得，按上式即可求得m控．之后可按控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)邊長或者橋軸線的長度確定控制網(wǎng)的相對精度．

在現(xiàn)行的幾種規(guī)范中，對橋墩中心定位容許偏差的規(guī)定有少許差別．文獻(xiàn)［8] 中：對連續(xù)梁和跨度大于60m的簡支梁，其容許誤差為±20mm，對于跨度小于60m的簡支梁，其容許誤差為±10mm．本橋最大的跨度大于60m，Δ可取±20mm，則m控＝±8mm．在文獻(xiàn)［9] 中：橋墩（臺）的軸線偏位為±10mm，這樣求得m控＝4mm．

通過上述兩種方法所確定的精度有一定的差距，綜合考慮兩項(xiàng)指標(biāo)，取其平均值作為最終的精度要求，即m控＝6mm．

文獻(xiàn)［10] 中確定控制網(wǎng)等級見表1．

表1 按橋長確定橋梁施工平面控制網(wǎng)的必要精度

該大橋長度大于3 000m，且單跨長度大于500m，故對大橋控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)精度提出邊長相對精度為二等，且邊長誤差≤6mm的雙重精度要求．

1．2 控制網(wǎng)的網(wǎng)型及標(biāo)石設(shè)計(jì)

施工控制網(wǎng)的主要作用是為施工放樣服務(wù)，滿足橋梁墩（臺）施工放樣精度的要求．GPS橋梁施工平面控制網(wǎng)的點(diǎn)位及網(wǎng)型可以從4個(gè)方面考慮：

（1）控制點(diǎn)應(yīng)選在地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，土質(zhì)條件較好，避開施工干擾和有利于長期保護(hù)的地方．

（2）在保證點(diǎn)位穩(wěn)定性的前提下，直接就近施工，既能保證施工放樣的方便性，又能減少控制點(diǎn)的傳遞誤差，提高工程質(zhì)量．

（3）相鄰控制點(diǎn)間應(yīng)盡可能通視，點(diǎn)位盡可能設(shè)在地勢較高、有利于施工放樣和控制網(wǎng)加密的地方．點(diǎn)位周圍的環(huán)境應(yīng)滿足GPS觀測的要求，不宜設(shè)在交通繁忙等干擾大的地方．

（4）GPS同步環(huán)應(yīng)以邊連式或網(wǎng)連式的方式連接，不允許采用點(diǎn)連式，最簡獨(dú)立環(huán)的基線邊數(shù)必須符合相應(yīng)等級的規(guī)定．主橋控制網(wǎng)宜布設(shè)成三角形和大地四邊形組成的堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)型，以提高GPS網(wǎng)的可靠性．

在進(jìn)行該大橋施工控制網(wǎng)測量項(xiàng)目的選點(diǎn)時(shí)，我們參閱了“施工組織設(shè)計(jì)”中有關(guān)施工場地布置的內(nèi)容，充分考慮上述提到的各項(xiàng)選點(diǎn)原則，結(jié)合測區(qū)的地形地質(zhì)情況，將控制網(wǎng)布設(shè)成雙大地四邊形結(jié)構(gòu)，即以橋軸線作為雙大地四邊形的公共邊，在設(shè)計(jì)橋軸線的東西兩端分別布設(shè)一對點(diǎn)，以這對點(diǎn)作為本控制網(wǎng)的基礎(chǔ)控制點(diǎn)，構(gòu)成大橋主控制網(wǎng)．考慮到整個(gè)網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和控制點(diǎn)遭到破壞的可能性，又在大堤兩岸各加密了一個(gè)點(diǎn)，從而構(gòu)成了本次大橋控制網(wǎng)．網(wǎng)型結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 橋梁控制網(wǎng)

2 外業(yè)觀測及數(shù)據(jù)處理

2．1 外業(yè)測量

由于是施工控制網(wǎng)，精度要求較高，在具體的外業(yè)施測過程中，除遵循一般GPS測量所需要注意的事項(xiàng)外，還采取了一定的措施盡量減少外業(yè)觀測誤差的影響．首先點(diǎn)位埋設(shè)好后，保證點(diǎn)位有一個(gè)充分的穩(wěn)定期；其次采用雙頻GPS測量儀器；觀測前做好星歷預(yù)報(bào)工作，選擇有利的時(shí)段進(jìn)行觀測．

外業(yè)觀測時(shí)，采用了3臺Trimble GPS雙頻接收機(jī)來完成，觀測前根據(jù)衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)表和實(shí)地交通情況編制了觀測調(diào)度計(jì)劃．觀測時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)度計(jì)劃，在規(guī)定的時(shí)間段進(jìn)行同步觀測．為了保證控制網(wǎng)能達(dá)到預(yù)期的精度，且使網(wǎng)點(diǎn)精度均勻，外業(yè)測量按文獻(xiàn)［11] 二等技術(shù)要求實(shí)施．實(shí)際觀測時(shí)采用的主要技術(shù)要求見表2．

表2 GPS觀測主要技術(shù)要求

在作業(yè)過程中，及時(shí)利用隨機(jī)軟件對觀測成果進(jìn)行預(yù)處理和質(zhì)量分析與評定，按規(guī)范要求，對重復(fù)邊的互差、同步環(huán)閉合差等進(jìn)行了評定，對不符合規(guī)定要求的基線邊進(jìn)行重測，確保了外業(yè)觀測成果的質(zhì)量．

2．2 控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理及精度評定

2．2．1 三維無約束平差

為了評估大橋控制網(wǎng)的整體內(nèi)部符合精度，首先對大橋控制網(wǎng)進(jìn)行了無約束平差．利用隨機(jī)商用軟件結(jié)算出基線向量的前提下，以網(wǎng)中Z3為固定位置基準(zhǔn)點(diǎn)，以經(jīng)過粗差分析后的獨(dú)立基線向量及其協(xié)方差陣作為觀測量，進(jìn)行三維無約束平差．結(jié)果顯示，最弱點(diǎn)為Z7，其點(diǎn)位中誤差為±4．7mm；Z2的點(diǎn)位中誤差最小，其值為1．2mm；全網(wǎng)平均點(diǎn)位中誤差為±2．4mm．表明本網(wǎng)具有很高的內(nèi)符合精度，滿足設(shè)計(jì)中提出的±6mm指標(biāo)要求．

2．2．2 二維約束平差

橋梁施工控制網(wǎng)一般以橋軸線為坐標(biāo)軸建立局部坐標(biāo)系（施工坐標(biāo)系），而GPS測量的坐標(biāo)系為WGS－84大地坐標(biāo)系，所以應(yīng)將GPS基線向量與局部坐標(biāo)系的已知點(diǎn)和已知方位聯(lián)系，在局部坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行約束平差．

平差時(shí)以K1和K3兩點(diǎn)的國家大地坐標(biāo)為已知點(diǎn)進(jìn)行二維約束平差，求得各控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)及相應(yīng)的精度，再以橋軸線一端點(diǎn)（Z1）的里程為橋軸線坐標(biāo)系的x坐標(biāo)，y坐標(biāo)為0，進(jìn)行坐標(biāo)的平移和旋轉(zhuǎn)，求得各控制點(diǎn)在橋軸線坐標(biāo)系中的坐標(biāo)．

二維約束平差后，最弱點(diǎn)為Z7，最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為±3．2mm；最弱邊為Z1—Z3，最弱邊的邊長相對中誤差為1／458 716；最弱橋軸線邊長相對中誤差為1／640 000．

通過對控制網(wǎng)設(shè)計(jì)精度和實(shí)測精度的比較（見表3），可以看出橋梁GPS施工平面控制網(wǎng)的實(shí)測精度大大優(yōu)于設(shè)計(jì)精度，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求．

表3 GPS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)精度與實(shí)測精度對比

3 橋梁平面控制網(wǎng)成果可靠性檢驗(yàn)

為了確保橋梁施工控制網(wǎng)的精度與可靠性，采用高精度測距邊對部分GPS基線邊進(jìn)行檢測．測距邊觀測采用Leica TC2003全站儀及配套棱鏡、氣象儀器配套設(shè)備，觀測值經(jīng)儀器加乘常數(shù)改正、氣象改正、傾斜改正等必要的數(shù)據(jù)改正處理，計(jì)算得到的測距邊長與GPS邊長對比結(jié)果見表4．

表4 測距邊長與GPS邊長對比

由表4可見，GPS邊長與測距邊長之間具有較高的符合精度，說明GPS測量成果可靠．

4 結(jié)束語

GPS定位技術(shù)以其高精度、高效率、低成本、受氣候影響小等突出優(yōu)勢，已逐步取代傳統(tǒng)的三角測量技術(shù)而成為橋梁施工控制網(wǎng)測量的主流技術(shù)．針對橋梁工程特點(diǎn)，對GPS控制網(wǎng)的精度、網(wǎng)型、觀測及數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是確?？刂凭W(wǎng)測量質(zhì)量的重要前提．實(shí)踐證明，GPS靜態(tài)定位技術(shù)可應(yīng)用于高精度的橋梁施工控制網(wǎng)，本公路大橋施工控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)、施測方法及技術(shù)要點(diǎn)合理可行，能夠滿足工程施工要求．

［1] 吳迪軍．GPS橋梁施工控制網(wǎng)設(shè)計(jì)和施測方法研究［J] ．橋梁建設(shè)，2009，20（4）：72－75．

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