短距離二等三角高程測(cè)量在港珠澳大橋跨海水準(zhǔn)測(cè)量中的應(yīng)用

金廷文，錢健龍

短距離二等三角高程測(cè)量在港珠澳大橋跨海水準(zhǔn)測(cè)量中的應(yīng)用

金廷文，錢健龍

（中交三航局第二工程有限公司，上海200012）

遠(yuǎn)海域施工控制網(wǎng)可以借助海中測(cè)量平臺(tái)來(lái)建立，通過(guò)跨海水準(zhǔn)測(cè)量來(lái)進(jìn)行高程傳遞。但是海中剛性結(jié)構(gòu)的測(cè)量平臺(tái)受風(fēng)力、潮汐等外界因素影響晃動(dòng)性大，對(duì)測(cè)量精度有著非常明顯的影響。因此，如何進(jìn)行三角高程跨海水準(zhǔn)測(cè)量使測(cè)量精度達(dá)到二等技術(shù)要求，對(duì)工程建設(shè)有著重要的應(yīng)用價(jià)值。港珠澳大橋東人工島在距離人工島260m處搭建了海中測(cè)量平臺(tái)作為整島高程控制基準(zhǔn)，通過(guò)專門技術(shù)設(shè)計(jì)，合理選擇觀測(cè)時(shí)間段，提高各項(xiàng)觀測(cè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了基于不穩(wěn)定測(cè)量平臺(tái)的跨海水準(zhǔn)測(cè)量達(dá)到二等技術(shù)要求的目標(biāo)。

三角高程；測(cè)量平臺(tái)；跨海高程傳遞

0 引言

港珠澳大橋島隧工程?hào)|人工島毗鄰香港大嶼山，地質(zhì)情況復(fù)雜，島體結(jié)構(gòu)的沉降大，對(duì)整島的高程控制存在很大困難。為了保證施工正常進(jìn)行，在距離人工島260 m處搭建了海中測(cè)量平臺(tái)作為整島高程控制基準(zhǔn)，通過(guò)徠卡TS30超高精度全站儀進(jìn)行三角高程測(cè)量，將測(cè)量平臺(tái)高程傳遞到人工島上，并通過(guò)測(cè)微法作為平行檢核條件對(duì)成果進(jìn)行檢核。人工島高程控制精度要求高，因此跨海高程傳遞測(cè)量的精度以《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》中二等技術(shù)要求為基準(zhǔn)[1-4]。

1 技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 控制網(wǎng)布設(shè)

依據(jù)規(guī)范中二等三角高程設(shè)計(jì)，需將控制網(wǎng)設(shè)計(jì)成四邊形的形式，但海中測(cè)量平臺(tái)受場(chǎng)地限制，僅能在平臺(tái)設(shè)置1個(gè)跨海高程點(diǎn)（SJM09），在人工島岸側(cè)設(shè)置2個(gè)點(diǎn)位（BD1、BD2），形成1個(gè)三角形閉合環(huán)線，場(chǎng)地示意圖見圖1。

圖1 跨海水準(zhǔn)場(chǎng)地示意圖Fig.1 Schematic diagraMof sea-crossing leveling

圖1 中BD1及BD2的85高程約6.8m，為埋設(shè)的水準(zhǔn)觀測(cè)釘，SJM09點(diǎn)的85高程約7.7 m，為強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩。觀測(cè)視線距離海平面約6~7 m，視線垂直角在±10′范圍內(nèi)。

1.2 儀器設(shè)備

選用一套徠卡TS30全站儀，測(cè)角精度0.5″，測(cè)距精度±（1 mm+10-6D），D為測(cè)量距離；一套徠卡DNA03電子水準(zhǔn)儀（配條碼因瓦尺），標(biāo)稱精度±0.2mm/km。

1.3 人工島水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)方法

人工島上2點(diǎn)BD1與BD2之間距離約16 m，采用電子水準(zhǔn)儀按照二等水準(zhǔn)技術(shù)要求進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

1.4 跨海高程觀測(cè)方法

1）距離觀測(cè)

通過(guò)全站儀單棱鏡往返觀測(cè)測(cè)定，經(jīng)過(guò)各項(xiàng)改正直接得到平距，共觀測(cè)2個(gè)雙程，4個(gè)單程，每個(gè)單程測(cè)距的程序?yàn)?a盤左，照準(zhǔn)目標(biāo)，測(cè)記距離4次；b盤右，照準(zhǔn)目標(biāo)，記錄距離4次。

2）角度觀測(cè)

除了參照規(guī)范要求的垂直角觀測(cè)程序外，針對(duì)晃動(dòng)性測(cè)量平臺(tái)應(yīng)進(jìn)行各項(xiàng)專門設(shè)計(jì)。為了減小誤差和提高精度，選取的觀測(cè)時(shí)間應(yīng)考慮潮汐、風(fēng)力、氣溫等外界因素變化帶來(lái)的影響。儀器架設(shè)在平臺(tái)上時(shí)，受平臺(tái)晃動(dòng)的影響最大，所以應(yīng)首先選擇平臺(tái)晃動(dòng)性最小的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行，再考慮風(fēng)力和氣溫變化等其他外界因素影響最小的時(shí)間段。平臺(tái)總會(huì)有晃動(dòng)，因此角度觀測(cè)的組數(shù)及每組中的數(shù)據(jù)量均大于規(guī)范要求，根據(jù)平臺(tái)晃動(dòng)幅度大小確定垂直角觀測(cè)技術(shù)要求如表1。

表1 測(cè)量平臺(tái)上垂直角觀測(cè)技術(shù)要求Table1 Technical requirements for verticalangle measurement onMeasuring p latform

其中，盤左照準(zhǔn)遠(yuǎn)岸標(biāo)志1次讀數(shù)若干次，再盤右照準(zhǔn)遠(yuǎn)岸標(biāo)志1次讀數(shù)若干次，構(gòu)成1組垂直角觀測(cè)，注意讀數(shù)的時(shí)間間隔盡量差不多。觀測(cè)過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行必要的調(diào)整，只能增加工作量，不能減少。

由于平臺(tái)位于人工島北側(cè)，漲潮時(shí)人工島會(huì)阻擋潮流影響，落潮時(shí)影響最大，選擇觀測(cè)時(shí)段首先應(yīng)選擇漲潮至平潮的時(shí)間段內(nèi)，微風(fēng)，并盡量按照規(guī)范中跨河水準(zhǔn)觀測(cè)要求進(jìn)一步規(guī)劃觀測(cè)時(shí)間。測(cè)量開始前、后必須精確量測(cè)儀器高及標(biāo)燈高（量取3個(gè)方向取平均值，且均需改正到垂高），角度測(cè)量共觀測(cè)2個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段觀測(cè)4個(gè)單測(cè)回。

2 精度分析

觀測(cè)過(guò)程采用對(duì)向觀測(cè)，根據(jù)三角高程高差計(jì)算公式，計(jì)算得到對(duì)向觀測(cè)高差中數(shù)見式（1）:

式中:hAB為A、B兩點(diǎn)間高差；D為兩點(diǎn)間平距；α為垂直角；i為儀器高；v為棱鏡高；f為球氣差改正。由于對(duì)向觀測(cè)前后時(shí)間差較小，且視線基本水平，往返測(cè)兩差改正基本抵消，可認(rèn)為為0。

根據(jù)誤差傳播理論，得到高差hAB的誤差見式（2）:

根據(jù)誤差公式，影響觀測(cè)高差精度的因素有:

1）豎直角觀測(cè)誤差:由于平臺(tái)晃動(dòng)性對(duì)豎直角觀測(cè)影響大，因此無(wú)法直觀分析豎直角觀測(cè)誤差，進(jìn)行誤差分析時(shí)，首先不考慮平臺(tái)晃動(dòng)性帶來(lái)的影響，且每半測(cè)回按4組數(shù)據(jù)、每組數(shù)據(jù)盤左盤右各讀數(shù)10次計(jì)算，按誤差傳播理論，半側(cè)回中測(cè)角精度

2）距離觀測(cè)誤差:平距觀測(cè)受平臺(tái)晃動(dòng)性影響小，且垂直角小，可直接按標(biāo)稱精度進(jìn)行評(píng)估，mD≈1.2 mm。

3）儀器高和棱鏡高量取誤差:儀器高和棱鏡高從3個(gè)方向量取，且量取值之差小于2mm，取平均值后，估算儀器高和棱鏡高量測(cè)誤差最大值mi≈0.94mm，mv≈0.94mm。

距離為260m，垂直角小于10′，估算誤差時(shí)適當(dāng)放大取α=30′，將上述誤差估算值及距離角度值代入式（2）得到mh=0.95mm。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)及質(zhì)量檢核

按規(guī)范要求，共觀測(cè)2個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段觀測(cè)4個(gè)單測(cè)回，形成的高差觀測(cè)值如表2，其中BD1-BD2高差為同岸二等水準(zhǔn)往返觀測(cè)平均值。

表2 高差觀測(cè)結(jié)果Table2 Measu red resultsof elevation difference

規(guī)范要求測(cè)距邊觀測(cè)值一測(cè)回讀數(shù)間較差不大于10 mm，測(cè)回中數(shù)間較差不大于15 mm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中該兩項(xiàng)較差最大值分別為2.4 mm和3.3 mm，滿足測(cè)距要求；單測(cè)回間高差互差限差要求在d H限==4.08mm范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)高差互差最大值為3.16 mm，滿足限差要求；環(huán)閉合差限差要求在W==8.65mm范圍內(nèi)，從表2數(shù)據(jù)分析，閉合差均滿足限差要求。

3.2 平差分析

對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)密平差，跨海高差段平差結(jié)果見表3。

從表3可以看出，平差得到的高差中誤差最大值為0.43mm，小于誤差估計(jì)值0.95mm。

4 結(jié)語(yǔ)

1）平差的高差中誤差小于誤差估計(jì)值，雖然估計(jì)值中未進(jìn)行平臺(tái)晃動(dòng)性影響分析，但實(shí)際測(cè)量過(guò)程中針對(duì)平臺(tái)的晃動(dòng)性對(duì)觀測(cè)數(shù)量進(jìn)行了加倍，同時(shí)平臺(tái)上是強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩，儀器高（或棱鏡高）量測(cè)誤差小于估計(jì)值。因此，通過(guò)專門設(shè)計(jì)，提高各項(xiàng)觀測(cè)指標(biāo)，能夠使基于不穩(wěn)定測(cè)量平臺(tái)的跨海水準(zhǔn)測(cè)量達(dá)到二等技術(shù)要求。

表3 跨海高差平差結(jié)果Table3 Adjustmentof heightdifference froMsea-crossing leveling

2）平臺(tái)晃動(dòng)主要受潮流及風(fēng)力影響，因此選擇觀測(cè)時(shí)間段非常重要，應(yīng)選擇漲潮而且快接近平潮的時(shí)間開始觀測(cè)，保證落潮前完成全部觀測(cè)任務(wù)，同時(shí)風(fēng)力溫和，盡量減小環(huán)境的影響。

3）當(dāng)進(jìn)行同時(shí)對(duì)向觀測(cè)條件不滿足時(shí)，觀測(cè)過(guò)程讀數(shù)應(yīng)果斷準(zhǔn)確、上半測(cè)回和下半測(cè)回觀測(cè)時(shí)間控制在15 min內(nèi)可使一測(cè)回前后的環(huán)境條件基本接近。同時(shí)跨海視線接近水平可有效減小折光的影響，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4）若條件允許，應(yīng)按照規(guī)范要求將跨河水準(zhǔn)控制網(wǎng)布設(shè)成大地四邊形，大地四邊形形成的閉合環(huán)多，可以增加校核條件，提高精度和可靠性。

[1]GB/T 12897—2006，國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范[S].

GB/T 12897—2006,Specifications for the first and second order leveling[S].

[2]沈家海，劉明，劉保永.港珠澳大橋西人工島施工測(cè)量控制網(wǎng)測(cè)設(shè)技術(shù)[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2015，35（11）:32-34.

SHEN Jia-hai,LIUMing,LIU Bao-yong.Survey design technology of construction control network for the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridgewestartificial island[J].China Harbour Engineering,2015, 35(11):32-34.

[3]徐良，孫陽(yáng)陽(yáng).光學(xué)測(cè)微法跨河水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用及精度分析[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2015，35（7）:39-41.

XU Liang,SUN Yang-yang.Application and precision analysis of optical micrometry method for river-crossing leveling[J].China Harbour Engineering,2015,35(7):39-41.

[4]港珠澳大橋管理局.港珠澳大橋施工及質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].2013.

Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Construction and quality acceptance criteria forHongkong-Zhuhai-Macao Bridge[S]. 2013.

App lication of short distance second order trigonometric leveling in sea-crossing leveling for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

JIN Ting-wen,QIAN Jian-long
（No.2Engineering Co.,Ltd.ofCCCCThird HarborEngineering Co.,Ltd.,Shanghai200012,China）

Offshore survey Control Network can be built by means of the sea measurement p latforMand transmission of leveling data can bemade through sea-crossing leveling survey.Offshoremeasuring platforMis a rigid structure,which sways due to external factors such as the sea winds and tides and produces very significant impact on the measurement accuracy. Therefore,how to carry outsea-crossing trigonometric leveling tomake themeasuring accuracy reach the second order leveling accuracy has important app lication value for the project.An offshoremeasurement platforMwas erected 260 Maway froMthe eastartificial island ofHongkong-Zhuhai-Macao Bridge,which isused as the control chart datuMfor the leveling survey of the whole island.With the specially technical design of the survey,rational selection of time periods for leveling survey and improvementof the accuracy of the survey data,offshore sea-crossing trigonometric leveling has been achieved on an unstable measuring p latforMand themeasuring accuracy hasmet the targetset for a second order leveling accuracy.

trigonometric leveling;measurement platform；sea-crossing Leveling

U652.4

A

2095-7874（2016）07-0026-03

10.7640/zggw js201607008

2016-05-23

金廷文（1987—），男，湖南張家界人，工程師，工程測(cè)量專業(yè)。E-mail:jinwentj@sina.com