安九鐵路九江長江特大橋測量控制網方案研究

陳 峰

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢 430050)

隨著我國高速鐵路網的不斷完善，跨越長江的橋梁越來越多。受長江航道及防汛等諸多因素的影響，要求新建的長江大橋橋跨更長，塔柱更高，其施工放樣精度要求也越來越高(對于無砟軌道高鐵橋梁，其主塔墩中心點的點位限差為5 mm)。因此，需要建立高精度的測量控制網，以滿足施工需要。李劍坤對長距離跨海大橋施工控制網測量進行了研究[1]，介紹建立跨海大橋施工獨立坐標系的方法:兩端的線路需聯測橋梁控制點，以橋梁控制點為基準，調整線路的部分測量誤差，使線路與橋梁順利銜接。安九鐵路九江長江大橋精測網先于橋梁施工控制網建立，需要橋梁順接于兩端線路，而線路起算控制點等級為CPI，無法滿足橋梁施工放樣的精度要求。因此，需依附于線路精測網建立橋梁施工獨立坐標系，使其既能滿足施工要求，又能保證橋梁與線路的順利銜接。

新建安慶至九江鐵路是長三角城際鐵路網的重要組成部分，該線銜接商合杭客專、合安鐵路、昌九城際、昌吉贛客專，形成一條南北向的快速客運通路；同時又與寧安城際鐵路、武九客專連通，形成沿長江東西向的快速客運通路。安九鐵路九江長江特大橋是九江至安慶鐵路的重要控制工程，位于長江下游河段。橋位南側位于江西省九江縣，北側位于湖北省黃梅縣，橋位中間是自然沖擊形成的獨立島—鳊魚洲。九江長江特大橋南汊主通航孔主橋采用8跨連續雙塔混合箱梁斜拉橋，跨度布置為(2×50+224+672+174+3×50)m，全長1320 m，北汊副通航孔主橋采用4跨連續獨塔預應力混凝土箱梁斜拉橋，跨度布置為(49+2×140+49)m，引橋主要為跨徑32 m的簡支混凝土箱梁。以安九鐵路九江長江特大橋為例，研究大跨度跨江橋梁控制網測量方案。

1 建立控制網的目的和任務

建立大跨度跨江大橋施工控制網的目的是為大橋施工圖設計提供相應的基礎測繪資料，同時作為工程施工放樣、竣工驗收及運營期間變形測量的控制基準。控制網測量包括平面和高程施工控制網測量。

2 測量精度、基準、起算點與標識標志埋設要求

2.1 測量精度要求

根據工程項目的建設需要和規范要求，選擇合適的儀器設備進行外業施測。安九鐵路長江特大橋平面施工控制網采用GPS測量的方法[2]，按《高速鐵路工程測量規范》(以下統稱規范)一等GPS靜態測量精度施測；高程施工控制網按規范中二等水準測量精度施測，跨江段高差傳遞按二等跨河水準測量精度施測。

2.2 測量基準

(1)坐標系統

線路精密平面控制網(精測網)的精度為二等GPS控制網，其精度不能滿足安九鐵路九江長江大橋的施工需要。因此，為滿足工程建設的特殊性需求，以“一點一方向，自由網平差”方法，建立依附于原線路精測網的橋梁施工獨立坐標系。具體做法為:以橋位附近穩定的某一個控制點的平面坐標作為起算坐標，該點至附近另外一個點的坐標方位作為起算方位，尺度歸算至橋軸線平均子午線經度，投影變形歸化至橋梁平均軌底高程平面，橢球參數與中央子午線與線路精測網相同。

(2)高程系統

安九鐵路長江特大橋采用1985國家高程基準。

2.3 起算點選擇

平面起算坐標采用線路精測網中的兩個穩定平面點(一點一方向)，高程控制網利用某一個穩定的高程控制點作為起算。應優先選擇基巖點作為高程起算點，另外選擇2～3個二等水準點作為檢核點，形成水準閉合環。

2.4 標石標志埋設

安九鐵路長江特大橋平面控制點均選擇強制歸心觀測墩(見圖1)，其實用性和耐久性方面優于其他選擇，能夠更好地為后續橋梁施工測量服務[3]。

圖1 強制歸心觀測墩

3 平面控制網測量方案實施

結合測區實際情況，充分利用鳊魚洲的特殊位置，參照文獻[4]，利用準則矩陣設計出最優的控制網網形。安九鐵路九江長江特大橋施工控制網共布設18個平面控制點，同時聯測了3個線路基礎平面控制點。其中，黃梅岸(湖北)布設了8個控制點，點號為DQ1～DQ8，鳊魚洲(獨立島)上埋設了2個控制點，點號為DQ9、DQ10，九江岸(江西)共埋設8個控制點，點號為DQ11～DQ18。所選控制點分布均勻，通視條件良好，且全部為強制歸心觀測墩[5]。

3.1 精度設計

安九鐵路九江長江特大橋平面控制網按規范中一等GPS精度施測，其主要指標為:基線方位中誤差不大于0.9″；最弱邊邊長相對中誤差不大于1/250 000，邊長小于500 m的邊其邊長中誤差不大于±5 mm[6]。

3.2 外業觀測

采用GPS靜態相對測量模式對平面控制網進行觀測，根據相應規范，制定GPS外業觀測的主要技術要求。注意事項如下:

①GPS外業數據采集時應嚴格按照調度計劃表進行。

②在作業過程中，應隨時觀察外接蓄電池的實時情況，以免發生電池電量耗盡而自動關機的情況，影響外業觀測的一致性和連續性。

③在測量過程中，應嚴格遵守操作規程，隨時檢查儀器的對中與整平，確保外業觀測質量。

④在外業觀測、換站、上下船的過程中，應注意人員和儀器設備的安全。

3.3 數據處理

采用Trimble GPS數據處理商業軟件TBC 3.70進行基線向量解算，解算合格后，進行重復基線、異步環的長度或坐標閉合差的驗算，以避免基線存在粗差[7]。限差全部滿足規范要求后，使用COSAGPS6.0商用平差軟件進行平面控制網平差:在WGS-84坐標系統下進行三維無約束平差；三維坐標分量等各項指標滿足要求后，再按“一點一方向”進行二維約束平差。即以線路CPI控制點CPI127作為起算坐標，以CPI127至CPI129的坐標方位作為已知方位，尺度歸算至測區橋軸線平均子午線經度115°51′42″，投影面正常高程為橋梁平均高程(52 m)，求解各控制點在橋梁施工坐標系中的坐標[8]。

3.4 精度分析

平差后，需分析最弱點的點位中誤差，最弱邊的邊長相對中誤差、基線方位中誤差；另外，還要分析代表橋軸線跨越長江段最弱邊的邊長相對中誤差、基線方位中誤差、邊長中誤差[9]。平差后的結果:最弱點的點位中誤差為±2.3 mm，最弱邊相對中誤差為1/321 000，基線方位中誤差為0.66″，邊長中誤差為±0.9 mm；代表橋軸線跨越長江段最弱邊的邊長相對中誤差為1/1 063 000，基線方位中誤差為0.13″，邊長中誤差為±1.3 mm，各項精度指標均優于規范要求，平差后各平面控制點的坐標精度見表1。

表1 平面控制點點位中誤差統計

3.5 邊長校核

為了驗證GPS控制網的可靠性，使用Leica TCA2003全站儀，對2條邊進行邊長校核，每條邊均往返觀測4個測回，并進行儀器加乘常數改正、氣象改正、傾斜改正和投影改正，其與GPS網平差邊長的比較見表2。

表2 全站儀和GPS測量邊長對比

從表2可看出，GPS網平差邊長與Leica TCA2003全站儀實測邊長吻合較好，證明了所建橋梁施工獨立坐標系的可靠與精確。

3.6 與原線路坐標系的關系

橋梁施工坐標系是在線路坐標系的基礎上建立的，橢球參數與線路坐標系相同，僅存在尺度和投影面的偏差，其最大坐標差為19 mm，小于20 mm的規范限差要求。

4 高程控制網測量方案實施

4.1 精度設計

安九鐵路九江長江大橋高程控制網按二等水準測量精度進行測量，要求每公里水準測量的偶然中誤差≤1 mm[6]。

4.2 外業觀測

(1)陸地水準聯測

采用1臺Trimble Dini數字水準儀及配套銦瓦條碼尺進行觀測，每個測段往、返測量取平均值，所有測段組成水準閉合環，測站觀測順序為:往返測奇數測站為“后前前后”模式，偶數測站為“前后后前”模式；水準測量視線長度和高度及觀測限差均滿足規范要求[6]。

在外業觀測期間，按照規范要求進行標尺圓氣泡檢校及水準儀i角的檢測。二等水準測量中往返測高差較差、附合或環閉合差限差為(為水準測量的環線或路線長度)。

對高差比較大的陸地區域，采用文獻[10]介紹的改進中間法三角高程測量方法進行施測，以提高外業工作效率。

(2)跨江水準測量

為保證安九鐵路九江長江特大橋兩岸高程的正確傳遞，參照文獻[11]關于跨江三角高程的網形優化設計方案，制定了該橋梁工程項目的跨江水準測量方案。全橋共布設了4條跨江線路，其中南汊、北汊各布設2條(如圖2)，通過與陸地水準聯測形成閉合環。南汊跨江水準視線長約1.03 km，北汊跨江水準視線長約0.58 km，每條跨江線均布設成四邊形，使用2臺Leica TCA2003全站儀及配套銦瓦水準尺和觀測標燈，按測距三角高程法進行同時對向觀測。內業數據處理參照文獻[12]，并計算出該區域的大氣折光系數，對往返高差進行折光改正，以提高三角高程測量的精度。

圖2 跨河水準測量網形布設方案示意

①距離測量

對每條跨江線的2條跨江邊，使用兩臺Leica TCA2003全站儀同時進行對向觀測(外業觀測記錄斜距)，經過各項改正后，換算成平距或者直接使用GPS基線解算及網平差后的水平距離[13]。

②垂直角測量

在外業測量過程中，借鑒文獻[14]中減少系統誤差的經驗，盡可能地減少全站儀系統誤差對三角高程跨河水準測量的影響，各測回垂直角觀測的限差按表3規定執行。

表3 垂直角觀測的限差

跨河線垂直角觀測借鑒文獻[15]的經驗，具體要求如下。

同一標志線4次照準讀數之差不得大于3″；

最少觀測時段數:南汊6個，北汊4個；

每條跨江線路有效雙測回數:南汊8個，北汊6個；

半測回中的組數:北汊6組，南汊4組；

過江視線高度≥4.5 m。

③限差規定

各測回間高差互差限差[6]為

式中:MΔ——每km水準測量偶然中誤差限值/mm；

N——單測回的測回數；

S——跨河視線長度/km。

同一時段的每條邊組成的高差環閉合差不大于式

(2)計算的限值[6]

式中:MW——每km水準測量的全中誤差限值/mm；S——跨河視線長度/km。

在有效觀測成果中，先剔除每個雙測回中環閉合差超限的時段，再進行每個雙測回高差互差值的比較。

④限差執行情況

南汊跨河水準測量1號線、2號線跨江距離為1.04 km，測回間高差互差限差為±14.1 mm，同一時段各條邊高差計算的環閉合差限差為±12.2 mm；北汊跨河水準測量3號線、4號線跨江距離為0.58 km，測回間高差互差限差為±8.6 mm，同一時段各條邊高差計算的環閉合差限差為±9.12 mm。南汊跨河水準測量選取滿足規范要求的8個雙測回測段高差，北汊跨河水準測量選取滿足規范要求的6個雙測回測段高差，各雙測回間互差及環閉合差見表4，均能滿足規范要求。

表4 跨河水準測量成果限差統計 mm____

表5 高程控制網閉合環成果統計

(3)高程控制網閉合環

高程控制網共組成4個閉合環:黃梅岸1個，跨江段2個，九江岸1個，各閉合環閉合差及限差見表5。

4.3 數據處理

采用商業軟件對觀測高差進行整體平差，觀測值的權按水準高差的路線長度來確定，跨江水準測量的權結合測量精度綜合評定，以其中一個穩定的基礎平面控制點高程作為起算點。每km偶然中誤差MΔ按式(3)計算[6]

代入已知數值后，MΔ=±0.50 mm。

平差后，每km平面測量中誤差為0.5 mm，小于規范1.0 mm的限差，高程測量中誤差為±0.64 mm，最弱點的高程精度為±1.4 mm，均滿足規范的要求。

5 結論與建議

對安九鐵路九江長江特大橋施工控制網的數據分析結果表明，所建立的大橋控制基準準確可靠，測量方法可行，成果精度高，滿足大橋施工的要求。按“一點一方向”法建立的橋梁施工坐標系，其精度較線路精密控制網更高。另一方面，該方法也存在一定的弊端，即易將起算控制點的誤差累積到其中一側接線處，需要施工單位相互聯測接線處的共有控制點，并實地放樣橋梁中心線和線路中心線，以保證橋軸線正確銜接。